針對水工結(jié)構(gòu)在可靠度設(shè)計(jì)方面的研究

摘 要：隨著時代的發(fā)展，水工結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)發(fā)展得越來越好，人們有了更新的創(chuàng)意，不再拘泥于傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)，而是通過進(jìn)一步的創(chuàng)新來加強(qiáng)水工結(jié)構(gòu)的可靠度。對水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其可靠度也改變?yōu)榱藢Ω怕实脑O(shè)計(jì)。作者通過自己的切實(shí)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和自己的學(xué)習(xí)研究以及對參考文獻(xiàn)的參考，水工結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)有了新的方法和理念。

1 概述

貴州省作為我國西部水利工程重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)，所處的地理位置較為偏遠(yuǎn)，對水利工程的建設(shè)也比較困難，但是水利工程對于貴州地區(qū)的農(nóng)業(yè)以及水電方面又有著必不可缺的作用，所以，水利工程的可靠度顯得尤為重要。

對水利工程的可靠度設(shè)計(jì)，第一步就是要了解可靠度設(shè)計(jì)的具體理念和操作方法。

2 水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法

2.1 水工結(jié)構(gòu)可靠度理論

水工結(jié)構(gòu)可靠度理論是在原有安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其理論基礎(chǔ)是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)承受抗力與作用參數(shù)。因?yàn)槟壳暗乃そY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法的局限性較大，所以水工結(jié)構(gòu)可靠度理論所得出的數(shù)據(jù)一般被用作作隨機(jī)變量。

水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)理論可由兩方面來描述。一方面，在一般情況下，以極限方程來描述水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)理論，極限狀態(tài)方程為Z=g（R，S）=R-S，其組成為極限狀態(tài)由效應(yīng)和抗力。另一方面，以概率論來描述水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)理論，理論可分為：水準(zhǔn)Ⅰ、水準(zhǔn)Ⅱ、水準(zhǔn)Ⅲ。水準(zhǔn)Ⅰ半概率和半經(jīng)驗(yàn)方法，該方法無法進(jìn)行可靠概率計(jì)算。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全的影響因素，主要包括材料強(qiáng)度、荷載等，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。水準(zhǔn)Ⅱ近似概率設(shè)計(jì)方法，其水工作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力S為隨機(jī)變量，先按照之前預(yù)設(shè)的概率分布，估算可靠指標(biāo)或失效概率，再用標(biāo)準(zhǔn)差和均值統(tǒng)計(jì)參數(shù)或表達(dá)式、線性規(guī)劃處理。水準(zhǔn)Ⅲ全概率方法，是以全部隨機(jī)變量聯(lián)合分布為基礎(chǔ)的概率方法。雖然這種方法能將復(fù)雜問題變得簡單化，但是在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)中很少運(yùn)用這種方法。

2.2 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式

分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式方法在水工可靠度設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛。在運(yùn)用該方法時，為了有效地反映出可能存在的不確定性，應(yīng)該明確作用分項(xiàng)系數(shù)r與材料性能分項(xiàng)系數(shù)y的物理概念。兩個分項(xiàng)系數(shù)雖然可能含有降強(qiáng)、超載等物理概念，但是很少會影響到結(jié)構(gòu)安全。

作用分項(xiàng)系數(shù)r作用于變異性，根據(jù)材料試件的變異性來確定材料性能分項(xiàng)系數(shù)y。在水工結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)時，作用分項(xiàng)系數(shù)r主要代表各種結(jié)構(gòu)抗力中的不確定性和材料性能分項(xiàng)系數(shù)，不用考慮其他分項(xiàng)系數(shù)。根據(jù)《水利水電工程可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50199-94）的相關(guān)規(guī)定，水工結(jié)構(gòu)安全等級基礎(chǔ)為Ⅱ級結(jié)構(gòu)，水準(zhǔn)Ⅰ、水準(zhǔn)Ⅱ和水準(zhǔn)Ⅲ的結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為1.1、1.0、0.9。

