李寧

摘要：自20世紀(jì)20年代以來(lái)，工程結(jié)構(gòu)可靠性理論和應(yīng)用的研究已取得了重大進(jìn)展。但還不夠完善，本文簡(jiǎn)要敘述了影響土木工程結(jié)構(gòu)可靠性的幾種不確定性因素，并進(jìn)一步分析了可靠性理論在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展中所起的推動(dòng)作用；從而為在土木工程結(jié)構(gòu)可靠性方面研究的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu)、可靠性、設(shè)計(jì)規(guī)范

前 言：

工程結(jié)構(gòu)是指由鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建造的各種建筑物和構(gòu)筑物，在我國(guó)將結(jié)構(gòu)可靠性的概念及計(jì)算理論引入建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范體系，并在評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能時(shí)將它作為基本指標(biāo)而制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，在結(jié)構(gòu)工程中的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作在國(guó)內(nèi)先后得到廣泛的開(kāi)展。

1、影響土木工程結(jié)構(gòu)可靠性的一些不確定因素和設(shè)計(jì)規(guī)范研究

1.1 影響工程結(jié)構(gòu)可靠性的一些不確定因素

結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力，它包括結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性等方面。其在設(shè)計(jì)、施工、使用過(guò)程中具有種種影響這些方面的不確定性因素：

（一）工程全過(guò)程中事故發(fā)生的隨機(jī)性：工程在設(shè)計(jì)，施工，使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)由于事件發(fā)生的條件不充分，使得在條件與結(jié)果之間不能出現(xiàn)必然的因果關(guān)系，從而事件的出現(xiàn)與否表現(xiàn)出不確定性，這種不確定性是難以預(yù)料的，其在數(shù)學(xué)方法上表現(xiàn)為隨機(jī)性.研究事物隨機(jī)性問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法主要有概率論、隨機(jī)過(guò)程和數(shù)理統(tǒng)計(jì)。

（二）工程結(jié)構(gòu)具有模糊性：人們對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的不確定性，除了由于無(wú)法控制的因果關(guān)系形成的隨機(jī)性外，確實(shí)還存在著很多模棱兩可的模糊因素。自美國(guó)zadeh創(chuàng)立模糊集合論以來(lái)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述事件的模糊性就有了可能，以往將這類不定性歸為主觀不定性，對(duì)這類不定性習(xí)慣上也武斷地按隨機(jī)性對(duì)待。引入由隸屬函數(shù)刻劃的模糊性后，以概率度量的結(jié)構(gòu)可靠性將改為模糊概率來(lái)度量。

（三） 工程結(jié)構(gòu)理論的不完善性：工程結(jié)構(gòu)理論是由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素所構(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體.人們常用顏色來(lái)簡(jiǎn)單地描述掌握事物知識(shí)的完善程度，并把事物（或稱系統(tǒng)）分為三類：白色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng).對(duì)知識(shí)的不完善性處理還沒(méi)有成熟的數(shù)學(xué)方法，在工程實(shí)踐中只能由有經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)這種不確定性進(jìn)行評(píng)估，引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

1.2 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系研究

自20世紀(jì)20年代起，國(guó)際上開(kāi)展了結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的研究，并逐步擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括我國(guó)在內(nèi)，研究成果已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論的發(fā)展。同時(shí)我國(guó)在工程結(jié)構(gòu)可靠性研究的發(fā)展過(guò)程中，進(jìn)行了大量的理論研究、資料收集和數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)工作，總結(jié)了我國(guó)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用以隨機(jī)可靠性理論為基礎(chǔ)、以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，作為我國(guó)土木、建筑、水利等專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范改革、修訂的準(zhǔn)則.全國(guó)土木、建筑、水利各專業(yè)直接為工程技術(shù)人員使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”的統(tǒng)一指導(dǎo)下，進(jìn)行了大規(guī)模的修訂或編制，工程界形象地稱之為規(guī)范的“轉(zhuǎn)軌”，就是指從原規(guī)范的以經(jīng)驗(yàn)為主的安全系數(shù)法轉(zhuǎn)為以概率分析為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法.這項(xiàng)工作的規(guī)模和深度已超過(guò)了世界上一些先進(jìn)國(guó)家，大大提高了我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的科學(xué)水平，使我國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范躋身于世界先進(jìn)行列。

2、工程結(jié)構(gòu)可靠性研究的進(jìn)展研究

2.1 工程結(jié)構(gòu)的概念分析

鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建造的工業(yè)與民用建筑的承重結(jié)構(gòu)，公路和鐵路的橋梁、港口工程的碼頭，水利工程的堤壩、水閘，給水排水構(gòu)筑物的水池、水管等，統(tǒng)稱為工程結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)需要安全可靠地承受設(shè)備、人群、車輛等使用荷載，經(jīng)受風(fēng)、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土壓力、地震等環(huán)境的作用.它們安全可靠與否，不但影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且還常常關(guān)系到人身安危.特別是一些重要的紀(jì)念性建筑物，作為一個(gè)時(shí)代的文化特征，將留傳后世，對(duì)安全可靠、適用、美觀、耐久等方面，有更高的要求.

