本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)換方法，具體涉及一種材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值的轉(zhuǎn)化方法。

背景技術(shù)：

我國《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50153-2008中規(guī)定，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用以概率理論為基礎(chǔ)、以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括基礎(chǔ)等)的破壞或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下式要求：

γ₀S_d＜R_d

γ₀表示結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S_d表示作用組合的效應(yīng)(如軸力、彎矩或表示幾個(gè)軸力、彎矩的向量)設(shè)計(jì)值；R_d表示抗力設(shè)計(jì)值，表示為R_d＝R(R_K/γ_M，a_d)或R_d＝R_K/γ_R，其中R_K表示材料性能標(biāo)準(zhǔn)值，γ_M表示材料分項(xiàng)系數(shù)，γ_R表示抗力分項(xiàng)系數(shù)，a_d表示幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值。

可以看到，抗力設(shè)計(jì)值與材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、材料分項(xiàng)系數(shù)和幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值的變異有關(guān)。材料性能標(biāo)準(zhǔn)值可以利用標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)結(jié)果確定(如材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可按其概率分布的0.05分位值確定；材料彈性模量、泊松比等物理性能的標(biāo)準(zhǔn)值可按其概率分布的0.5分位值確定)。這是材料的一般性能指標(biāo)，很容易獲得，一般是已知條件。

幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值a_d也可以通過充分的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用參數(shù)估計(jì)和概率分布的假設(shè)檢驗(yàn)方法確定。

而材料分項(xiàng)系數(shù)γ_M(或抗力分項(xiàng)系數(shù)γ_R)按有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用，這個(gè)參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的可靠性有關(guān)。

一般以上參數(shù)均隱藏在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值中(如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的Q235的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值的轉(zhuǎn)化方 法，實(shí)現(xiàn)材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值之間的轉(zhuǎn)化，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)更簡化。

本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值的轉(zhuǎn)化方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1：定義抗力安全系數(shù)，并確定可靠性指標(biāo)函數(shù)；

步驟2：計(jì)算目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)；

步驟3：選取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力安全系數(shù)；

步驟4：確定抗力設(shè)計(jì)值。

所述步驟1中，抗力安全系數(shù)用K表示，定義為：

K＝K_Rγ_R (1)

其中，K_R表示抗力均值系數(shù)，γ_R表示抗力分項(xiàng)系數(shù)。

所述步驟1中，可靠性指標(biāo)函數(shù)用β表示，具體確定過程包括：

1)設(shè)S_Q表示可變荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，S_G表示永久荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，R_d表示抗力設(shè)計(jì)值，滿足：

R_d-S_G-S_Q＝0 (2)

2)設(shè)S_QK表示可變荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，S_GK表示永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，則可變荷載效應(yīng)與永久荷載效應(yīng)比值ρ＝S_QK/S_GK，采用分項(xiàng)系數(shù)法將式(2)變換為：

R_K/γ_R-γ₀(γ_Q+γ_G/ρ)S_QK＝0 (3)

其中，R_K表示材料性能標(biāo)準(zhǔn)值，γ₀表示結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ_Q表示可變荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)，γ_G表示永久荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；

則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)函數(shù)β表示為：

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

其中，K_R、分別表示抗力均值系數(shù)、可變荷載均值系數(shù)、永久荷載均值系數(shù)，V_R、V_Q、V_G分別表示抗力變異系數(shù)、可變荷載變異系數(shù)、永久荷載變異系數(shù)；

3)將式(1)帶入式(4)，可得：

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

設(shè)β₀表示目標(biāo)可靠性指標(biāo)，則需滿足β≥β₀；

4)當(dāng)γ₀、γ_Q、γ_G、ρ、V_Q、V_G均已知時(shí)，即可得到β是關(guān)于抗力安全系數(shù)K與抗力變異系數(shù)V_R的函數(shù)，表示為：

β＝β(K，V_R) (6)。

所述步驟2中，運(yùn)用可靠性方法計(jì)算目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)。

