水工金屬結構系統可靠度發展研究

周星

摘 要：我國水利資源豐富，水工鋼閘門的研究也一度成為熱點，特別是采用可靠度的分析方法，也取得了許多的成果。但近年來水工鋼閘門系統可靠度研究方面卻進展緩慢，其重要性和迫切性不言而喻。文章通過對當前金屬結構的系統可靠性的幾種方法作簡要的描述，并對今后系統可靠性研究方向做適當展望。

關鍵詞：水工；金屬結構；系統可靠度

自從1984年我國頒布以結構可靠度理論為基礎的《建筑結構設計統一標準》以來，在20多年間，我國的可靠度理論發展迅速，也取得了很多的成果，但只是限于單一構件的可靠度分析。對系統的可靠度分析王正中等人雖然也有研究，但只是簡單的看成串并聯模型，其精確度也值得考量[1]。而在近10多年來，可靠性研究似乎進展不大，也一直停留在10年前的水平。系統可靠性的研究對水工金屬結構十分重要，其迫切性和重要性不言而喻[2]。

其迫切性體現在：水工金屬結構作為一個體系，有多種失效模式，只是單純的考慮某一構件的失效狀況所得出的結論是很難對整個水工金屬結構的失效狀況作出合理預測的，而且在閘門的壽命預測和疲勞計算等方面的研究也表明，只有在閘門系統可靠度研究取得有效成果的前提下，這些方面的研究才可能取得實質性的突破，所以加快研究水工金屬結構的系統可靠度刻不容緩。

其重要性體現在：水工金屬可靠度的研究十分復雜，雖然該方面的課題提出已久，但只是限于簡單結構作簡單簡化，工程意義并不十分實用，且有利于工程實踐的成果也不多。多數研究只是針對閘門某一構件，如主梁，邊梁，面板等。而對系統來說，必須考慮構件間的聯系以及構件對系統的影響，多種失效模式的組合等才能得出更合理的結論。

水工金屬系統可靠性研究的意義：使設計更具全面，合理，統一的理論依據，減小人為因素引起的誤差；使設計在經濟上找到最合適的平衡點，既滿足工程需要，同時又最經濟；能加快閘門其他方面的研究，同時也能推動整個水工金屬行業向前邁進一大步。

文章就目前水工金屬結構系統可靠性的幾種理論作簡要分析，并對今后水工金屬結構系統可靠度發展方向做適當展望。

1 串聯模型

將水工金屬結構每個部件看成串聯的模型，結構中任一構件失效，則整個結構會失效。其計算方法也較為簡單，即總可靠度為各個單元可靠度的乘積。串聯模型適用于所有的靜定結構的失效分析以及由脆性材料做成的超靜定結構的失效分析，但是水工金屬結構既不是由脆性材料做成的，也不是簡單的串聯結構，所以只具有一定的理論意義，工程意義并不大。

2 并聯模型

將水工金屬結構每個部件看成并聯的模型，若構件中有一個或一個以上的構件失效，剩余的構件或失效的延性構件，仍能維持整體結構的功能。其失效概率為各個構件失效概率的乘積。并聯模型適用于所有超靜定結構的失效分析，但水工系統十分復雜，也并不是簡單的并聯模型，也只是具有一定的理論意義，可為工程作一定的參考依據。

3 串-并聯模型

該模型為前面兩種模型的綜合，是對串聯，并聯模型的很好補充。由于水工結構系統的復雜性，整體的失效形式并不限于一種，可能是幾種失效形式的組合。串-并聯模型具有很好的理論意義，該模型的提出也十分切合工程實際問題，只是水工系統的復雜性使得無法確定計算模式，工程實踐無法有效展開，只能確定水工系統的可靠度范圍。

4 失效樹分析法

水工金屬結構失效有多種原因，每種失效又有多種失效模式，失效樹分析法就是在整體系統可靠度分析中將這些原因和模式統一考慮，建立起整體系統分析模型[3]。根據失效原因，目前有主次圖、因果圖、層次分析法和失效樹分析法等幾種主流的建立失效模型分析的方法。

失效樹分析法的關鍵是確定系統失效原因的各種組合方式或發生概率，計算系統失效概率，并采取相應措施，提高系統可靠性，相應邏輯框圖則稱為失效樹。

該方法工程意義十分顯著，理論上只要知道構件的可靠度，就能求得系統的可靠度。但實際上確定底事件的概率并不容易，其次也比較依賴專家經驗，缺乏足夠的理論支撐。

5 研究展望

可靠度是橫梁結構的一個簡便而又重要的指標。但就目前而言，可靠度的研究依然集中于構件，對結構系統可靠度的研究雖有進展但遠未達到工程需要的應用階段。結構系統可靠度能更好地反應結構完成預定功能的概率情況，所以必須加強水工金屬結構系統可靠度的研究。其研究方向可以參考如下幾個方面。

參考其他行業的可靠度研究情況，從中借助適當的方法開展閘門鋼結構研究，以及加快修訂鋼閘門結構可靠度方面的規范，并逐漸以可靠度設計方法取代傳統的容許應力法，加快可靠度設計方法在水工金屬方面的推廣與實踐。

加強對水工金屬結構中各種參數的統計分析，以便合理的確定影響結構可靠性的基本變量的統計參數與概率分布類型，從根本上解決水工金屬結構可靠度分析缺乏基本參數的問題。

串-并聯模型具有相當的理論意義，只是在實踐工程中難于施展。但可以結合有限元分析方法，以及通過軟件的二次開發將復雜串-并聯系統參數化，找出系統與構件之間存在的內在關聯，數字化，并在在計算機上做精確的模擬計算，那么水工金屬結構的系統可靠度研究可能會出現較大的突破。

可靠度的模糊化。使用失效樹分析對事件進行定量評估，把失效分析與專家經驗考慮在內，雖然帶有一定的經驗成分，但分析結果也更為接近真實情況。

水工金屬結構研究之所以緩慢，主要是因為其復雜性。比如對閘門性能其他方面的研究，都與系統可靠度研究相輔相成，在系統可靠度研究遇到瓶頸時，加快其他方面的研究，或許能起到意想不到的效果。

參考文獻

[1]李典慶，常曉林.水工鋼閘門可靠度分析研究進展[J].長江科學院院報，2007.

[2]王蛟，楊斌.水工鋼閘門系統可靠度研究綜述[J].水運工程，2013.

[3]葉翔.水工金屬結構系統可靠度的失效樹分析法[J].河海大學學報，2004.