第六章-荷载的统计分析

第六章荷载的统计分析内容提要第一节荷载的概率模型一、随机过程的几个概念二、平稳二项随机过程三、荷载统计分析四、几种主要荷载的统计分析结果第二节荷载的各种代表值一、标准值二、荷载准永久值三、荷载组合值四、荷载频遇值第三节荷载效应和荷载组合一、荷载效应二、荷载效应组合第一节荷载的概率模型荷载直接作用施加于结构上的各种荷载永久荷载、可变荷载随时间变化的随机变量可用随机过程概率模型来描述一、随机过程的几个概念1、样本函数q(t)~荷载随时间连续变化的函数2、随机过程Q(t)—Q(t),t0,T表示~一组样本函数q1(t)、q2(t)、……qn(t)的总称3、任意时点荷载Q(ti)~随机过程Q(t)在t=ti处可能出现的值组成的一个随机变量分布。记为Q(ti)=q1(ti)、q2(ti)、q3(ti)……即随机过程Q(t),t0,T在t=ti时点的荷载Q(t)0Tt样本函数q(t)随机过程Q(t)—Q(t),t0,T任意时点荷载Q(ti)=q1(ti)、q2(ti)、q3(ti)……q1(t)q2(t)q3(t)t=tiq1(ti)q2(ti)q3(ti)二、平稳二项随机过程假定：建筑结构设计基准期T=50年荷载一次持续施加于结构上的时段长度=T/r，即将T分为r个相等的时段在每一时段上荷载出现的概率p，不出现的概率q（q=1-p）在每一时段上，荷载出现时，其幅值是非负随机变量，且在不同时段上其概率分布函数FQ(x)相同不同时段上荷载幅值随机变量是相互独立的，且与在时段上是否出现荷载无关Q(t)Tt随机过程Q(t),t0,T的样本函数模型化为等时段的矩形波函数三、荷载统计分析荷载统计要素—荷载一次持续的时间p—在时段ti上荷载出现的概率FQ(x)—任意时段上随机变量的概率分布随机过程Q(t)→(采用一次二阶矩结构可靠度分析)设计基准期内最大荷载随机变量QT=maxQ(t)0tT设计基准期内最大荷载QT的概率分布函数FT(x)任意时点上荷载的概率分布函数F(x)=P[Q(t)x,t]=P[Q(t)0]P[Q(t)x,tQ(t)0]+P[Q(t)=0]P[Q(t)x,tQ(t)=0]=pFi(x)+q1=pFi(x)+(1-p)=1-p[1-Fi(x)]设计基准期内最大荷载QT的概率分布函数FT(x)TtxtQPxQPxFTT,maxxFptxtQPirjjjrj11,11rixFp11NiprixiFprTxFxFexF1NiTxFxF令N=pr—荷载在T内出现的平均次数设计基准期内最大荷载QT的概率分布函数FT(x)等于任意时点荷载概率分布函数Fi(x)的N次方xex1四、几种主要荷载的统计分析结果1、永久荷载-随机过程{G(t)=G,t[0,T]}荷载一次出现的持续时间=TGTt样本函数模型（一条与时间轴平行的直线）设计基准期内的时段数T/=1在每一时段内出现的概率p=12、民用楼面活荷载持久性活荷载Li~楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载,如住宅内的家具、物品、工业房屋内的机器、设备和堆料等。荷载一次出现的持续时间=T/5设计基准期内的时段数T/=5在每一时段内出现的概率p=1Li0Tt临时性活荷载Lr(t)-楼面上偶然出现短期荷载，如聚汇的人群、维修时工具和材料的堆积、室内扫除时家具的集聚等。样本函数模型t0Lr(t)T设计基准期内的时段数r=T/=10在每一时段内出现的概率p=1N=pr=103、风荷载wy(年最大风压)、雪荷载sy(年最大雪压)设计基准期内的时段数r=50在每一时段内出现的概率p=1N=pr=50t0Twysy第二节荷载的各种代表值荷载代表值—设计中用以验证极限状态所采用的荷载值，包括标准值、组合值、频遇值和准永久值一、标准值(characteristicvalue)~按设计基准期（T=50年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定1、恒载标准值Gk~正态分布N(G、G)~相当于永久荷载概率分布（即设计基准期内最大荷载概率分布）的0.5分位值，即正态分布的平均值G~Gk=结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重平均值确定对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值Gk=0.95G即G=1.06Gk（由于存在超重现象，实际的平均值为Gk的1.06倍）对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值Gk=1.0G对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值概率密度函数xf)(分区间长度组距概率xf特性⑴0xf，即xf为非负函数⑵1dxxf⑶dxxfbxaPbaxfxfabxxx概率密度分布函数xFxXPdxxfxFx随机变量X~正态分布N（