淺談結(jié)構(gòu)可靠度分析的理論基礎(chǔ)

杜祝遙

摘 要：自20世紀(jì)20年代起，結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的研究在國(guó)際上就已開(kāi)展，并逐步擴(kuò)展到建筑、道路、橋梁等結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的各方面，包括我國(guó)在內(nèi)，各國(guó)的可靠性研究成果大多已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，這也使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論的得以進(jìn)一步發(fā)展[1]。本文對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度分析的理論基礎(chǔ)進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠度；基本理論；概率；不確定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.228

0 前言

在正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件無(wú)需進(jìn)行大修即可完成預(yù)定工作性能所需的時(shí)間稱之為設(shè)計(jì)使用年限。用于抵抗外力的工程結(jié)構(gòu)，隨時(shí)間、環(huán)境的影響不斷變化，其組成構(gòu)件的材料性能等也會(huì)隨之變化。設(shè)計(jì)使用年限通常受結(jié)構(gòu)的形式、結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境及其重要性等因素決定的。我國(guó)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[2]、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)可靠度總則》[3]和歐洲規(guī)范《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》[4]所規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限是有差異的。

1 結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念

規(guī)定的條件是指根據(jù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造使用過(guò)程中相應(yīng)的規(guī)定。工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)單位及人員需具有相應(yīng)設(shè)計(jì)資質(zhì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；工程結(jié)構(gòu)的施工單位及人員亦需要相應(yīng)的資質(zhì)及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，并嚴(yán)格按照規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)建造；工程結(jié)構(gòu)的使用及維護(hù)需符合規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。如果工程結(jié)構(gòu)無(wú)法按照上述條件進(jìn)行，那么也將不能確保結(jié)構(gòu)具有其應(yīng)有的可靠性。

預(yù)定的功能是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，能夠滿足可靠性中三個(gè)方面的要求：（1）安全性：結(jié)構(gòu)在施工及服役期間可以承受可能出現(xiàn)的作用及變形，如果發(fā)生偶然事件，可以保持其必需的整體穩(wěn)定性。（2）適用性：結(jié)構(gòu)在服役期間能夠發(fā)揮其應(yīng)有的工作性能，例如不會(huì)產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)正常使用的變形或振幅，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)寬的裂縫讓使用者產(chǎn)生心理上的不安。（3）耐久性：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)條件下具有足夠的耐久性，如結(jié)構(gòu)能夠抵抗受銹蝕、碳化等影響其工作性能的因素。

結(jié)構(gòu)的可靠性是將其自身的抗力和作用效應(yīng)的有效聯(lián)系，而可靠指標(biāo)作為綜合指標(biāo)來(lái)反映結(jié)構(gòu)的可靠性的三個(gè)方面。安全性作為可靠性評(píng)估內(nèi)容之一，它不僅關(guān)系生命安全、經(jīng)濟(jì)效益，還關(guān)系到工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)家社會(huì)的進(jìn)步甚至安全。通常采用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的可靠度，可靠度的大小是用概率的計(jì)算方法定量表示。由于結(jié)構(gòu)失效的可能性受各種不確定因素的影響，而這些影響因素很難定量來(lái)確定，因而現(xiàn)實(shí)生活中很難存在絕對(duì)安全的結(jié)構(gòu)。在分析服役結(jié)構(gòu)的可靠度時(shí)，除了依據(jù)已使用的結(jié)構(gòu)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)資料外，還可以為新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供其目標(biāo)可靠度的參考。

2 結(jié)構(gòu)分析中的不確定性

無(wú)法明確確定時(shí)間的出現(xiàn)或發(fā)生的結(jié)果，且在事件發(fā)生前無(wú)法給出明確的結(jié)論，稱之為不確定性。通常用不確定性理論來(lái)描述事件的不確定性，有時(shí)還需要借鑒一定的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和判斷。由于結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過(guò)程中存在著很多不確定性，使結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究產(chǎn)生并不斷發(fā)展。在設(shè)計(jì)前，如果能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作用的大小和結(jié)構(gòu)的極限承載力，那么根據(jù)預(yù)測(cè)內(nèi)容設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以保證在服役期間不會(huì)發(fā)生破壞，但這是不現(xiàn)實(shí)的。