2.2 工程結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)展的一般理論研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)體系可靠性研究

隨著結(jié)構(gòu)可靠度理論在建筑、鐵路、公路、港工和水利水電五大工程部門中的應(yīng)用日益廣泛逐步深入，人們深知一個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠度不能僅由其局部元件對(duì)某種失效形態(tài)可靠度加以度量。因此，現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)目標(biāo)指標(biāo)，實(shí)際上是指失效問(wèn)題而言的。對(duì)由諸元件組成的結(jié)構(gòu)體系，其可靠度應(yīng)由諸元件以及體系的各種失效模式所確定的極限狀態(tài)方程得出。為了不斷提高設(shè)計(jì)規(guī)范的質(zhì)量水平，全國(guó)工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)1986年第二次全體委員會(huì)制定的科研項(xiàng)目中，對(duì)體系可靠度的研究十分重視，將連續(xù)梁、簡(jiǎn)單剛架、高樁碼頭、重力壩等結(jié)構(gòu)體系的可靠度分析列為研究課題，這種形勢(shì)在客觀上促進(jìn)了結(jié)構(gòu)體系可靠度理論的發(fā)展。

2.2.2 結(jié)構(gòu)抗震可靠性研究

在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要考慮的動(dòng)態(tài)作用主要有地震、強(qiáng)風(fēng)、波浪力等，這些作用不僅在事件發(fā)生的時(shí)間和空間上是隨機(jī)的，而且每次事件作用的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，也是隨機(jī)的。因此，結(jié)構(gòu)抗震可靠性的研究在我國(guó)日益受到重視，抗震可靠性的分析一般采用首次超越和低周疲勞破壞的分析方法，其中首次超越的界限，在彈性分析中一般沿用了結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的允許值，在彈塑性分析中采用了延性系數(shù)的允許值。這些界限值假定具有某種概率、分布，近來(lái)也有學(xué)者提出應(yīng)考慮界限模糊性的觀點(diǎn)。這些方法都是可取的，值得沿承的。

2.2.3 巖石工程的可靠性研究

國(guó)內(nèi)在巖土工程中應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法的問(wèn)題，在80年代初期開(kāi)始得到了重視。并進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)多年的研究與發(fā)展，大致確定了以下幾個(gè)方面：（一）在概念方面的探討，這部分雖然數(shù)量不多，但內(nèi)容卻十分重要。（二）巖土參數(shù)估計(jì)的研究，這是巖土工程可靠度分析中的關(guān)鍵和難點(diǎn)，以此為主的論文約占四分之一。（三）將可靠性方法引入到各類巖土工程的問(wèn)題，包括計(jì)算分析方法的研究，除了一次二階矩驗(yàn)算點(diǎn)方法外，隨機(jī)有限元、高階矩、Monte一Carlo等方法也開(kāi)始引入到巖土工程的可靠性分析中來(lái)。目前在巖土工程可靠性研究方面，與上部結(jié)構(gòu)相比，其成果尚未成熟到可供實(shí)用的階段，但與上部結(jié)構(gòu)采用不同設(shè)計(jì)原則的狀況也不容許持續(xù)太久，加速實(shí)用化研究是勢(shì)在必行。

2.2.4 結(jié)構(gòu)疲勞可靠性研究

近年來(lái)隨著鐵路和公路橋梁、吊車梁、鐵路混凝土軌枕、海洋建筑物等承受疲勞荷載的

結(jié)構(gòu)物的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)可靠性理論在土木工程中的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)疲勞可靠性問(wèn)題日益受到

重視： 例如：開(kāi)展了以可靠性理論為基礎(chǔ)的軌枕疲勞設(shè)計(jì)方法和不穩(wěn)定重復(fù)荷載下的混凝土受彎構(gòu)件的疲勞可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)在原國(guó)家建委支持下，中國(guó)建筑科學(xué)研究院、太原工學(xué)院、冶金部建筑研究總院等單位進(jìn)行了大量的混凝土受彎構(gòu)件正截面和斜截面在等幅荷載下的試驗(yàn)研究工作，為進(jìn)一步開(kāi)展疲勞可靠性的研究積累了可供利用的資料。

結(jié)束語(yǔ)：

一直以來(lái)，土木工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性一直是設(shè)計(jì)者與使用者非常關(guān)注的問(wèn)題，它關(guān)系到安全與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)、基礎(chǔ)設(shè)施的投資等，并與國(guó)家現(xiàn)行政策、法規(guī)以及未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，由此可見(jiàn)，其是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題.，國(guó)家對(duì)其高度重視，加強(qiáng)研究力度。

參考文獻(xiàn)：

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[3]伍朝暉.工程結(jié)構(gòu)可靠度理論分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，1997.