國內外結構可靠性理論的應用和發展

李金濤　宣昌茂

【摘要】結構系統可靠性理論是一門新興的邊緣學科，目前已成為結構設計領域中的一個研究熱點。文章通過對國內外結構可靠性理論概述，分析了結構可靠性理論在國內外的應用與發展。

【關鍵詞】結構可靠性；理論應用；設計領域

一、結構可靠性理論回顧

結構系統可靠性理論是一門新興的邊緣學科。它以概率論、數理統計方法和隨機過程理論為基礎，以結構分析的有限元法和網絡分析技術為工具，從系統角度出發，將結構系統的設計、分析、評價、檢測和維護等融為一體。作為一種科學分析方法和實用技術，狹義地講，它研究結構系統在規定的使用條件與環境下，在給定的使用壽命期間，能有效地承受載荷和耐受環境影響而正常工作的概率。

將概率論和數理統計方法應用于結構可靠性分析的最早嘗試可以追溯到20世紀初Forsell和Mayer等人的工作。盡管這些早期研究工作富有創造性，但由于當時的科技發展水平和實際需要，結構系統可靠性作為一種新的設計思想和分析方法并未引起社會的足夠重視。第二次世界大戰期間及隨后的歲月中，有關機電設備、船舶、壓力容器、飛行裝置和海上石油勘探平臺等，在設計使用壽命期限內，在規定的荷載條件與環境下，不能預期正常工作的事例不斷增多和日趨嚴重。這說明了以安全系數法為代表的傳統設計方法對環境條件和結構特性的決定論假設是不適當的，必須從概率論的觀點出發，對有關的設計參量進行統計分析，研究它們的分布規律和相關特性，從而制訂出一整套新的合理的設計規范。

Borges研究了荷載和應力的分布規律。Torroja和Peaz根據荷載和應力分散現象產生的各種原因作了推斷其所屬分布類型的初步嘗試。Freudenthal采用全概率分析方法，研究了傳統的安全系數和結構破壞概率之間的內在關系，提出了考慮多種因素，主要是有初始損傷條件下的結構系統可靠性分析的數學模型。正是由于Freudenthal等人的卓越工作，才促成了結構系統可靠性分析理論由經典向現代的過渡。

Hasofer和 Lind建議根據失效面而不是失效函數定義失效模式的可靠指標β。對于同一失效面，這樣定義的β不會由于選擇不同的等價失效函數而發生變化。Rackwitz和Fiessler提出了一種有效的算法使得任何非正態隨機變量都能夠在設計點處轉化為正態隨機變量，從而使計算由非正態隨機變量和非線性極限承載狀態構成的失效模式的失效概率成為可能。

由于Hasofer，Lind和Ditlevsen等人的卓越工作，80年代以來，與有限元法、計算機應用技術和實用概率網絡分析理論的迅猛發展潮流相呼應，以一次二階矩方法為基礎的現代結構可靠性分析理論和應用技術開始了由構件級水平向系統級水平的實質性過渡。這一時期，在理論研究方面，Comell，Stevensen和Rosenbluth等人都做了不少的工作，推動了可靠度理論的飛速發展。

二、國外可靠性理論的發展和應用

在北美，美國是結構可靠性理論與應用的代表，也是國際上較早開展結構可靠度研究的國家之一，公認1947 年美國Freudenthal A1M1 教授的論文“結構安全性”是結構可靠性理論系統研究的開始，在實用化方面，1969 年美國Cornell ，C1A1 教授提出了結構可靠指標的概念。20 世紀60～70 年代，美國在發生了一些房屋安全事故后，引發了對建筑物安全問題的重新思考，認識到容許應力設計法的缺陷，以及為保證結構極端情況下安全性和正常使用情況下良好工作性能的重要性。結合當時可靠性理論的研究，探討考慮荷載和材料性能隨機性的可靠度設計方法。鋼結構規范中荷載和抗力系數設計（LRFD）方法的提出是美國結構可靠度理論應用的開端。但隨后意識到必須將荷載系數與結構材料有關的系數相分離，否則會出現因各規范編制組協調不好，不同材料結構中的同種荷載分項系數不同的不合理局面。在這種前提下，確立了美國國家標準委員會A58《建筑及其他結構最小設計荷載規范》的獨特地位。1978 年，在美國建筑技術中心結構分部工作的Ellingwood 教授主持了基于概率的極限狀態設計荷載要求的研究項目。研究成果反映在1980 年出版的NBS 特別報告577“美國國家標準A58 基于概率的荷載準則”上。隨后的工作則是基于概率的設計理論在各種結構中的應用。1985 年開始由美國土木工程師學會（ASCE）按標準7 出版，自1982 年至今一直為美國所有標準、規范極限狀態設計方法所參考，這包括美國鋼結構協會的鋼結構規范AISI (1986、1994 和2000年版) 、木結構ASCE 標準16 - 95 及美國混凝土協會混凝土規范ACI 318 - 96（附錄C）。

