土木工程結構可靠性研究進展

李寧

摘要：自20世紀20年代以來，工程結構可靠性理論和應用的研究已取得了重大進展。但還不夠完善，本文簡要敘述了影響土木工程結構可靠性的幾種不確定性因素，并進一步分析了可靠性理論在工程結構設計規范的發展中所起的推動作用；從而為在土木工程結構可靠性方面研究的進一步發展提供參考。

關鍵詞：土木工程結構、可靠性、設計規范

前 言：

工程結構是指由鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建造的各種建筑物和構筑物，在我國將結構可靠性的概念及計算理論引入建筑結構設計的規范體系，并在評價結構性能時將它作為基本指標而制定了相應的國家標準以來，在結構工程中的各個領域內，結構可靠性的研究工作在國內先后得到廣泛的開展。

1、影響土木工程結構可靠性的一些不確定因素和設計規范研究

1.1 影響工程結構可靠性的一些不確定因素

結構可靠性是指結構在規定的時間內、在規定的條件下完成預定功能的能力，它包括結構的安全性、適用性、耐久性等方面。其在設計、施工、使用過程中具有種種影響這些方面的不確定性因素：

（一）工程全過程中事故發生的隨機性：工程在設計，施工，使用過程中可能會出現由于事件發生的條件不充分，使得在條件與結果之間不能出現必然的因果關系，從而事件的出現與否表現出不確定性，這種不確定性是難以預料的，其在數學方法上表現為隨機性.研究事物隨機性問題的數學方法主要有概率論、隨機過程和數理統計。

（二）工程結構具有模糊性：人們對客觀事物認識的不確定性，除了由于無法控制的因果關系形成的隨機性外，確實還存在著很多模棱兩可的模糊因素。自美國zadeh創立模糊集合論以來，用數學語言描述事件的模糊性就有了可能，以往將這類不定性歸為主觀不定性，對這類不定性習慣上也武斷地按隨機性對待。引入由隸屬函數刻劃的模糊性后，以概率度量的結構可靠性將改為模糊概率來度量。

（三） 工程結構理論的不完善性：工程結構理論是由若干相互聯系、相互作用的要素所構成的具有特定功能的有機整體.人們常用顏色來簡單地描述掌握事物知識的完善程度，并把事物（或稱系統）分為三類：白色系統、黑色系統、灰色系統.對知識的不完善性處理還沒有成熟的數學方法，在工程實踐中只能由有經驗的專家對這種不確定性進行評估，引入經驗參數。

1.2 工程結構的設計標準和規范體系研究

自20世紀20年代起，國際上開展了結構可靠性基本理論的研究，并逐步擴展到結構分析和設計的各個方面，包括我國在內，研究成果已應用于結構設計規范，促進了結構設計基本理論的發展。同時我國在工程結構可靠性研究的發展過程中，進行了大量的理論研究、資料收集和數據實測工作，總結了我國工程實踐經驗，采用以隨機可靠性理論為基礎、以分項系數表達的概率極限狀態設計方法，作為我國土木、建筑、水利等專業結構設計規范改革、修訂的準則.全國土木、建筑、水利各專業直接為工程技術人員使用的結構設計規范在“統一標準”的統一指導下，進行了大規模的修訂或編制，工程界形象地稱之為規范的“轉軌”，就是指從原規范的以經驗為主的安全系數法轉為以概率分析為基礎的極限狀態設計法.這項工作的規模和深度已超過了世界上一些先進國家，大大提高了我國結構設計規范的科學水平，使我國工程結構設計規范躋身于世界先進行列。

2、工程結構可靠性研究的進展研究

2.1 工程結構的概念分析

鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建造的工業與民用建筑的承重結構，公路和鐵路的橋梁、港口工程的碼頭，水利工程的堤壩、水閘，給水排水構筑物的水池、水管等，統稱為工程結構。這些結構需要安全可靠地承受設備、人群、車輛等使用荷載，經受風、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土壓力、地震等環境的作用.它們安全可靠與否，不但影響工農業生產，而且還常常關系到人身安危.特別是一些重要的紀念性建筑物，作為一個時代的文化特征，將留傳后世，對安全可靠、適用、美觀、耐久等方面，有更高的要求.

