水工結構的現代設計計算理論與方法分析

錢祖權

【摘 要】 本文探討了結構設計理論的進展中的問題與水工結構的特征，依據真實度理論與市場經濟進展狀況，解析水工結構安全度牽涉的技能、社會、經濟與可延續進展方面的原因，覺得僅根據經歷辦法肯定指標安全度不足正當，而要在必須的設計基準期內，以危險解析為根基，指標安全度要思考繁多原因的辦法來肯定，顯示安全、經濟和危險的聯合。

【關鍵詞】 水工結構 ?現代設計 ?方法

結合以往水工結構可靠度原因是多方面的，其中一個重要的原因是設計方法復雜，許多參數的樣本很少，統計參數的隨機分布較難確定， 最終設計結果跟過去方法差不多，設計人員體會不到新方法帶來的好處。從理論上講，可靠度方法比過去單一安全系數的經驗方法科學和精確的多，但由于目標安全度主要根據“校準法”確定，目標安全度與過去方法的安全度差不多，所以設計的結果也差不多。

1 現代設計計算理論結構

結構可靠性理論源于本世紀20年代，但直到1969年美國的康耐爾（C.A.Conell）提出與失效概率相聯系的可靠指標作為衡量結構安全性的數量指標，才進入實用階段.1971年加拿大的林德（N.C.Lind）提出分離系數手段，所以將β和設計標準的安全系數關聯起來，促進了結構真實度理論的現實運用.在這根基上，國外規范化結構ISO于1986年公開宣布為國外規范ISO2394：1986《結構可靠性總原則》，這是批示項目結構設計標準依機率極點狀況設計法實行修編的一個國外基礎資料，ISO2394：1998是1998年發表的這一國外規范的最新版本，和1986年版對比，在國外上又有了新的進展的是機率極點狀況設計法。同一年美國國度規范局NBS揭曉了ANSI A-58《基于概率的荷載準則》;《結構安全要求總原則》是1981年德國規范化協會DIN建議的;BS 5400《鋼、混凝土和組合橋梁設計規范》是英國國度規范化協會于1982年揭曉的;《基于概率的結構設計荷載與安全導則》等是1987年丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典建筑準則委員會NKB揭曉的。現在，一條龍使用機率極點狀況設計法的歐洲項目結構設計聯合標準 （共9卷62冊）是由歐洲聯合體市場十八個國家參與構成的歐洲規范化委員會CEN正在擬定的，包含構造上的功能、混凝土構造、鋼構造、連合構造、木構造、砌體構造、根基和巖土項目、構造抗震和鋁合金構造等，由1992年起著手持續頒布。這套標準是依據ISO2394的準則擬定的，結束后將變為現代使用機率極點設計法的最完善的一套區域性國外規范。另外，這幾年來亞太區域正在編制的區域性構造設計規范也建議了要向歐洲合并規范接近。能望，機率極點狀況設計法通過十多年的近展已影響了近半個宇宙。

2 設計理論發展過程中存在的問題

（1）在文藝復興以前，不存在現代意義上的力學系統與設計理論，還不能有直接關聯的是建筑物的設計和力學，建設項目關鍵憑工匠（相等于當代的建筑師）私人閱歷與少許幾何常識，特別像一種才藝獨創。如金字塔前后相繼有幾十萬人動工，用幾十年構筑。用限定的幾何常識與足夠的實際閱歷建設起很多環行或者拱形建筑物是古羅馬人。這種構造只須樣式設計恰當，是能夠保證安全的，自然的穩固構造就是拱形構造。所以，設計理論沒有或是有很簡單的設計理論，只消有足夠的閱歷，使用恰當的構造樣式，具有相稱的安全系數，可以包住能夠呈現的不肯定愿因，能夠確保安全的就是構造。（2）也是一種理論模子的是相對先進或精確的理論，假設也是有的，和包括許多不肯定原因。設計人員發覺，通常有很大不一樣的是理論計算的應力與變形以及實踐觀測值。即便精確認識原料的特點，因為實踐構造應力特別繁雜，像殘存應力的鋼筋中、徐變與縮小的混泥土、下降的地基與施工工藝等都能夠引發構造的應力與變形以及理論展望的不一樣，現在很大一部分理論還不可以總結這些繁雜局面。當人們加入非線性、混沌、分形與分叉范圍后，發覺再好的理論也是相應的。

3 目標安全度確定方法

（1）體驗辦法肯定方向牢靠度存在下面問題，一是，比從前已有很大提升的是目前勘察、荷載展望與解析辦法，不肯定水準大為降低，方向安全度應當比從前下降。二是，所有建筑物應當有運用年齡，不但讓業主的加入增多，并且也增多了未來廢除的本錢，這是因為設立過高的安全度。跟著社會的發展與人們對環境完善的請求，已施展過功能但已落后的建筑物一定廢除。（2）從當代設計理論的進展趨向看，方向安全度理當根據風險解析的辦法肯定，生命和資產虧損的機率是風險，投資者對建筑物提議的運用年限與作用請求是風險解析的依據，在建筑物建立與保衛經費加入、建筑物安全度與一朝損壞釀成的虧損三者之間實行均衡解析后肯定，理當漸漸脫離體驗辦法，這樣才可以真實提升設計的定量化水準，到達安全和經濟的恰當均衡。（3）建筑物的風險≤社會與個別可以承受的風險：上式左邊能夠經過牢靠度理論與價值益處解析定量計算。方向風險是右邊，要把社會與人的信用水準和見解用風險的定量化表現出來，能夠經過專家體系與社會考查以及貝葉斯理論相聯合辦法肯定或把風險改變成貨幣化實行肯定。在實用風險解析肯定方向安全度暫時沒閱歷時，能夠使用校準法實行校核或者作為方向安全度的上限。

4 安全度建設辦法的評價

（1）因為荷載與質料物理力學參數的隨機性、設計辦法的不肯定、人為錯誤與動工漏洞等因素，水工構造需求必須的安全度是特別主要的，并且對于水工構造，除具有通常土木項目特征外，還有下面特證：1）重要荷載就是水荷載，隨機性相對大一點;2）大部分建在巖體上，牽涉到繁雜的項目地質問題;3）項目范圍大，對社會與人們生存影響大，人們對其安全度要求也更高;4）大體積混凝土較多，溫度應力比較突出。（2）在使用無限狀況設計法時，現在還生存著下面問題：1）對于繁雜構造，就算使用比較優秀的辦法，承載實力無限狀況并不簡單肯定。并且所說承載實力的無限狀況，公認、詳細的定義也缺少。2）分項系數比較多，安全裕度包括在各個系數之中。現在把這些系數看作是相互自立，而實踐上他們之間有必須的有關性，安全裕度有反復，讓設計偏向落后。3）目標可靠指標的確定目前多采用校準法，使安全度水平與舊規范相當。安全度水平向舊規范看齊，使新規范安全度水平又帶上了舊規范的痕跡。

5 結語

隨著科學技術水平的提高和市場經濟的發展，工程建設以業主為核心的體制逐漸加強，設計者必然要在有限的投入、建筑物的有限功能和使用年限基礎上進行安全和經濟的均衡設計，目標安全度也要向定量化和精確化發展，采用風險分析確定目標安全度是符合這一要求的。

參考文獻

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[3]E.J.亨利，可靠性工程與風險分析.呂應中等譯，北京：原子能出版社，1988年.endprint