在亞太地區（美國除外），中國應該是可靠度應用研究和在設計規范中應用最早的國家。除中國外，還有日本、澳大利亞等。日本在結構安全和可靠性方面的研究已有40 余年的歷史。日本建設部曾試圖將橋梁結構設計中的容許應力法改為極限狀態設計法或荷載與抗力系數設計法，盡管做了很多努力，日本的橋梁設計仍采用容許應力設計法。日本土木工程師學會建議在混凝土結構中采用極限狀態設計法。近年來，伴隨WTOPTBT 協定的生效，日本特別關注國際標準與歐洲標準的發展動向。由于加入WTO 的國家要服從國際標準，并注意到歐洲規范正逐步統一，1998 年日本成立了一個由建筑和土木工程各領域專家組成的委員會和秘書委員會，編寫包括各領域和結構類型的綜合性規范《建筑及公共設施結構設計基礎》。目的是通過這一規范的基本原則將各領域規范納入同一個框架中。該規范明確提出，“可靠度設計的概念是校核功能要求的基礎”，“用可靠度的概念作為設計基礎”的目的是“考慮外部作用和抗力的不確定性，在設計使用年限內，將超過所考慮極限狀態的概率限定在允許的目標值內”。“將《結構設計基礎》置于可靠度設計的概念上，保證了日本標準與國際標準的協調。”與ISO2394：1998 和EN 1990 不同的是，在日本的《結構設計基礎》中，極限狀態分為承載能力極限狀態、正常使用極限狀態和可恢復極限狀態，這是因為日本是多地震國家，震后受損結構的修復是重要的。為適應國際經濟發展一體化的要求，在亞太地區，國與國在結構設計標準方面的協作也日益加強。以ISO2394 : 1998 為基礎，澳大利亞和新西蘭共同起草了一份關于一般設計要求的標準“DR 99309，1999 : 結構設計——一般要求和設計作用，第0 部分: 一般要求”，目的是協調亞太地區發展和發展中國家設計標準的不同要求。2002 年在亞太平洋地區征求意見，并探討用ISO 2394 的分項系數模式取代現行荷載和抗力系數模式的可行性。根據結構類型、對公眾團體的重要性和減少風險所付費用，該標準提出一個確定設計作用的新方法，目的是提供一個適合于不同經濟發展水平國家不同要求的標準模式。另外，中國、日本和韓國就港口工程技術標準的協調和發展問題進行過聯合研究，其中的一個重要方面是研究和理解國際標準和歐洲標準及基于可靠度的分項系數設計法。

在韓國，結構標準分為設計標準和附屬技術標準兩類，根據相關的法律，設計標準作為國家標準。大多數混凝土結構和鋼結構采用了極限狀態設計原理，而土工結構（如基礎和擋土墻）仍使用容許應力設計法。但是，目前修訂的“結構基礎設計規范”采用了極限狀態設計法，也允許使用容許應力設計法。韓國表示，韓國是WTO 的成員國之一，如果頒布了ISO標準，韓國政府要用它作為國家標準。

丹麥按極限狀態和分項系數的設計方法可追溯到20 世紀50 年代。1983 年，丹麥所有的荷載、結構和土工設計規范都采用了統一的分項系數極限狀態設計表達式。1996～1999 年間，丹麥對結構規范（設計基礎、作用和荷載、混凝土、鋼、木、砌體和基礎）進行了修訂，并對舊的規范進行了可靠度校準。根據校準結果將目標可靠指標確定為βT = 4179 ，以此為基礎，優化選定了新規范的分項系數。瑞典1989 年開始采用分項系數方法，并出版了一套設計手冊。抗力系數隱含在混凝土和鋼的規范中。同時用容許應力設計法進行了校準。德國有一套非常完善和詳細的國家標準，稱為“國家工業標準（DIN）”。國家工業標準包括結構設計，而且非常成熟并包含了工程的各個方面。先前的規范采用綜合安全系數法（荷載< 強度PFS），類似于容許應力法，最新的德國荷載規范DIN 1055 （草案）和混凝土設計規范DIN 1045（草案）采用了以可靠度為基礎的分項系數方法。捷克1998 年版的結構設計規范（CSN 73 1401 —1998）包含了概率設計概念的條文，規定<，其中為規范中規定的目標概率。目前，正式的歐洲規范正在實施過程中，由于歐洲規范采用了以概率為基礎的極限狀態設計法，這也就意味著在歐洲共同體范圍內，結構的設計方法正逐步向可靠性設計法過渡。

【作者簡介】李金濤，男，河南省第一建筑集團有限責任公司助理工程師，研究方向：建筑施工；宣昌茂，男，河南省第一建筑集團有限責任公司工程師，研究方向：建筑工程技術。