水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法探究

游來(lái)鳳

【摘要】隨著水工結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不斷增加，傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法已不再適用于水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)。水工結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計(jì)方法是基于概率理論為基礎(chǔ)，是應(yīng)用一種極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)方法。本文主要是基于已有的研究和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)分析水工可靠度設(shè)計(jì)方法及推廣應(yīng)用題中所面臨的主要問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】水工結(jié)構(gòu)；可靠度；設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有考慮隨機(jī)性因素，大多數(shù)采用單一的安全系數(shù)方法，是一種確定性的設(shè)計(jì)方法。隨著工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和事件的不確定性，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正慢慢發(fā)展為一種概率設(shè)計(jì)的方法，這種設(shè)計(jì)方法是以結(jié)構(gòu)可靠度為依據(jù)，解決結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等問(wèn)題。目前，結(jié)構(gòu)可靠度作為一項(xiàng)科學(xué)理論已在水利、土建、航空等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

1、水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法

1.1 理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)可靠度理論指導(dǎo)水工結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)工作，其先進(jìn)性將成為未來(lái)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。目前，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，該方法以概率理論為基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)承受的抗力、作用力等參數(shù)作為隨機(jī)變量處理。結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程來(lái)表示，其表達(dá)式為Z=g（R，S）=R-S， R表示抗力，S表示作用效力。Z小于0的概率即失效概率Pf效率與可靠度之間是互補(bǔ)關(guān)系，即可靠度（Pr）=1-Pf。

以概率論為基礎(chǔ)的可靠度設(shè)計(jì)理論可以發(fā)展為三個(gè)水準(zhǔn)。水準(zhǔn)Ⅰ是一種半經(jīng)驗(yàn)、半概率的設(shè)計(jì)方法，首先是確定影響結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)因素，如材料的荷載和強(qiáng)度，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其分析；并在此期間引入經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該方法并不能精確的計(jì)算出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠概率。水準(zhǔn)Ⅱ是一種近似概率的設(shè)計(jì)方法，將R和S作為隨機(jī)變量，根據(jù)存在的概率估算出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠概率或失效概率，利用均值和標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)線(xiàn)性處理表達(dá)式。標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ是一種全概率設(shè)計(jì)方法，將全部的隨機(jī)變量進(jìn)行概率分析，但是使用該方法計(jì)算可靠度會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題的復(fù)雜化，因此該方法并沒(méi)有得到廣泛使用。

1.2分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式

分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。分項(xiàng)系數(shù)極限表達(dá)式在應(yīng)用之前，應(yīng)明確材料性能分項(xiàng)系數(shù)m和作用分項(xiàng)系數(shù)F的概念，可能存在一種不確定性，同時(shí)具有降強(qiáng)、超載的物理概念，但是這種不確定性與結(jié)構(gòu)類(lèi)型無(wú)關(guān)。其中材料試件的變異性決定了系數(shù)m的取值，作用本身的變異性決定了系數(shù)F的取值。另外，水工結(jié)構(gòu)系數(shù)d表示了結(jié)構(gòu)抗力的不確定性，同時(shí)充分體現(xiàn)了除m、F外的其他分項(xiàng)系數(shù)。由此可以得出分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)的表達(dá)式為：

由此可以得出，水工結(jié)構(gòu)可靠性系數(shù)與構(gòu)建密切相關(guān)，水工結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)由水工結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)確定。據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水工結(jié)構(gòu)安全等級(jí)以Ⅱ結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，水準(zhǔn)Ⅰ和Ⅲ結(jié)構(gòu)系數(shù)由此轉(zhuǎn)化得到，分別為1.1和0.9。

1.3 目標(biāo)可靠指標(biāo)的確定方法

目標(biāo)可靠性指標(biāo)的確定與工程造價(jià)、投資風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)費(fèi)用等因素有關(guān)，這些因素充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，同時(shí)也表達(dá)了水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度。目標(biāo)可靠指標(biāo)的設(shè)計(jì)不僅僅體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)的可靠性，還充分體現(xiàn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全面考慮了國(guó)家綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。選擇可靠性指標(biāo)一般包括三種方法，事故類(lèi)比法、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法和經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法。在實(shí)際應(yīng)用中，事故類(lèi)比法和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法的方法不常用，一般主要采用經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法確定可靠性指標(biāo)。即校核現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的安全度，通過(guò)反演計(jì)算，尋找規(guī)范中隱含的相應(yīng)可靠指標(biāo)，通過(guò)綜合計(jì)算和分析，確定目標(biāo)的可靠性指標(biāo)。實(shí)質(zhì)上，該方法在體現(xiàn)原有設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的可靠水準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，也充分體現(xiàn)了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。

2、應(yīng)用水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法的障礙

2.1 變量的不確定性

在可靠度分析中，作用效用、作用、抗力、分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式等具有一定的不確定性，這些不確定性可歸結(jié)為模糊性、未認(rèn)知性及隨機(jī)性。其中模糊性和未認(rèn)知性可由邏輯樹(shù)、隸屬函數(shù)等方法定義主觀概率密度分布函數(shù)，應(yīng)用貝葉斯方法分析研究概率分布，但是這種方法缺少一定的客觀性，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計(jì)工作。隨機(jī)性問(wèn)題可以通過(guò)樣本統(tǒng)計(jì)的客觀概率密度函數(shù)，依據(jù)概率理論進(jìn)行求解。另外，可靠度的結(jié)果受材料性能和作用隨機(jī)樣本容量、質(zhì)量、極限方程式等因素的影響，其設(shè)計(jì)過(guò)程中的很多問(wèn)題需要進(jìn)一步的完善和解決。在作用和抗力、作用效應(yīng)、極限狀態(tài)等方面都需要進(jìn)一步的完善和確定，因此，在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)工作中應(yīng)率先完善概率相關(guān)的理論和方法，并不急于對(duì)失效概率數(shù)值的計(jì)算。

2.2 可靠度理論度量結(jié)構(gòu)安全局限性問(wèn)題

可靠度理論在度量水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性方面較為先進(jìn)，但是仍然存在一定的問(wèn)題約束其在實(shí)踐中的應(yīng)用。例如作用效用和抗力的分離、將截面承載力的安全指標(biāo)作為可靠指標(biāo)以及隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)變量等可靠性約束條件。概率可靠度理論是基于大量的數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)荷載與抗力，兩者均存在大量的問(wèn)題。另外，在規(guī)范安全度度量時(shí)，應(yīng)充分考慮、預(yù)測(cè)未來(lái)荷載出現(xiàn)的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，概率可靠度理論會(huì)忽略無(wú)法用這一理論處理的因素，而這些因素是在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)中必須考慮的，如人為失誤、經(jīng)濟(jì)、政治環(huán)境等。

3、總結(jié)

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的方法是水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法，充分考慮設(shè)計(jì)工作中不確定因素，并對(duì)其進(jìn)行量化處理。在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)做好作用、抗力、材料性質(zhì)等要素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作，尤其是對(duì)設(shè)計(jì)工作中積累的資料進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析。另外，對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目的原型數(shù)據(jù)資料、已有的實(shí)驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)分析。由此可見(jiàn)，做好概率統(tǒng)計(jì)分析工作對(duì)水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)具有重要的作用。

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