2.2 工程結構可靠性進展的一般理論研究

2.2.1 結構體系可靠性研究

隨著結構可靠度理論在建筑、鐵路、公路、港工和水利水電五大工程部門中的應用日益廣泛逐步深入，人們深知一個結構體系的可靠度不能僅由其局部元件對某種失效形態可靠度加以度量。因此，現在設計規范中規定的結構目標指標，實際上是指失效問題而言的。對由諸元件組成的結構體系，其可靠度應由諸元件以及體系的各種失效模式所確定的極限狀態方程得出。為了不斷提高設計規范的質量水平，全國工程結構基礎標準技術委員會1986年第二次全體委員會制定的科研項目中，對體系可靠度的研究十分重視，將連續梁、簡單剛架、高樁碼頭、重力壩等結構體系的可靠度分析列為研究課題，這種形勢在客觀上促進了結構體系可靠度理論的發展。

2.2.2 結構抗震可靠性研究

在工程結構的設計中，要考慮的動態作用主要有地震、強風、波浪力等，這些作用不僅在事件發生的時間和空間上是隨機的，而且每次事件作用的強度隨時間的變化規律，也是隨機的。因此，結構抗震可靠性的研究在我國日益受到重視，抗震可靠性的分析一般采用首次超越和低周疲勞破壞的分析方法，其中首次超越的界限，在彈性分析中一般沿用了結構構件承載能力的允許值，在彈塑性分析中采用了延性系數的允許值。這些界限值假定具有某種概率、分布，近來也有學者提出應考慮界限模糊性的觀點。這些方法都是可取的，值得沿承的。

2.2.3 巖石工程的可靠性研究

國內在巖土工程中應用概率統計方法的問題，在80年代初期開始得到了重視。并進行了深入的研究，通過多年的研究與發展，大致確定了以下幾個方面：（一）在概念方面的探討，這部分雖然數量不多，但內容卻十分重要。（二）巖土參數估計的研究，這是巖土工程可靠度分析中的關鍵和難點，以此為主的論文約占四分之一。（三）將可靠性方法引入到各類巖土工程的問題，包括計算分析方法的研究，除了一次二階矩驗算點方法外，隨機有限元、高階矩、Monte一Carlo等方法也開始引入到巖土工程的可靠性分析中來。目前在巖土工程可靠性研究方面，與上部結構相比，其成果尚未成熟到可供實用的階段，但與上部結構采用不同設計原則的狀況也不容許持續太久，加速實用化研究是勢在必行。

2.2.4 結構疲勞可靠性研究

近年來隨著鐵路和公路橋梁、吊車梁、鐵路混凝土軌枕、海洋建筑物等承受疲勞荷載的

結構物的發展以及結構可靠性理論在土木工程中的廣泛應用，結構疲勞可靠性問題日益受到

重視： 例如：開展了以可靠性理論為基礎的軌枕疲勞設計方法和不穩定重復荷載下的混凝土受彎構件的疲勞可靠性設計問題，同時在原國家建委支持下，中國建筑科學研究院、太原工學院、冶金部建筑研究總院等單位進行了大量的混凝土受彎構件正截面和斜截面在等幅荷載下的試驗研究工作，為進一步開展疲勞可靠性的研究積累了可供利用的資料。

結束語：

一直以來，土木工程結構的安全性與耐久性一直是設計者與使用者非常關注的問題，它關系到安全與經濟的協調、基礎設施的投資等，并與國家現行政策、法規以及未來的經濟發展息息相關，由此可見，其是一個復雜的系統工程問題.，國家對其高度重視，加強研究力度。

參考文獻：

[1] 趙國藩 我國土木工程結構可靠性研究的一些進展[J] 大連理工大學學報，2000.40（3）

[2 ]趙國藩.工程結構可靠性理論與應用[M]. 大連：大連理工大學出版社，1996.

[3]伍朝暉.工程結構可靠度理論分析研究[D].大連：大連理工大學，1997.