結構可靠度在水工結構設計中的應用研究

柴揚

【摘要】隨著經濟社會的快速發展，水利水電工程逐步增多，在經濟社會發展中發揮了重要的基礎性作用。而水利工程，水工結構可靠性設計是需要引起設計單位高度重視的重要環節。

【關鍵詞】水工結構；可靠度；設計方法

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

1、水工結構可靠度設計方法

1.1、水工結構可靠度理論

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

1.2、分項系數極限狀態表達式

在目前的水工結構可靠性設計中，子系數極限狀態表達方法得到了廣泛的應用。在這種方法中，部分作用系數r和材料屬性y的部分系數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，但與結構安全的關系較小。根據只作用于變異性的子系數的作用，為了確定材料屬性的子系數y，可以由材料試樣的變異性來確定。在水工結構的可靠性設計中，系數r主要表示各種結構抗力的不確定性，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，試樣的電阻可以轉換成元件的電阻不確定度。

2、水工結構目標可靠指標的確定

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

在設計過程中，事故類比和經濟優化方法難以應用。統一的標準可以根據可靠性的程度進行設計，可以采用經驗校準的方法。經驗校驗方法是預先檢查設計規范的安全性，通過反復計算，尋找原始設計規范中隱含的可靠指標，并通過分析調整給出基于概率的目標可靠性指標。基于設計經驗，結合當前的設計規則，該方法可以把握設計的整體合理性，是一種有效的方法。

3、水工結構可靠度設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，效應和極限狀態方程存在不確定性。不確定性是可靠性設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，可靠性計算結果也受隨機樣本如材料性質和阻力的影響。可靠性設計中的許多基本問題尚未解決。例如，阻力和效應的統計特征仍然需要改進。

3.2、可靠度理論度量結構安全局限性問題

水工結構安全性評估，可靠性理論較為先進，但在應用上仍存在局限性。可靠性理論的一些問題尚未解決，如結構可靠性約束，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疑，大數據統計如使用概率論和可靠性理論，阻力與載荷統計等都存在很大的問題。然而，從最短的設計規則來看，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濟因素等理論因素。水工結構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，通過樣本統計的方法得到可靠指標的聯合概率。水工結構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，不能用數學方法計算，應根據工程經驗加以解決。目前，在許多復雜的結構中，阻力效應參數的價值主要受模糊性和非認知性因素的影響。因此，在水工結構設計中，不僅要考慮可靠指標β的不確定性和隨機性，還要考慮安全系數不能代替不確定性。這個限制是可靠性設計方法應用的重要障礙。總之，在水工結構設計中，為了推廣應用結構可靠度理論，可以采用極限狀態設計方法的概率。

結束語：

由于水工結構日益復雜，人們認識事物的視角不斷變換，傳統的水工結構設計和水工設計開發的結構可靠性需求不能滿足要求。所以水工結構可靠度設計方法正轉變為概率設計方法。

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