荷载与可靠度 · 小实验

平均抗力明明更大,为什么还会被荷载越过去?

这里不急着算某一座桥。先看一件更朴素的事:抗力和荷载都在波动时,真正要紧的不是两座“山峰”谁高,而是哪一部分落到了错误的一边。

完全离线 · 固定随机种子

先留一个判断

平均值都不变,只把波动放大一倍,哪一座更容易出问题?

两座桥的平均抗力都是 10,平均荷载都是 6。甲的波动较小(0.75、0.60),乙的波动是甲的两倍(1.50、1.20)。这里的“出问题”只指某一次出现荷载大于抗力。

先写也行,直接看图和调参数也行;不要让记录动作挡住理解。

让证据出现

先看一维,再把两个变量放到同一次事件里

从混凝土试块和车流量开始:两个都会散开

青色是抗力,红色是荷载。抗力向左偏、荷载向右偏,才是最需要警惕的方向。C50 的 95% 保证率描述材料强度标准值;它不等于整座桥的可靠度。

抗力和荷载的一维概率密度分布 抗力分布的标准值位于均值左侧,右侧面积为百分之九十五;荷载与抗力的尾部相遇时可能失效。
抗力 R荷载 S
一维曲线的面积为 1;特征值右侧的青色面积为 95%
看懂一维以后,再把同一次事件展开打开二维点云、可旋转联合密度曲面和 R−S 差值图

联合概率密度的地形

峰顶说明最常见的组合;红色一侧不是“另一座山”,而是同一座概率山越过 R = S 边界的薄尾部。

拖动旋转 · 滚轮缩放 · 双击复位
R ≥ S:安全侧R < S:失效侧
同一分布,从立体地形、平面等高线和差值三个方向看

俯视等高线与这一批随机点

横轴是荷载,纵轴是抗力;椭圆是同一座概率山的等高线,斜线下方表示荷载已经越过抗力。

抗力与荷载随机样本散点图 安全样本位于抗力大于等于荷载的一侧,失效样本位于抗力小于荷载的一侧。
抗力没有被越过荷载越过抗力
—

把两者相减以后

横轴是“抗力 − 荷载”。零的左边就是刚才斜线下方的那些情形。

抗力减荷载的概率密度图 零左侧的阴影面积是理论失效概率,零右侧是抗力大于等于荷载的区域。
斜线下方的点,与零左边的面积,是同一件事的两种画法。

只改一个条件,再比较

先别追着红点数,试着改写它们出现的条件

建议先点“波动减半”,再点“回到初始”。两个平均值没有动,留意零左边的面积怎样变。固定种子让两次比较尽量使用同一批随机底数。

抗力、荷载和抽样参数
515
0.203.00
515
0.203.00
进阶:抗力和荷载会不会一起波动?
−0.80彼此独立 0+0.80

ρ = 0 是本页的基本情形:两个波动彼此独立。ρ > 0 表示两者较常同涨同落,ρ < 0 表示一涨一落较常同时出现。相关性改变的是两者之差的波动,不能只凭“正相关更危险”或“负相关更安全”下结论。

把图里的变化收回来

先说不变的关系,再给它一个名字

平均值之间留出的距离,要和波动的宽度一起看。

“平均抗力大于平均荷载”只说了两个中心的位置;它没有消掉尾部。波动越宽,越多情形可能越过边界。真正需要数的是边界错误一侧的概率质量,而不是只盯着两个峰顶。

把抗力—荷载换成库存—需求、算力—流量或排水能力—暴雨,这个问法仍然成立;只是分布、相关性和越界后果必须重新取证,不能把这张图原样搬过去。

先看三幅图怎样说同一件事;如果愿意,再回到上面留一句自己的判断。

分布给出的理论 β—
分布给出的理论失效概率—
这一批样本中的失效次数—
样本比例的 Wilson 95% 区间—

理论值描述给定分布;样本值只描述这一批有限抽样。样本数很少时,即使理论概率不为零,也可能一次都没有抽到。

把刚才看到的写成公式

Z = R − SσZ = √(σR² + σS² − 2ρσRσS)β = (μR − μS) / σZPf = Φ(−β)

初始情形取 ρ = 0,R 与 S 相互独立,所以 σZ = √(σR² + σS²)。“可靠指标 β”就是均值差里能放下多少个“差值的标准差”;Pf 是 Z < 0 的理论概率。

保留
正态抗力 R、正态荷载 S、二者相关性以及 R < S 这一极限状态。
舍弃
非正态尾部、随时间和空间变化、多个失效模式以及失效后果。
可以回答
均值、波动、相关性和样本数怎样改变理论概率与抽样不确定性。
不可用于
给真实桥梁定可靠等级、代替规范验算,或据此作工程安全决定。