水工結構可靠度設計方法探究

游來鳳

【摘要】隨著水工結構的復雜性不斷增加，傳統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下的設計方法。本文主要是基于已有的研究和實踐工作經驗，系統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

傳統水工結構設計方法并沒有考慮隨機性因素，大多數采用單一的安全系數方法，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，解決結構的剛度、強度、穩定性等問題。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展方向。目前，水工結構設計主要采用極限狀態的設計方法，該方法以概率理論為基礎，將結構承受的抗力、作用力等參數作為隨機變量處理。結構極限狀態可以通過結構極限狀態方程來表示，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展為三個水準。水準Ⅰ是一種半經驗、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，應用數理統計方法對其分析；并在此期間引入經驗數據，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分項系數極限狀態表達式

分項系數極限狀態表達式在水工結構可靠度設計中得到了廣泛的應用。分項系數極限表達式在應用之前，應明確材料性能分項系數m和作用分項系數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m的取值，作用本身的變異性決定了系數F的取值。另外，水工結構系數d表示了結構抗力的不確定性，同時充分體現了除m、F外的其他分項系數。由此可以得出分項系數極限狀態的表達式為：

由此可以得出，水工結構可靠性系數與構建密切相關，水工結構的可靠性指標由水工結構的安全等級確定。據相關標準規定，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，這些因素充分體現了結構安全性與經濟性之間的平衡，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了工程設計的可靠性，還充分體現了國家經濟和科學技術的發展，全面考慮了國家綜合性技術經濟問題。選擇可靠性指標一般包括三種方法，事故類比法、經濟優化法和經驗校準法。在實際應用中，事故類比法和經濟優化法的方法不常用，一般主要采用經驗校準法確定可靠性指標。即校核現行設計規范的安全度，通過反演計算，尋找規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，該方法在體現原有設計規范規定的可靠水準度的基礎上，也充分體現了實踐經驗的積累。

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、分項系數極限狀態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、隸屬函數等方法定義主觀概率密度分布函數，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計的客觀概率密度函數，依據概率理論進行求解。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為隨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據分析，統計荷載與抗力，兩者均存在大量的問題。另外，在規范安全度度量時，應充分考慮、預測未來荷載出現的變化。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、經濟、政治環境等。

3、總結

概率極限狀態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據統計分析工作，尤其是對設計工作中積累的資料進行有效的統計分析。另外，對建設工程項目的原型數據資料、已有的實驗研究成果進行收集、統計分析。由此可見，做好概率統計分析工作對水工結構可靠度設計具有重要的作用。

參考文獻：

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