所述步驟3中，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力變異系數(shù)V_R從一系列目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)中選取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力安全系數(shù)。

所述步驟4中，將抗力均值系數(shù)K_R取1.0，則抗力設(shè)計(jì)值R_d表示為：

R_d＝R_K/K (7)

其中，R_K表示材料性能標(biāo)準(zhǔn)值，K表示抗力安全系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供一種材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值的轉(zhuǎn)化方法，通過定義抗力安全系數(shù)確定可靠性指標(biāo)函數(shù)，再計(jì)算并選取目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)，最終確定抗力設(shè)計(jì)值。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值之間的轉(zhuǎn)化，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)更簡化。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種材料性能標(biāo)準(zhǔn)值與抗力設(shè)計(jì)值的轉(zhuǎn)化方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1：定義抗力安全系數(shù)，并確定可靠性指標(biāo)函數(shù)；

步驟2：計(jì)算目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)；

步驟3：選取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力安全系數(shù)；

步驟4：確定抗力設(shè)計(jì)值。

所述步驟1中，抗力安全系數(shù)用K表示，定義為：

K＝K_Rγ_R (1)

其中，K_R表示抗力均值系數(shù)，γ_R表示抗力分項(xiàng)系數(shù)。

所述步驟1中，可靠性指標(biāo)函數(shù)用β表示，具體確定過程包括：

1)設(shè)S_Q表示可變荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，S_G表示永久荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，R_d表示抗力設(shè)計(jì)值，滿足：

R_d-S_G-S_Q＝0 (2)

2)設(shè)S_QK表示可變荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，S_GK表示永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，則可變荷載效應(yīng)與永久荷載效應(yīng)比值ρ＝S_QK/S_GK，采用分項(xiàng)系數(shù)法將式(2)變換為：

R_K/γ_R-γ₀(γ_Q+γ_G/ρ)S_QK＝0 (3)

其中，R_K表示材料性能標(biāo)準(zhǔn)值，γ₀表示結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ_Q表示可變荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)，γ_G表示永久荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；

則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)函數(shù)β表示為：

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

其中，K_R、分別表示抗力均值系數(shù)、可變荷載均值系數(shù)、永久荷載均值系數(shù)，V_R、V_Q、V_G分別表示抗力變異系數(shù)、可變荷載變異系數(shù)、永久荷載變異系數(shù)；

3)將式(1)帶入式(4)，可得：

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

設(shè)β₀表示目標(biāo)可靠性指標(biāo)，則需滿足β≥β₀；

4)當(dāng)γ₀、γ_Q、γ_G、ρ、V_Q、V_G均已知時(shí)，即可得到β是關(guān)于抗力安全系數(shù)K與抗力變異系數(shù)V_R的函數(shù)，表示為：

β＝β(K，V_R) (6)。

所述步驟2中，運(yùn)用可靠性方法計(jì)算目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)。

所述步驟3中，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力變異系數(shù)V_R從一系列目標(biāo)可靠性指標(biāo)對應(yīng)的抗力安全系數(shù)中選取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力安全系數(shù)。

所述步驟4中，將抗力均值系數(shù)K_R取1.0，則抗力設(shè)計(jì)值R_d表示為：

R_d＝R_K/K (7)

其中，R_K表示材料性能標(biāo)準(zhǔn)值，K表示抗力安全系數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一級安全等級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ₀取1.1，可靠性指標(biāo)為3.7。永久荷載均值系數(shù)和永久荷載變異系數(shù)V_G分別取1.06和0.074，可變荷載均值系數(shù)和可變荷載變異系數(shù)V_Q分別取0.908和0.193。永久荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)γ_G和可變荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)γ_Q分別取1.2和1.4。用JC法得到表1中變異系數(shù)與抗力安全系數(shù)的關(guān)系：

表1

參考IEC60826-2003，格構(gòu)式鐵塔的抗力變異系數(shù)為0.1，則抗力安全系數(shù)由表1宜取為大于1.45。

則抗力設(shè)計(jì)值R_d＝R_K/1.45。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。