一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方法与流程

本发明涉及一种转换方法，具体涉及一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方法。

背景技术：

我国《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153-2008中规定，工程结构设计宜采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法。在结构或结构构件按承载能力极限状态设计时，结构或结构构件(包括基础等)的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下式要求：

γ₀S_d＜R_d

γ₀表示结构重要性系数；S_d表示作用组合的效应(如轴力、弯矩或表示几个轴力、弯矩的向量)设计值；R_d表示抗力设计值，表示为R_d＝R(R_K/γ_M，a_d)或R_d＝R_K/γ_R，其中R_K表示材料性能标准值，γ_M表示材料分项系数，γ_R表示抗力分项系数，a_d表示几何参数设计值。

可以看到，抗力设计值与材料性能标准值、材料分项系数和几何参数设计值的变异有关。材料性能标准值可以利用标准试件的试验结果确定(如材料强度的标准值可按其概率分布的0.05分位值确定；材料弹性模量、泊松比等物理性能的标准值可按其概率分布的0.5分位值确定)。这是材料的一般性能指标，很容易获得，一般是已知条件。

几何参数设计值a_d也可以通过充分的结构或结构构件几何尺寸测试数据为基础，运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定。

而材料分项系数γ_M(或抗力分项系数γ_R)按有关的结构设计标准的规定采用，这个参数与结构设计要求的可靠性有关。

一般以上参数均隐藏在标准规定的结构抗力设计值中(如《钢结构设计规范》中规定的Q235的抗拉强度设计值)。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方 法，实现材料性能标准值与抗力设计值之间的转化，使得结构构件的可靠性指标设计更简化。

本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：定义抗力安全系数，并确定可靠性指标函数；

步骤2：计算目标可靠性指标对应的抗力安全系数；

步骤3：选取结构构件的抗力安全系数；

步骤4：确定抗力设计值。

所述步骤1中，抗力安全系数用K表示，定义为：

K＝K_Rγ_R (1)

其中，K_R表示抗力均值系数，γ_R表示抗力分项系数。

所述步骤1中，可靠性指标函数用β表示，具体确定过程包括：

1)设S_Q表示可变荷载效应设计值，S_G表示永久荷载效应设计值，R_d表示抗力设计值，满足：

R_d-S_G-S_Q＝0 (2)

2)设S_QK表示可变荷载效应标准值，S_GK表示永久荷载效应标准值，则可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ＝S_QK/S_GK，采用分项系数法将式(2)变换为：

R_K/γ_R-γ₀(γ_Q+γ_G/ρ)S_QK＝0 (3)

其中，R_K表示材料性能标准值，γ₀表示结构重要性系数，γ_Q表示可变荷载效应分项系数，γ_G表示永久荷载效应分项系数；

则结构构件的可靠性指标函数β表示为：

$\mathrm{\β}=\frac{K_R{R}_K-K_{S_G}{S}_{\mathrm{GK}}-K_{S_Q}{S}_{\mathrm{QK}}}{\sqrt{V_R^2{K}_R^2{R}_K^2+V_G^2{K}_{S_G}^2{S_G}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2{S_Q}^2}}=\frac{K_R{\mathrm{\γ}}_R{\mathrm{\γ}}_0({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})-K_{S_G}/\mathrm{\ρ}-K_{S_Q}}{\sqrt{V_R^2{K}_R^2{\mathrm{\γ}}_R^2{\mathrm{\γ}}_0^2{({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})}^2+V_G^2{K}_{S_G}^2/{\mathrm{\ρ}}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2}}---\left(4\right)$

其中，K_R、分别表示抗力均值系数、可变荷载均值系数、永久荷载均值系数，V_R、V_Q、V_G分别表示抗力变异系数、可变荷载变异系数、永久荷载变异系数；

3)将式(1)带入式(4)，可得：

$\mathrm{\β}=\frac{K{\mathrm{\γ}}_0({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})-K_{S_G}/\mathrm{\ρ}-K_{S_Q}}{\sqrt{V_R^2{K}^2{\mathrm{\γ}}_0^2{({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})}^2+V_G^2{K}_{S_G}^2/{\mathrm{\ρ}}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2}}---\left(5\right)$

设β₀表示目标可靠性指标，则需满足β≥β₀；

4)当γ₀、γ_Q、γ_G、ρ、V_Q、V_G均已知时，即可得到β是关于抗力安全系数K与抗力变异系数V_R的函数，表示为：

β＝β(K，V_R) (6)。

所述步骤2中，运用可靠性方法计算目标可靠性指标对应的抗力安全系数。

所述步骤3中，根据结构构件的抗力变异系数V_R从一系列目标可靠性指标对应的抗力安全系数中选取结构构件的抗力安全系数。

所述步骤4中，将抗力均值系数K_R取1.0，则抗力设计值R_d表示为：

R_d＝R_K/K (7)