不確定性可以按其產(chǎn)生的原因和條件，將其分為隨機(jī)性、模糊性及知識(shí)的不完善性，而按主觀性和客觀性，可分為主觀不確定性和客觀不確定性等。隨機(jī)性主要是由于事件發(fā)生條件的不充分性引起的，模糊性表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)使用性能存在的中間過(guò)渡特性，由于不充足的客觀信息和主觀認(rèn)識(shí)的局限性，產(chǎn)生的不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響是知識(shí)的不完善的體現(xiàn)。

目前研究可靠度的理論主要是以隨機(jī)不確定性為基礎(chǔ)的。在結(jié)構(gòu)可靠性理論中，隨機(jī)不確定性又可根據(jù)其來(lái)源分為以下三個(gè)方面：

2.1 物理不確定性

物理不確定性是指由內(nèi)在和外在條件共同決定的變量的不確定性。一般來(lái)說(shuō)，降低物理不確定性可通過(guò)提升工藝及控制質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。但如果不能在有效范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)則會(huì)增加構(gòu)件的成本，亦會(huì)降低生產(chǎn)效率。因此，降低物理不確定性有時(shí)會(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然也存在著如風(fēng)荷載、雪荷載不能人為降低的情況。

2.2 統(tǒng)計(jì)不確定性

統(tǒng)計(jì)不確定性是由于缺乏足夠的樣本量從而引起統(tǒng)計(jì)參數(shù)估計(jì)值的不準(zhǔn)確。在實(shí)際工程中，所研究隨機(jī)變量的概率分布和參數(shù)都是未知的，只有當(dāng)樣本數(shù)據(jù)容量足夠大時(shí)，根據(jù)概率與統(tǒng)計(jì)理論計(jì)算的結(jié)果才能作為參考。現(xiàn)在對(duì)統(tǒng)計(jì)不確定性的研究已經(jīng)逐漸成熟，如用貝葉斯方法進(jìn)行分析。

2.3 模型不確定性

由于計(jì)算公式推導(dǎo)的不精確或計(jì)算模型的條件簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的不確定性稱為模型不確定性，常用一個(gè)附加的隨機(jī)變量來(lái)表示。在分析結(jié)構(gòu)可靠度的過(guò)程中，通常采用已有的理論、經(jīng)驗(yàn)公式等，并依據(jù)已知隨機(jī)變量的概率分布及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，來(lái)估計(jì)出其他變量的值。但即使是精確推導(dǎo)得到的公式，由于假設(shè)條件與實(shí)際情況存在著或多或少的差別，也會(huì)導(dǎo)致其計(jì)算值與實(shí)際值存在著一定的誤差。降低模型不確定性往往是盡可能讓假設(shè)條件符合實(shí)際情況，但這也常受到科學(xué)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)因素的限制。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的研究在國(guó)際上已有很長(zhǎng)一段時(shí)間的歷史，已經(jīng)逐步擴(kuò)展到建筑、道路、橋梁等結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的各方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論在各個(gè)方面都有不同的發(fā)展。本文主要對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度分析的理論基礎(chǔ)中結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念以及結(jié)構(gòu)分析中的不確定性進(jìn)行綜述。

參考文獻(xiàn)：

[1]貢金鑫，仲偉秋，趙國(guó)藩.工程結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的發(fā)展與應(yīng)用（1）[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002（04）：2-9.

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[3]張明.結(jié)構(gòu)可靠度分析：方法與程序[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]王有志，王廣洋，任鋒等.橋梁的可靠度評(píng)估與加固[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.