改進水工結構可靠度理論的若干探討

【摘要】工程結構的設計理論及其方法經過長期的發展，特別在成功地引進概率理論后獲得了突破性的進展，但由于目前可靠度理論還不是很完善且影響結構可靠性的因素很多且很復雜，使得規范在實際的應用中存在著一些不足和不方便之處。文章對結構可靠度在水工結構領域的優勢和影響因素等進行了概括總結，并對存在的問題提出了優化改革方法，希望為我國水工結構可靠度的進一步研究提供參考。

【關鍵詞】水工結構；可靠度；結構設計

引言

水工建筑物由于受到設計、施工、使用和管理等階段一些不穩定因素的影響，其在安全性、使用性、耐久性方面表現出相應的不穩定特征。利用結構可靠度理論進行設計能夠更為真實地反映結構性能，這促使現在尚未采用此方法進行設計的領域開始著手研究結構可靠性理論的應用，以便使其設計水平逐步提高。

1、可靠度理論在水工結構設計中的優勢

由于在水工設計中有許多的不確定性因素，早先時期在設計的時候，相關人員因為對科學的安全度缺乏認識，在一些系數的取值上普遍采取了折中的偏安全的設計量安全取值，以達到在整體上的結構安全。不過事實往往并不理想，采用折中處理方法的，并沒有給結構賦予一個明確的安全程度。不過結構可靠度的設計方法卻是可以克服這種缺陷，達到一個人們希望的效果。有時候，工程設計人員因為使用方便，對新的混凝土結構設計采用了分項系數的表達設計，這種設計方法與傳統相比是具有本質上的區別的，因為分項系數的選擇是經過了可靠度分析后才確定的，而傳統的設計方法并沒有采用結構可靠度理論進行分析。

2、結構的極限狀態方程

在結構可靠度分析中，結構的極限狀態一般由功能函數加以描述，

即：

Z=g（X1，X2，...Xn）（1）

式（1）中，X（i=1，2，...n）為荷載、抗力或它們的影響因素等隨即變量。Z>0時結構安全，Z<0時結構失效，Z=0時為極限狀態。極限狀態方程為：

g（X1，X2，...Xn）=0（2）

構件的可靠度可表示為：

Pa=P（g[X1，X2，...Xn）>0]（3）

式（3）中，Pa為滿足功能要求的概率。結構可靠度設計通過正態變換轉化為以可靠指標表示的設計表達式：

B1>[β]（i=1，2，...n）（4）

式（4）中：B1、[β]分別為構件i的設計可靠度指標和目標可靠指標。目前，各國編制的工程結構可靠度設計規范都是基于上述構件可靠度理論采用一次二階距法制定。

3、水工結構可靠度設計研究

由于水工結構可靠度設計理論在分析方法、概率模型簡化等方面還不夠完善，使該理論還不能應用到水工結構設計的各個領域，因此國內眾多學者針對不同的領域，從結構抗力R和荷載效應S兩個方面，采用校核法或其他方法對不同的水工結構進行了大量的可靠度設計研究，并取得了一些十分重要的結論。這為那些使用傳統設計理論的領域早日過渡到采用水工結構可靠度設計理論奠定了基礎。目前，暫時還不具備統計資料的水工結構設計規范，可以按結構可靠度理論修編或“套改”，這種方法雖然只是形式上與可靠度設計相似，但這為以后設計方法向以可靠度理論為基礎的極限狀態設計法轉化創造了條件，以便相關部門今后有意識地搜集和積累有關變量的統計資料。

4、影響水工結構可靠性的不確定性因素

用可靠度理論進行水工結構設計時，模糊性體現在各參數在取值上的不精確性；隨機性體現在參數在時空分布上的變異性；未確知性體現在信息、數據的不全面、不完整性。利用功能函數：Z=R-S計算構件的可靠指標β時，模糊性主要體現在由于影響荷載、材料性能、結構尺寸的因素較多而導致抗力R和效應S的取值不精確；隨機性主要體現在作用（如：水荷載、溫度、地震）在不同時間、不同地點分布的變異性和抗力由于施工質量、結構老化、材料老化等因素的影響而造成的變異性；未確知性主要體現在由于人們認知能力的不足從而在進行復雜結構分析和計算時只能采用一些簡化和等效的手段，并在進行可靠性分析時不得不采取一些假定和約束條件，從而有意無意地省略某些本應考慮而又難以處理的因素。具體來說，影響水工結構可靠性分析的變化確定性因素按工程背景分類，體現在以下幾個方面：荷載作用的不確定性、材料參數的不確定性、幾何尺寸的不確定性、初始條件和邊界條件的不確定性、計算模型的不確定性等。

5、改進水工結構可靠度理論

5.1充分考慮人誤影響

目前，我國各級設計單位眾多，設計水平參差不齊，施工中有上千萬的農民大軍，施工管理水平薄弱等現象的普遍存在，使得非正常的人誤在設計、施工和使用中頻繁發生，這也正是結構的實際失效概率遠遠大于理論的失效概率的主要原因所在。所以，工程結構的失效是由結構性能固有的概率性變異和在設計、施工、使用或維修方面的人誤所造成，而且后者往往占有較大比例。必須研究各種人誤發生的各種原因，從而采取有效措施，對癥下藥減少人誤的發生。由此可見，可靠度設計理論應該而且必須考慮人誤因素的影響。

5.2引進廣義可靠度的概念

由于影響結構可靠性的諸多參數具有不確定性而且設計、施工和使用過程中都存在人誤的發生，導致結構的實際可靠度和規范或統標規定的可靠度并不是同一個水平。為了讓設計、施工和使用人員對結構的實際可靠度有比較清楚的認識，建議規范或統標中要引進廣義可靠度的概念。即：理論可靠度——嚴格按照規范或統標的要求，如果規范或統標中明確理論可靠度和實際可靠度的概念，有助于設計、施工和使用人員對已建成的結構的實際可靠度水平有較清楚的認識，更重要的是能夠使設計、施工和使用人員明確自己的責任，從自己做起，盡可能避免人誤的發生，使結構具有較高的可靠性和安全性。

結束語

總而言之，隨著科學技術的發展，結構可靠度理論也正在逐步完善，用可靠度理論指導和控制水利工程各階段的工作，相比于傳統方法具有不可比擬的科學性和優越性，作為工程人員也不能盲目濫用理論，而是要做到對其原理的靈活應用，在實際工作中切實發揮出結構可靠度理論的作用。

參考文獻：

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