其中，R_K表示材料性能标准值，K表示抗力安全系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方法，通过定义抗力安全系数确定可靠性指标函数，再计算并选取目标可靠性指标对应的抗力安全系数，最终确定抗力设计值。本发明实现材料性能标准值与抗力设计值之间的转化，使得结构构件的可靠性指标设计更简化。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种材料性能标准值与抗力设计值的转化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：定义抗力安全系数，并确定可靠性指标函数；

步骤2：计算目标可靠性指标对应的抗力安全系数；

步骤3：选取结构构件的抗力安全系数；

步骤4：确定抗力设计值。

所述步骤1中，抗力安全系数用K表示，定义为：

K＝K_Rγ_R (1)

其中，K_R表示抗力均值系数，γ_R表示抗力分项系数。

所述步骤1中，可靠性指标函数用β表示，具体确定过程包括：

1)设S_Q表示可变荷载效应设计值，S_G表示永久荷载效应设计值，R_d表示抗力设计值，满足：

R_d-S_G-S_Q＝0 (2)

2)设S_QK表示可变荷载效应标准值，S_GK表示永久荷载效应标准值，则可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ＝S_QK/S_GK，采用分项系数法将式(2)变换为：

R_K/γ_R-γ₀(γ_Q+γ_G/ρ)S_QK＝0 (3)

其中，R_K表示材料性能标准值，γ₀表示结构重要性系数，γ_Q表示可变荷载效应分项系数，γ_G表示永久荷载效应分项系数；

则结构构件的可靠性指标函数β表示为：

$\mathrm{\β}=\frac{K_R{R}_K-K_{S_G}{S}_{\mathrm{GK}}-K_{S_Q}{S}_{\mathrm{QK}}}{\sqrt{V_R^2{K}_R^2{R}_K^2+V_G^2{K}_{S_G}^2{S_G}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2{S_Q}^2}}=\frac{K_R{\mathrm{\γ}}_R{\mathrm{\γ}}_0({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})-K_{S_G}/\mathrm{\ρ}-K_{S_Q}}{\sqrt{V_R^2{K}_R^2{\mathrm{\γ}}_R^2{\mathrm{\γ}}_0^2{({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})}^2+V_G^2{K}_{S_G}^2/{\mathrm{\ρ}}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2}}---\left(4\right)$

其中，K_R、分别表示抗力均值系数、可变荷载均值系数、永久荷载均值系数，V_R、V_Q、V_G分别表示抗力变异系数、可变荷载变异系数、永久荷载变异系数；

3)将式(1)带入式(4)，可得：

$\mathrm{\β}=\frac{K{\mathrm{\γ}}_0({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})-K_{S_G}/\mathrm{\ρ}-K_{S_Q}}{\sqrt{V_R^2{K}^2{\mathrm{\γ}}_0^2{({\mathrm{\γ}}_Q+{\mathrm{\γ}}_G/\mathrm{\ρ})}^2+V_G^2{K}_{S_G}^2/{\mathrm{\ρ}}^2+V_Q^2{K}_{S_G}^2}}---\left(5\right)$

设β₀表示目标可靠性指标，则需满足β≥β₀；

4)当γ₀、γ_Q、γ_G、ρ、V_Q、V_G均已知时，即可得到β是关于抗力安全系数K与抗力变异系数V_R的函数，表示为：

β＝β(K，V_R) (6)。

所述步骤2中，运用可靠性方法计算目标可靠性指标对应的抗力安全系数。

所述步骤3中，根据结构构件的抗力变异系数V_R从一系列目标可靠性指标对应的抗力安全系数中选取结构构件的抗力安全系数。

所述步骤4中，将抗力均值系数K_R取1.0，则抗力设计值R_d表示为：

R_d＝R_K/K (7)

其中，R_K表示材料性能标准值，K表示抗力安全系数。

当结构设计为一级安全等级，结构重要性系数γ₀取1.1，可靠性指标为3.7。永久荷载均值系数和永久荷载变异系数V_G分别取1.06和0.074，可变荷载均值系数和可变荷载变异系数V_Q分别取0.908和0.193。永久荷载效应分项系数γ_G和可变荷载效应分项系数γ_Q分别取1.2和1.4。用JC法得到表1中变异系数与抗力安全系数的关系：

表1

参考IEC60826-2003，格构式铁塔的抗力变异系数为0.1，则抗力安全系数由表1宜取为大于1.45。

则抗力设计值R_d＝R_K/1.45。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。