游來鳳

【摘要】隨著水工結構的復雜性不斷增加，傳統(tǒng)水工結構的設計方法已不再適用于水工結構可靠度設計。水工結構可靠度的設計方法是基于概率理論為基礎，是應用一種極限狀態(tài)下的設計方法。本文主要是基于已有的研究和實踐工作經(jīng)驗，系統(tǒng)分析水工可靠度設計方法及推廣應用題中所面臨的主要問題。

【關鍵詞】水工結構；可靠度；設計方法

傳統(tǒng)水工結構設計方法并沒有考慮隨機性因素，大多數(shù)采用單一的安全系數(shù)方法，是一種確定性的設計方法。隨著工程結構的復雜性和事件的不確定性，水工結構設計正慢慢發(fā)展為一種概率設計的方法，這種設計方法是以結構可靠度為依據(jù)，解決結構的剛度、強度、穩(wěn)定性等問題。目前，結構可靠度作為一項科學理論已在水利、土建、航空等多個領域得到廣泛的應用和發(fā)展。

1、水工結構可靠度設計方法

1.1 理論基礎

結構可靠度理論指導水工結構工程的設計工作，其先進性將成為未來水工結構設計的發(fā)展方向。目前，水工結構設計主要采用極限狀態(tài)的設計方法，該方法以概率理論為基礎，將結構承受的抗力、作用力等參數(shù)作為隨機變量處理。結構極限狀態(tài)可以通過結構極限狀態(tài)方程來表示，其表達式為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關系，即可靠度（Pr）=1-Pf。

以概率論為基礎的可靠度設計理論可以發(fā)展為三個水準。水準Ⅰ是一種半經(jīng)驗、半概率的設計方法，首先是確定影響結構安全的相關因素，如材料的荷載和強度，應用數(shù)理統(tǒng)計方法對其分析；并在此期間引入經(jīng)驗數(shù)據(jù)，該方法并不能精確的計算出結構設計的可靠概率。水準Ⅱ是一種近似概率的設計方法，將R和S作為隨機變量，根據(jù)存在的概率估算出結構設計過程中的可靠概率或失效概率，利用均值和標準差等指標線性處理表達式。標準Ⅲ是一種全概率設計方法，將全部的隨機變量進行概率分析，但是使用該方法計算可靠度會導致問題的復雜化，因此該方法并沒有得到廣泛使用。

1.2分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式

分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式在水工結構可靠度設計中得到了廣泛的應用。分項系數(shù)極限表達式在應用之前，應明確材料性能分項系數(shù)m和作用分項系數(shù)F的概念，可能存在一種不確定性，同時具有降強、超載的物理概念，但是這種不確定性與結構類型無關。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，水工結構系數(shù)d表示了結構抗力的不確定性，同時充分體現(xiàn)了除m、F外的其他分項系數(shù)。由此可以得出分項系數(shù)極限狀態(tài)的表達式為：

由此可以得出，水工結構可靠性系數(shù)與構建密切相關，水工結構的可靠性指標由水工結構的安全等級確定。據(jù)相關標準規(guī)定，水工結構安全等級以Ⅱ結構為基礎，水準Ⅰ和Ⅲ結構系數(shù)由此轉化得到，分別為1.1和0.9。

1.3 目標可靠指標的確定方法

目標可靠性指標的確定與工程造價、投資風險、維護費用等因素有關，這些因素充分體現(xiàn)了結構安全性與經(jīng)濟性之間的平衡，同時也表達了水工結構設計的可靠度。目標可靠指標的設計不僅僅體現(xiàn)了工程設計的可靠性，還充分體現(xiàn)了國家經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，全面考慮了國家綜合性技術經(jīng)濟問題。選擇可靠性指標一般包括三種方法，事故類比法、經(jīng)濟優(yōu)化法和經(jīng)驗校準法。在實際應用中，事故類比法和經(jīng)濟優(yōu)化法的方法不常用，一般主要采用經(jīng)驗校準法確定可靠性指標。即校核現(xiàn)行設計規(guī)范的安全度，通過反演計算，尋找規(guī)范中隱含的相應可靠指標，通過綜合計算和分析，確定目標的可靠性指標。實質上，該方法在體現(xiàn)原有設計規(guī)范規(guī)定的可靠水準度的基礎上，也充分體現(xiàn)了實踐經(jīng)驗的積累。

2、應用水工結構可靠度設計方法的障礙

2.1 變量的不確定性

在可靠度分析中，作用效用、作用、抗力、分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式等具有一定的不確定性，這些不確定性可歸結為模糊性、未認知性及隨機性。其中模糊性和未認知性可由邏輯樹、隸屬函數(shù)等方法定義主觀概率密度分布函數(shù)，應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，并沒有廣泛應用于水工結構可靠度的設計工作。隨機性問題可以通過樣本統(tǒng)計的客觀概率密度函數(shù)，依據(jù)概率理論進行求解。另外，可靠度的結果受材料性能和作用隨機樣本容量、質量、極限方程式等因素的影響，其設計過程中的很多問題需要進一步的完善和解決。在作用和抗力、作用效應、極限狀態(tài)等方面都需要進一步的完善和確定，因此，在水工結構可靠度設計工作中應率先完善概率相關的理論和方法，并不急于對失效概率數(shù)值的計算。

2.2 可靠度理論度量結構安全局限性問題

可靠度理論在度量水工結構設計的安全性方面較為先進，但是仍然存在一定的問題約束其在實踐中的應用。例如作用效用和抗力的分離、將截面承載力的安全指標作為可靠指標以及隨機過程轉變?yōu)殡S機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)計荷載與抗力，兩者均存在大量的問題。另外，在規(guī)范安全度度量時，應充分考慮、預測未來荷載出現(xiàn)的變化。在實際應用中，概率可靠度理論會忽略無法用這一理論處理的因素，而這些因素是在水工結構可靠度設計中必須考慮的，如人為失誤、經(jīng)濟、政治環(huán)境等。

3、總結

概率極限狀態(tài)設計的方法是水工結構可靠度設計的先進方法，充分考慮設計工作中不確定因素，并對其進行量化處理。在水工結構可靠度設計工作中，應做好作用、抗力、材料性質等要素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作，尤其是對設計工作中積累的資料進行有效的統(tǒng)計分析。另外，對建設工程項目的原型數(shù)據(jù)資料、已有的實驗研究成果進行收集、統(tǒng)計分析。由此可見，做好概率統(tǒng)計分析工作對水工結構可靠度設計具有重要的作用。

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