3 水木結(jié)構(gòu)目標(biāo)中可靠指標(biāo)的確定

可靠度指標(biāo)在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)與生活中有許多重大的用處，在水木結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)中，可靠度指標(biāo)也是設(shè)計(jì)師們設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一，與許多現(xiàn)實(shí)因素有重大的關(guān)系。在水木建設(shè)常見的工程造價中，以及建設(shè)中各種大小型設(shè)備的使用和后期的維護(hù)中，可靠度指標(biāo)與它們的關(guān)系都密不可分，有著密切的關(guān)系。不僅如此，水木結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的確定還直接影響了投資風(fēng)險的大小、財(cái)產(chǎn)安全等各種經(jīng)濟(jì)因素，鑒于以上各種因素，所以無論是在哪種工程中。都要合理確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠指標(biāo)。結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定也與眾多的因素有著直接的關(guān)系。首先，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定與設(shè)計(jì)人員分不開。設(shè)計(jì)人員們對設(shè)計(jì)可靠度的認(rèn)識水平各不相同、參差不齊，會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定。其次，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定還與國家的經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展水平有著分不開的關(guān)系。正如政治學(xué)中所說的，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑。最后，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定與科技發(fā)展水平有著密不可分的關(guān)系，科技是第一生產(chǎn)力。鑒于以上三點(diǎn)要素，可以從中得知，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的確定需要從整體式進(jìn)行把握，切不可片面。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，用經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法、經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法、事故類比法來確定水工結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)并不是百發(fā)百中的。在實(shí)際的應(yīng)用中，比較困難使用的是第一種經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法和第三種事故類比法。因此，設(shè)計(jì)師們大多可按照第二種方法即經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法。這也是可靠度的設(shè)計(jì)的同一標(biāo)準(zhǔn)。

4 水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法應(yīng)用中的障礙

4.1 變量不確定

不確定因素即無法在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先知曉的因素，它們在可靠性設(shè)計(jì)方法中經(jīng)常會出現(xiàn)，并且往往是難以避免的，雖說偶爾的不確定因素會給我們的研究帶來了意外的驚喜，但同時，不確定因素也會給我們帶來很多失望和無奈，這會成為研究人員的大麻煩。如在對可靠度分析、抗力、作用效應(yīng)和極限狀態(tài)方程中，一些模糊的不確定因素會造成一系列的阻力和干擾。這些不確定因素發(fā)生時間和狀態(tài)是說不準(zhǔn)的，它們不是在每一次實(shí)驗(yàn)中都會出現(xiàn)，它的出現(xiàn)具有隨機(jī)性和偶然性，概率并不會很大。

4.2 可靠度理論度量結(jié)構(gòu)安全局限性問題

雖然說可靠度理論可以稱之為一種比較領(lǐng)先的理論，但當(dāng)它應(yīng)用于評價水工結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性時，難以避免地會出現(xiàn)局限性。可靠度理論在實(shí)際操作中，涌現(xiàn)了不少問題。但結(jié)構(gòu)可靠度約束問題、受抗力與作用效應(yīng)、隨機(jī)過程為隨機(jī)變量等因素所制約等問題隨著時間的遷移，科研人員的認(rèn)識水平不斷提高也出現(xiàn)了一些不認(rèn)同的聲音。在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程中，如果引入概率可靠度理論，抗力與荷載統(tǒng)計(jì)是不被認(rèn)可的。荷載變化會導(dǎo)致概率可靠度理論變得簡單化，會在一定程度上不把一些社會因素、經(jīng)濟(jì)因素納入考慮范圍，而這往往是很重要的理論因素，是不可以被忽略的，而它恰恰被忽略了，這是不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的。如果水工地下結(jié)構(gòu)荷載和作用效應(yīng)耦合了，耦合即是指兩個或兩個以上的電路元件或電網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象，那么就會出現(xiàn)比荷載更大的不確定性，所造成的構(gòu)件和荷載的不確定性的總和是無法計(jì)算出來的。

作用效應(yīng)和抗力因素是在對水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行是否足夠安全的評價時會采用的可靠度理論。可靠度指標(biāo)的獲得靠對一系列的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出，概率的得出往往也靠這種方法。而另外一些水工結(jié)構(gòu)安全評價中的指標(biāo)則比較麻煩，如認(rèn)知性、模糊性，它們無法以數(shù)學(xué)的運(yùn)算方式簡單計(jì)算出來，它們的獲得主要依靠科研人員的工程經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)今社會，不少相對復(fù)雜一些的水工結(jié)構(gòu)中，如果要確定對抗力和作用效力的參數(shù)的具體數(shù)值，一定從模糊性和未認(rèn)知性這兩方面進(jìn)行綜合考量。因此，我們得出，除了不確定因素中的隨機(jī)性可靠指標(biāo)β，我們在對水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，一定不要忘了對無法取代不確定因素的安全因素 K也進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。

5 結(jié)語

在我國當(dāng)前的社會中，經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，由此帶動了水利水電工程的發(fā)展。而另一方面，水利水電工程的逐漸增多，也使得它在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的基礎(chǔ)性作用。而水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)又是水利工程中的一項(xiàng)重要的內(nèi)容。綜上所述，水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)亟需引起設(shè)計(jì)單位和各部門的高度重視，以發(fā)揮其應(yīng)有的價值。

作者簡介

陳亞威（1994-），女，漢族，永嘉人，鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 專業(yè)：水利水電工程，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。