針對結(jié)構(gòu)可靠度的分析與研究

方健 夏禮航

摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)工作的有機(jī)組成部分，是建筑工程過程的重要關(guān)節(jié)，關(guān)乎整體建筑大局。受制于建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往是出現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)之后的。雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會對建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響，但其影響絕不可能是破壞性的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性，這要求相關(guān)技術(shù)人員要擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和重組的理論功底。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠度分析;方法

建筑結(jié)構(gòu)的可靠性是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)的安全性、適用性和耐久性。其中，安全是指施工過程中各種施工環(huán)境下正常施工給予施工人員的安全保障，以及建筑本身的抗災(zāi)能力和對高強(qiáng)度氣候變化的耐受能力。適用性是指建筑結(jié)構(gòu)建成后的預(yù)期功能，耐久性是指在正常后勤保障下的正常使用時間。

簡單來說，建筑結(jié)構(gòu)的可靠性是指建筑結(jié)構(gòu)在特定的時間和空間條件下能夠達(dá)到預(yù)期功能的概率。換句話說，可靠性問題是一個概率問題，主要表達(dá)對投入的預(yù)期收益的概率評價。建筑的可靠性計(jì)算需要綜合考慮原材料質(zhì)量、數(shù)學(xué)、預(yù)期載荷、相關(guān)參數(shù)、函數(shù)的數(shù)學(xué)精度等因素。在建筑領(lǐng)域，這些因工程變化而變化的隨機(jī)因素稱為基本變量，在長期的實(shí)踐和改進(jìn)中，通過大量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，為每個基本變量獲得一個常數(shù)的數(shù)學(xué)函數(shù)。

一、結(jié)構(gòu)工程中的不確定性及其來源

地層介質(zhì)特性參數(shù)的不確定性，地層介質(zhì)的形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代，并不斷經(jīng)歷自然地址構(gòu)造運(yùn)動和人類活動的影響，使地層介質(zhì)在多數(shù)情況下都明顯呈現(xiàn)非均質(zhì)、非線性、各向異性和隨即離散等特性。

巖土體分類的不確定性，各種巖土體分類法是根據(jù)相關(guān)的工程部門的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，通常這些標(biāo)準(zhǔn)都是經(jīng)過了長期的計(jì)算結(jié)合結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)擬定，在實(shí)際工作中往往帶有一些不確定性，在特殊情況下相關(guān)工程師對標(biāo)準(zhǔn)有些不同的理解和處理方法，因此會在使用巖土體分類法時得到不同的結(jié)果，導(dǎo)致巖土體分類的隨機(jī)性，最后導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不確定性。

影響地下結(jié)構(gòu)分析的主要不確定因素大致分為兩類，分別為荷載與抗力的不確定性和抗力。結(jié)構(gòu)施工、設(shè)計(jì)涉及的荷載包括已明確的荷載因素和未明確的其他因素。

自然條件的不確定性：巖土介質(zhì)的力學(xué)性狀與自然條件有著密切關(guān)系。當(dāng)自然條件發(fā)生較大的變化時，巖出介質(zhì)的性狀大多會發(fā)生很大變化，如果對這種影響估計(jì)不足或沒有很好的掌握其規(guī)律，就會出現(xiàn)意想不到的嚴(yán)重事故，因此自然條件的不確定性對巖土體變破影響采用確定性分析方法是較難以模擬的。

二、我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變過程

容許應(yīng)立法以一個點(diǎn)的安全決定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全，而且當(dāng)時的安全系數(shù)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。60年代：三系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)。三系數(shù)：工作條件系數(shù);荷載系數(shù);材料勻質(zhì)系數(shù)。80年代：概率極限狀態(tài)法，以可靠度理論為基礎(chǔ)，用多個分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的設(shè)計(jì)方法。多個分項(xiàng)系數(shù)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)，荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料分項(xiàng)系數(shù)等。21世紀(jì)初：概率極限狀態(tài)法，與80年代的設(shè)計(jì)方法相比，設(shè)計(jì)理論與方法上無大的變化，但可靠度有較大的提高，用鋼量增加10%，造假增加5%左右。

三、結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)的基本原理

結(jié)構(gòu)功能和功能效益。動作：是結(jié)構(gòu)或部件的內(nèi)力和變形的各種原因的集合。直接作用（荷載）：以力的形式直接作用在結(jié)構(gòu)上;間接作用：以變形的形式作用于結(jié)構(gòu)，或者引起結(jié)構(gòu)的附加變形和約束變形。動作按其隨時間的變異性分類，永久動作：的值不隨時間變化或與其平均值（恒載）相比變化很小;可變作用：的值隨時間變化或與平均值相比不可忽略，如活載;偶然動作：是一種幅度大、持續(xù)時間短的動作（在使用過程中不一定發(fā)生）。作用效果：指內(nèi)力和變形（軸力、剪力、彎矩、扭矩、變形、裂縫等。）的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件引起的動作。

