結(jié)構(gòu)可靠度在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用研究

柴揚

【摘要】隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水利水電工程逐步增多，在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了重要的基礎(chǔ)性作用。而水利工程，水工結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計是需要引起設(shè)計單位高度重視的重要環(huán)節(jié)。

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

傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是安全系數(shù)法。這種方法的材料特性和效果已為設(shè)計師所熟悉。然而，由于設(shè)計中沒有考慮隨機性的概率，因此安全系數(shù)法是確定性的設(shè)計預防措施，對于材料性質(zhì)和行為組合的失效概率沒有明確的規(guī)定。本文對其進行分析，以提高水工結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的整體水平。

1、水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法

1.1、水工結(jié)構(gòu)可靠度理論

水工結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)是極限狀態(tài)設(shè)計方法，它是在原有的安全系數(shù)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上進行的。目前的水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法比較有限，表現(xiàn)出承受阻力的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的作用，通常被視為隨機變量。在水工結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中，正常情況下，極限狀態(tài)由極限狀態(tài)方程的效應和阻力組成，以此來描述極限狀態(tài)方程為Z=g（R，S）=R-S。然而，根據(jù)概率論，水工結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計理論分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三個層次。I級是半概率半經(jīng)驗方法，結(jié)構(gòu)安全性的影響因素主要包括材料的強度和載荷，根據(jù)實際設(shè)計經(jīng)驗引入經(jīng)驗系數(shù)。該方法無法進行可靠概率計算。水準Ⅱ與概率設(shè)計方法相似。水工作用效應S和結(jié)構(gòu)抗力S為隨機變量。根據(jù)預先設(shè)定的概率分布來估計概率分布。然后使用標準差和均值統(tǒng)計參數(shù)或表達式來計算線性規(guī)劃和處理。Ⅲ級全概率法，是一種基于所有隨機變量聯(lián)合分布的概率方法，可簡化復雜問題，但在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中很少使用。目前，在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法中，Ⅱ級概率的近似設(shè)計方法應用最為廣泛。

1.2、分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式

在目前的水工結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中，子系數(shù)極限狀態(tài)表達方法得到了廣泛的應用。在這種方法中，部分作用系數(shù)r和材料屬性y的部分系數(shù)的物理概念應該是清楚的，以便可以有效地反映可能的不確定性。這兩個子因素可能包含超載和退化等物理概念，但與結(jié)構(gòu)安全的關(guān)系較小。根據(jù)只作用于變異性的子系數(shù)的作用，為了確定材料屬性的子系數(shù)y，可以由材料試樣的變異性來確定。在水工結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計中，系數(shù)r主要表示各種結(jié)構(gòu)抗力的不確定性，以及材料性能的子因素，而不考慮其他因素。比如幾何尺寸的不確定性，試樣的電阻可以轉(zhuǎn)換成元件的電阻不確定度。

2、水工結(jié)構(gòu)目標可靠指標的確定

在水工結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計中，可靠性指標是設(shè)計的主要依據(jù)，與工程造價，后期使用維護等密切相關(guān)，反映投資的結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性風險，財產(chǎn)安全等等。因此，需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性指標。確定結(jié)構(gòu)性指標的可靠性，以及設(shè)計人員的設(shè)計可靠性水平意識，還要結(jié)合經(jīng)濟社會科學技術(shù)發(fā)展水平，把握整體的需要?，F(xiàn)階段確定水工結(jié)構(gòu)可靠指標的方法有三種：一種是經(jīng)濟優(yōu)化法，另一種是經(jīng)驗校準法，第三種是事故類比法。在確定目標可靠性指標時，應考慮工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計理論，確保新舊設(shè)計規(guī)范之間的銜接，防止材料過量造成的問題。

在設(shè)計過程中，事故類比和經(jīng)濟優(yōu)化方法難以應用。統(tǒng)一的標準可以根據(jù)可靠性的程度進行設(shè)計，可以采用經(jīng)驗校準的方法。經(jīng)驗校驗方法是預先檢查設(shè)計規(guī)范的安全性，通過反復計算，尋找原始設(shè)計規(guī)范中隱含的可靠指標，并通過分析調(diào)整給出基于概率的目標可靠性指標。基于設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合當前的設(shè)計規(guī)則，該方法可以把握設(shè)計的整體合理性，是一種有效的方法。

3、水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法應用中的障礙

3.1、變量不確定

在可靠性分析中，阻力，效應和極限狀態(tài)方程存在不確定性。不確定性是可靠性設(shè)計方法應用的頭號障礙。阻力和作用的不確定性等因素，其主要特征是模糊的，隨機的和無法識別的。另外，可靠性計算結(jié)果也受隨機樣本如材料性質(zhì)和阻力的影響?？煽啃栽O(shè)計中的許多基本問題尚未解決。例如，阻力和效應的統(tǒng)計特征仍然需要改進。

3.2、可靠度理論度量結(jié)構(gòu)安全局限性問題

水工結(jié)構(gòu)安全性評估，可靠性理論較為先進，但在應用上仍存在局限性?？煽啃岳碚摰囊恍﹩栴}尚未解決，如結(jié)構(gòu)可靠性約束，阻力效應，隨機過程作為隨機變量的一個因素。隨著認識的不斷深入，這些制約因素受到質(zhì)疑，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計如使用概率論和可靠性理論，阻力與載荷統(tǒng)計等都存在很大的問題。然而，從最短的設(shè)計規(guī)則來看，負荷的變化導致了概率可靠性理論的簡化，一定程度上忽略了社會因素和經(jīng)濟因素等理論因素。水工結(jié)構(gòu)荷載與作用效應的耦合作用比荷載具有更大的不確定性，而荷載和荷載不確定性之和難以估算。

運用可靠性理論在安全評價中，包括作用效應和阻力因素兩種效應，通過樣本統(tǒng)計的方法得到可靠指標的聯(lián)合概率。水工結(jié)構(gòu)安全評估中的認知指標和模糊指標是非隨機不確定性因素，不能用數(shù)學方法計算，應根據(jù)工程經(jīng)驗加以解決。目前，在許多復雜的結(jié)構(gòu)中，阻力效應參數(shù)的價值主要受模糊性和非認知性因素的影響。因此，在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要考慮可靠指標β的不確定性和隨機性，還要考慮安全系數(shù)不能代替不確定性。這個限制是可靠性設(shè)計方法應用的重要障礙。總之，在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了推廣應用結(jié)構(gòu)可靠度理論，可以采用極限狀態(tài)設(shè)計方法的概率。

結(jié)束語：

由于水工結(jié)構(gòu)日益復雜，人們認識事物的視角不斷變換，傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計和水工設(shè)計開發(fā)的結(jié)構(gòu)可靠性需求不能滿足要求。所以水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法正轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕试O(shè)計方法。

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