、）X的概率密度函数22121xexfX的概率分布函数dxxfxXPxFx=dxexx22121xfx概率密度函数标准正态分布N（0、1）X的概率密度函数22121xexfX的概率分布函数dxxfxXPxFx=dxexx22121xf0x概率密度函数2、民用建筑楼面活载标准值~极值Ⅰ型Lk=LT+LT办公楼Lk=LT+1.5LTLk=1.5kN/m2分位值p=92.1%住宅Lk=LT+0.7LTLk=1.5kN/m2分位值p=79.1%住宅的活荷载标准值偏低较多考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比显然偏低鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定Lk=2.0kN/m2办公楼Lk=LT+3.16LT住宅Lk=LT+2.38LT随机变量X~极值Ⅰ型分布X的分布函数uxxFIexpexp—分布的尺度参数，28255.1u—分布的位置参数，即其分布的众值，/57722.0u~X的标准差~X的平均值xFxfI0x概率密度函数3、风荷载标准值wk~极值Ⅰ型不按风向时/wT=1.109wkwk=0.9/wT按风向时wT=0.999wkwk=1.0wT即《规范》(GB50009)规定的风荷载标准值wk接近于设计基准期最大风荷载的平均值wT。4、雪荷载标准值sok设计基准期最大雪荷载ST~极值Ⅰ型平均重现期为R的最大雪压xRxR=u-ln[ln(R/R-1)]/GB50009给出了重现期为10年、50年和100年的雪压值，其他重现期R的相应值按下式确定xR=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)~设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间Tq=ti与整个设计基准期T之比等于0.5确定。即Tq/T=0.5可变荷载准永久值Qx=qQkq—荷载的准永久值系数，且q=荷载准永久值/荷载标准值1.0见GB50009表4.1.1、表4.3.1tQTti准永久值Qx二、准永久值(quasi-permanentvalue)三、组合值（当承受2个可变荷载时）(combinationvalue)考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值确定原则：要求结构在单一可变荷载作用下的可靠度与在两个及其以上可变荷载作用下的可靠度保持一致cQk~可变荷载组合值四、荷载频遇值(frequentvalue)设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间Tq=ti与整个设计基准期T之比小于0.1确定。即Tq/T0.1fQk~可变荷载频遇值c~荷载组合值系数(见GB50009表4.1.1、表4.3.1)f~荷载频遇值系数(见GB50009表4.1.1、表4.3.1)准永久值系数q组合值系数c频遇值系数f风荷载00.60.4雪荷载0.5(I)0.2(II)0(III)0.70.6楼面活荷载见规范0.7见规范荷载代表值(representativevalueofaload)荷载标准值Gk、Qk荷载组合值cQk荷载准永久值qQk荷载频遇值fQk荷载的基本代表值荷载标准值第三节荷载效应和荷载组合一、荷载效应（S）(effectofaload)-由荷载引起结构或结构构件的反应,如内力、变形和裂缝等最大弯矩:Mmax=ql2/8=l2/8q最大剪力:Vmax=ql/2=l/2q最大挠度:fmax=5ql4/384EI=5l4/384EIq~S(t)=荷载效应系数C荷载Q(t)反映荷载作用方式、结构计算简图、几何特征等荷载效应与荷载呈线性关系lq二、荷载效应组合（当结构上同时作用有多种可变荷载时）与计算结构可靠度方法（一次二阶矩概率理论）相适应，GB50068-2001采用JCSS（结构安全度联合委员会）建议的一种近似的荷载组合概率模型1、基本假定假定荷载Q(t)是等时段的平稳随机过程荷载Q(t)与荷载效应S(t)满足线性关系，即S(t)=CQ(t)设计基准期T=50年相互排斥的随机荷载不考虑他们的组合，仅考虑在[0，T]内可能相遇的各种可变荷载的组合当一种荷载取设计基准期内最大荷载或时段最大荷载时，其它参与组合的荷载仅在该最大荷载持续时间内取相对最大值，或取任意时点荷载S3(t)3TtS2(t)2TtS1(t)1TtJCSS组合规则tStStSSttTtm32211,01maxmaxmaxtStStSStTtm322,0012maxmaxtStStSSTtm3,002013maxtStStSSttTtm32211,01maxmaxmaxtStStSStTtm322,0012maxmaxtStStSSTtm3,002013maxmjS_第j组合的最大荷载效应；0tSj_荷载tSj任意时点的随机变量n个可变荷载组合时，n个最大荷载效应组合mjS