結(jié)構(gòu)抗力：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，即內(nèi)力和變形，如構(gòu)件的承載力和抗裂能力。影響因素：是材料性能（強(qiáng)度、變形模量等。），幾何參數(shù)（構(gòu)件尺寸等。），以及計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括三個階段：結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工圖設(shè)計(jì)。在建筑設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員應(yīng)勘察待建建筑，分析其重要性，并根據(jù)建筑的高度和層數(shù)以及建筑面積的抗震設(shè)防烈度和類型確定建筑的結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是嚴(yán)格規(guī)范的，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有其特殊的功能要求。可靠性是技術(shù)人員的首要考慮，也就是說，設(shè)計(jì)的建筑在規(guī)定的條件下，在使用壽命內(nèi)應(yīng)滿足耐久性、適用性和安全性的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證整體的牢固性，充分考慮各個構(gòu)件的各個連接是否牢固，檢查各個構(gòu)件是否安全，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全;在考慮可靠性和安全性的同時，技術(shù)人員還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)本身的適應(yīng)性，即結(jié)構(gòu)沒有超出正常使用范圍的振動和變形，其工作性能仍能保持;最后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的耐久性，也就是說結(jié)構(gòu)的剛度和承載力不會在外部因素的影響下降低，對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成威脅。

五、多個非正態(tài)分布隨機(jī)變量

在設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)Xi，用等效正態(tài)分布隨機(jī)變量代替非正態(tài)分布隨機(jī)變量是必要的（等效歸一化處理）。

正交變換法：是最簡單的近似可靠性指標(biāo)的方法。只需要考慮隨機(jī)變量的一階矩和二階矩，以及它們對應(yīng)函數(shù)的常數(shù)項(xiàng)和泰勒級數(shù)展開的一階項(xiàng)。在隨機(jī)變量相對獨(dú)立的前提下，可以在笛卡爾空間建立求解可靠性指標(biāo)的公式。

六、荷載作用的統(tǒng)計(jì)分析方法以及作用效應(yīng)組合

（一）按結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的作用效應(yīng)

在此分類標(biāo)準(zhǔn)下，可總結(jié)為為兩種作用效應(yīng)組合，即基本組合和偶然組合。作用效應(yīng)基本組合表示為荷載的可變作用設(shè)計(jì)值效應(yīng)和荷載的永久作用的設(shè)計(jì)效應(yīng)的相關(guān)組合，這種組合在設(shè)計(jì)時比較常用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)時是應(yīng)當(dāng)考慮的。結(jié)構(gòu)荷載的偶然組合則并不一定要考慮從可變作用效應(yīng)參與在其中，在一些特殊的情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，偶然組合不是所有的結(jié)構(gòu)都要考慮的，一些特殊的組合可以直接采取其他特殊的相對應(yīng)有效的措施解決。

（二）按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的作用效應(yīng)組合

在一些常見建筑結(jié)構(gòu)例如橋梁路面等，在進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的作用效應(yīng)組合時，需要考慮可變作用荷載中的長期和短期的效應(yīng)組合。在考慮到正常使用狀態(tài)下的裂縫開度和結(jié)構(gòu)的撓度，根據(jù)承載能力極限狀態(tài)得到的結(jié)構(gòu)可靠度往往要低得多。

七、影響抗力的不定性因素與抗力的統(tǒng)計(jì)分析方法

影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素包括：結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的不定性;結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的不定性;結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算模式的不定性。結(jié)構(gòu)的作用或荷載的不定性影響作用。

在結(jié)構(gòu)抗力分析方法中，直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析過程一般比較復(fù)雜不容易得到較好的結(jié)果，所以需要采取間接分析方法，即先確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，需要通過對結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行部分的統(tǒng)計(jì)分析并針對主要影響因素分析得到，其次結(jié)合結(jié)構(gòu)抗力抗力與各個相關(guān)因素之間的函數(shù)關(guān)系，從相關(guān)影響因素的統(tǒng)計(jì)參數(shù)推求結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布類型，當(dāng)確定構(gòu)件抗力及其各項(xiàng)影響因素的統(tǒng)計(jì)參數(shù)時，采用近似公式。

八、現(xiàn)行規(guī)范采用的設(shè)計(jì)表達(dá)式以及各系數(shù)的來源

（1）根據(jù)《荷載規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行，其一般表達(dá)式為：γ0·S≤R，式中：（1）γ0：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);（2）S：結(jié)構(gòu)效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;（3）R：結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值，應(yīng)按各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定確定。（2）其中γ0、S、R都體現(xiàn)了可靠度。（1）結(jié)構(gòu)效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值相對于荷載標(biāo)準(zhǔn)作了一定的放大（設(shè)計(jì)值=分項(xiàng)系數(shù)x標(biāo)準(zhǔn)值）;（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值國家規(guī)范在確定其數(shù)值時也考慮了構(gòu)件可靠度使得規(guī)范的構(gòu)件抗力比實(shí)際構(gòu)件的抗力要小一些。

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