改進(jìn)水工結(jié)構(gòu)可靠度理論的若干探討

【摘要】工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論及其方法經(jīng)過長期的發(fā)展，特別在成功地引進(jìn)概率理論后獲得了突破性的進(jìn)展，但由于目前可靠度理論還不是很完善且影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素很多且很復(fù)雜，使得規(guī)范在實際的應(yīng)用中存在著一些不足和不方便之處。文章對結(jié)構(gòu)可靠度在水工結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的優(yōu)勢和影響因素等進(jìn)行了概括總結(jié)，并對存在的問題提出了優(yōu)化改革方法，希望為我國水工結(jié)構(gòu)可靠度的進(jìn)一步研究提供參考。

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

引言

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

1、可靠度理論在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)勢

由于在水工設(shè)計中有許多的不確定性因素，早先時期在設(shè)計的時候，相關(guān)人員因為對科學(xué)的安全度缺乏認(rèn)識，在一些系數(shù)的取值上普遍采取了折中的偏安全的設(shè)計量安全取值，以達(dá)到在整體上的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)賦予一個明確的安全程度。不過結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計方法卻是可以克服這種缺陷，達(dá)到一個人們希望的效果。有時候，工程設(shè)計人員因為使用方便，對新的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了分項系數(shù)的表達(dá)設(shè)計，這種設(shè)計方法與傳統(tǒng)相比是具有本質(zhì)上的區(qū)別的，因為分項系數(shù)的選擇是經(jīng)過了可靠度分析后才確定的，而傳統(tǒng)的設(shè)計方法并沒有采用結(jié)構(gòu)可靠度理論進(jìn)行分析。

2、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程

在結(jié)構(gòu)可靠度分析中，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)一般由功能函數(shù)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(jié)構(gòu)安全，Z<0時結(jié)構(gòu)失效，Z=0時為極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程為：

g（X1，X2，...Xn）=0（2）

構(gòu)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(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計通過正態(tài)變換轉(zhuǎn)化為以可靠指標(biāo)表示的設(shè)計表達(dá)式：

B1>[β]（i=1，2，...n）（4）

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

3、水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計研究

由于水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)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(yīng)用到水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個領(lǐng)域，因此國內(nèi)眾多學(xué)者針對不同的領(lǐng)域，從結(jié)構(gòu)抗力R和荷載效應(yīng)S兩個方面，采用校核法或其他方法對不同的水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的可靠度設(shè)計研究，并取得了一些十分重要的結(jié)論。這為那些使用傳統(tǒng)設(shè)計理論的領(lǐng)域早日過渡到采用水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計理論奠定了基礎(chǔ)。目前，暫時還不具備統(tǒng)計資料的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，可以按結(jié)構(gòu)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(shè)計相似，但這為以后設(shè)計方法向以可靠度理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件，以便相關(guān)部門今后有意識地搜集和積累有關(guān)變量的統(tǒng)計資料。

4、影響水工結(jié)構(gòu)可靠性的不確定性因素

用可靠度理論進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)設(shè)計時，模糊性體現(xiàn)在各參數(shù)在取值上的不精確性；隨機(jī)性體現(xiàn)在參數(shù)在時空分布上的變異性；未確知性體現(xiàn)在信息、數(shù)據(jù)的不全面、不完整性。利用功能函數(shù)：Z=R-S計算構(gòu)件的可靠指標(biāo)β時，模糊性主要體現(xiàn)在由于影響荷載、材料性能、結(jié)構(gòu)尺寸的因素較多而導(dǎo)致抗力R和效應(yīng)S的取值不精確；隨機(jī)性主要體現(xiàn)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(zhì)量、結(jié)構(gòu)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(xiàn)在由于人們認(rèn)知能力的不足從而在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析和計算時只能采用一些簡化和等效的手段，并在進(jìn)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(yīng)考慮而又難以處理的因素。具體來說，影響水工結(jié)構(gòu)可靠性分析的變化確定性因素按工程背景分類，體現(xiàn)在以下幾個方面：荷載作用的不確定性、材料參數(shù)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(jìn)水工結(jié)構(gòu)可靠度理論

5.1充分考慮人誤影響

目前，我國各級設(shè)計單位眾多，設(shè)計水平參差不齊，施工中有上千萬的農(nóng)民大軍，施工管理水平薄弱等現(xiàn)象的普遍存在，使得非正常的人誤在設(shè)計、施工和使用中頻繁發(fā)生，這也正是結(jié)構(gòu)的實際失效概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論的失效概率的主要原因所在。所以，工程結(jié)構(gòu)的失效是由結(jié)構(gòu)性能固有的概率性變異和在設(shè)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(fā)生的各種原因，從而采取有效措施，對癥下藥減少人誤的發(fā)生。由此可見，可靠度設(shè)計理論應(yīng)該而且必須考慮人誤因素的影響。

5.2引進(jìn)廣義可靠度的概念

由于影響結(jié)構(gòu)可靠性的諸多參數(shù)具有不確定性而且設(shè)計、施工和使用過程中都存在人誤的發(fā)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實際可靠度和規(guī)范或統(tǒng)標(biāo)規(guī)定的可靠度并不是同一個水平。為了讓設(shè)計、施工和使用人員對結(jié)構(gòu)的實際可靠度有比較清楚的認(rèn)識，建議規(guī)范或統(tǒng)標(biāo)中要引進(jìn)廣義可靠度的概念。即：理論可靠度——嚴(yán)格按照規(guī)范或統(tǒng)標(biāo)的要求，如果規(guī)范或統(tǒng)標(biāo)中明確理論可靠度和實際可靠度的概念，有助于設(shè)計、施工和使用人員對已建成的結(jié)構(gòu)的實際可靠度水平有較清楚的認(rèn)識，更重要的是能夠使設(shè)計、施工和使用人員明確自己的責(zé)任，從自己做起，盡可能避免人誤的發(fā)生，使結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性和安全性。

結(jié)束語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)可靠度理論也正在逐步完善，用可靠度理論指導(dǎo)和控制水利工程各階段的工作，相比于傳統(tǒng)方法具有不可比擬的科學(xué)性和優(yōu)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(yīng)用，在實際工作中切實發(fā)揮出結(jié)構(gòu)可靠度理論的作用。

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