工程結構可靠度理論發(fā)展綜述

摘要：簡單總結了結構可靠度理論的發(fā)展過程以及幾種結構可靠度主要的研究方法，并針對性地對各個方法的優(yōu)缺點進行對比總結，從而進一步闡述結構可靠度理論未來在工程實踐中的發(fā)展趨勢和重要作用。

關鍵詞：結構可靠度理論；研究方法；綜述；

A summary of the Development of Reliability Theory for Engineering Structural Design

（author： Ren Hong. Unit： College of water conservancy and environment， Zhengzhou University. Major： Water Conservancy and hydropower engineering. Zip code： 450000）

Abstract： The development of reliability theory and several kinds of research methods of reliability theory are summarized briefly， and the advantages and the disadvantages of each method are compared definitely. As a result， the trend and the importance of the development of the reliability theory in the engi

neering is illustrated in development.

Keywords： reliability structural theory；research method； summary

一、結構可靠度理論的由來

由鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建筑材料建造的工業(yè)與民用建筑的承重結構，公路和鐵路的橋梁、涵洞，水利工程的堤壩、水閘，港口工程的碼頭，海洋采油平臺，給水排水構筑物的水池、管道等，統(tǒng)稱為工程結構。在長期施工和使用過程中，不僅需要承受各種可能出現(xiàn)的荷載作用還要承受設計狀況中允許出現(xiàn)的偶然荷載的作用（如地震）。在結構規(guī)劃、設計、施工和使用過程中不可避免的各種誤差，以及結構材料性能和荷載本身所固有的不確定性使結構可靠只具有統(tǒng)計或概率意義。結構設計規(guī)范要求所涉及的結構在設計基準期內，力求在經(jīng)濟合理的前提下滿足下列各項功能要求：（1）能承受在施工和使用期內可能出現(xiàn)的各種作用；（2）在正常使用是具有良好的工作性能；（3）具有足夠的耐久性；（4）在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，能保持必要的整體穩(wěn)定性。其中（1）、（4）項屬于結構的安全性；（2）項屬于結構的適用性；（3）項屬于結構的耐久性，這三者統(tǒng)稱為結構的可靠性[1]。而可靠度則是衡量結構的可靠性的指標。工程結構在施工建造及使用過程中，需要承受設備、人群、車輛等荷載的作用以及風、雨、雪等自然環(huán)境的作用；同時，工程結構還有建造費用高和使用周期長的特點。因此，工程結構應要求具有一定的可靠性，才能保證結構在規(guī)定的使用期內能夠滿足設計要求的各項使用功能。

二、結構可靠度分析方法綜述

在實際工程中，結構的功能函數(shù)往往為非線性，大多數(shù)隨機變量不服從正態(tài)分布或者對數(shù)正態(tài)分布，同時也不一定互相獨立，功能函數(shù)一般也不服從正態(tài)分布，因而不能直接計算可靠指標，這是需研究結構可靠指標計算的一些近似方法。

（1）中心點法

在實際工程中，有些變量的概率分布很難確定，但它的均值和方差一般較易得到，在這種情況下可以用中心點法去近似求解結構的可靠指標。該法首先將結構功能函數(shù)在隨機變量的平均值（中心點）處用泰勒級數(shù)展開并取線性項，然后近似計算功能函數(shù)的平均值和標準差。可靠指標直接用功能函數(shù)的平均值和標準差之比表示。該法最大的特點是計算簡單，但不能考慮隨機變量的實際分布，只取用隨機變量的一階矩（均值）和二階矩（方差），因此計算結果比較粗糙。且將非線性功能函數(shù)在平均值處展開不合理，由于隨機變量的平均值不在極限狀態(tài)曲面上，展開后的線性極限狀態(tài)平面可能會較大程度地偏離原來的極限狀態(tài)曲面。

（2）驗算點法（JC法）

驗算點法[1]克服了中心點法的不足，能考慮隨機變量的實際分布類型，并通過“當量正態(tài)化”途徑，把非正態(tài)變量當量化為正態(tài)變量。此外，驗算點法的線性化點不是選在平均值處，而是選在失效邊界上，并且該線性化點（設計驗算點）是與結構最大可能是小概率相對應的。可以考慮兩個正態(tài)隨機變量的情況、多個正態(tài)隨機變量的情況以及非正態(tài)隨機變量的情況。

（3）蒙特卡羅法

蒙特卡洛方法[2]是結構可靠度分析的基本方法之一，又稱統(tǒng)計實驗方法或隨機模擬方法，是隨著電子計算機的發(fā)展逐步發(fā)展起來的一種獨特數(shù)值計算方法，在目前的結構可靠度分析方法中，它被認為是一種相對精確的方法。蒙特卡洛法的基本思路是先對影響結構可靠度的隨即便來那個進行大量的隨機抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入結構功能函數(shù)式，確定結構失效與否，最后從中求得結構的失效概率。該法回避了結構可靠度分析中的數(shù)學困難，不需要考慮極限狀態(tài)曲面的復雜性，但是計算量大，且需要占用大量時間，需要借助于計算機才能完成。

三、工程結構可靠度理論發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，結構可靠度理論已經(jīng)深入發(fā)展到工程結構分析的各個領域當中，例如，依據(jù)工程結構可靠度理論對結構進行正常使用極限狀態(tài)分析，對結構構件進行力學分析，配置鋼筋等。此外，在工程實踐中還可以依據(jù)結構可靠度理論對結構進行動力分析、疲勞可靠性分析、已有結構的可靠性評估、耐久性可靠度等問題的研究。結構可靠度分析在工程實際中也占據(jù)著越來越重要的地位，而隨著計算機技術的發(fā)展對研究方法的改進也使其發(fā)揮著越來越大的作用。

四、結語：

結構可靠度分析在工程建設中的規(guī)劃、設計、施工各個階段中的作用日益突出，工程結構的安全可靠與否，不但影響著社會生產(chǎn)實踐，而且還關系到人民的生命和財產(chǎn)安全。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，結構可靠度理論日益完善，結構可靠度分析方法也不斷取得進步和發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的方法有著很大的科學性和優(yōu)越性，還需隨著科學技術理論不斷深入的研究不斷改進，以將理論更好的應用到工程實踐中去。

參考文獻：

[1]李清富.高健磊.樂金朝.李宗坤：工程結構可靠性原理[M].鄭州：黃河水利出版社，1999.5

[2]王墩.阿肯江？托乎提：工程結構設計可靠度理論綜述[J].烏魯木齊：工業(yè)建筑，2008.6

作者簡介：

任洪，（1996.02.17-），女，漢族，黑龍江省伊春市人；職稱：學生；單位：鄭州大學水利與環(huán)境學院；專業(yè)：水利水工程.