淺談結構可靠度在水工結構設計中的運用

況建國

摘要：結構可靠度理論是目前水工結構設計中普遍采用的數理基礎，它適應了水工結構自身的復雜性特征，為水工結構的結構質量和結構水平提供了科學的量化手段。本文著眼于水工結構當下的理論依據，通過對研究設計情況的結構，來探討不同的可靠度設計方法在水工結構中的具體應用。

關鍵詞：結構可靠度 水工結構設計 道路設計

引言：由于道路自主設計和設計結構科學精確度的嚴格要求，相關單位對于各類不穩定的變動結構因子的把控更加嚴格，可靠度理論范圍被應用化擴大到水工結構設計的各個方面。安全系數方法和概率計算法是水工結構設計兩種最常用的設計方法，由于現階段水工結構設計復雜性、特殊性及不穩定性特征的凸顯，結構設計人員應由傳統的安全系數方法向概率計算法轉變，不斷完善和加強可靠度的理論及實際概率數據的統計和計算，提高水工工程結構的質量和其水平的高穩定性。

一、可靠度設計在水工結構中的功能概述

（一）可靠度設計在水工結構中的重要性。可靠度設計對水工結構在工程結構架構的穩定性、整體的安全性有決定性的維持作用。從經濟角度出發，工程總耗資中水工結構的投入系數比重較大，水工結構設計出現偏差，很可能會導致工程工期延長，建設方經濟負擔加重，工程停擺;從工程本身出發，它不但會威脅到施工單位人員的人身安全和日后的公共安全，而且會加大水工結構更新的設計難度，對施工周邊范圍的自然生態造成二次或多次損害，對后續的設備調控部署產生重大影響。因而要求，施工設計單位從上到下貫徹落實檢驗水工結構可靠度方式方法，包括水工結構的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構合理性、水地邊界條件及計算模型等，將動態因素設為隨機變量，以數理方式地推算不定因素對整體施工完工質量的影響，用科學嚴謹的態度為完善和優化總體效果提供最基本的理論指導。

（二）可靠度設計方法在水工結構中的意義。可靠度的基礎數理理論在當下工科課程中，已經成長為一門理論與應用并重的學科，水工結構的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構合理性、水地邊界等多個不定因素，對水工結構自身的耐適性、安全性及后續可發展性產生不良影響，需利用安全系數法或概率統計法將它們數據直觀化，方便施工人員對相關的部門單位進行檢測或設計規避。

（三）可靠度設計數據在水工結構的現狀。從當前可靠性的數據應用情況來看，數據采集及整理應用效率與全國整體的水工結構工程數量相比較低下，使水工結構可靠度分析缺乏廣譜的樣本內容，呈現出區域的局限性，無法在全國推廣應用集成工作，因此建立全國性質水工結構數據村存儲總庫和地方分庫，能為日后全國乃至地方的水工結構可靠度不定因素參考提供較為全面和切實的理論資料基礎，通過概率統計法可按可能性大小排列出水工結構可靠度設計指數，能夠有效規避水工結構中的明顯設計缺陷，有利于集合結構可靠度目標及局部細節規整。但由于水工結構不定因子日漸復合化，相關工作人員也應將工作重點放水工結構的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構合理性、水地邊界條件等因子的判斷，并在概率計算法上不斷優化組合，爭取形成以部位聯系整體的可靠新形勢。我國目前水工結構可靠度設計仍處在對單個構件或關鍵部位的單向階段，對整體可靠度的分析還停留在初始的階段，需要建構各結構可靠度標準及計算方式進行系統的數據管理。

二、水工結構可靠度具體結構的設計

從經濟投資回報、公共資源、公共安全效益、地區資源生態保護、社會人文建造價值利益等方面綜合考量，對水工結構可靠度的設計方法模式進行地區性式篩選和地區性淘汰，從現實出發，因地制宜。

（一）解析水工結構可靠度計算模型

1.構建水工結構極限狀態表達式。在水工結構可靠度設計中，把多個不同累動因子列成多項式，根據影響大小設置分項系數，這樣一套的分項表達式，在數理上描述結構中存在的累動因素對水工結構的影響。在使用此種方式時，應交錯明確變異性水工結構不同的可靠度分項系數，水工結構的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構合理性、水地邊界條件都應該協同進行數據參數設置，以更好地對水工結構不穩定因素進行判斷。2.設立量化的可靠指標。在解析水工結構可靠度計算模型構建的階段中，相關部門施工測算人員還應建立明確的量化指標。舉例，工程目標可靠指標要同工程維修維護成本、投資風險、工程周期排布、施工測算環境生態補償金等現實量化指標相結合，從現實意義的角度反映出水工結構可靠度設計的經濟投資回報效益，地區分布經濟效益、地區資源生態及安全效益，還應結合經驗校準法、經濟優化法及事故類比法能夠聯系附近水工結構設計規范，量化明確可靠指標。3.試算水工結構可靠度。以抽樣法、一次二階矩法、高次高階矩、遺傳算法等測算方式對水工結構內部可靠性進行系統功能系數測算。可靠度設計遺傳測算法能夠在水工結構種群個體中表現為遺傳操作，對相似種群個體結構進行水平統一的數測調整，以極限方式最大地優化排除該類別種群中不穩定的累動因子，促使結構可靠度達到計劃理論最優解。

（二）結構可靠度的現實原因架構

可靠度理論在水工設計的不定因素排除分析、概率模型建構等方面存在其理論和現實的局限性，在與水利工程結構相關的單位及施工部門沒有得到人手及人員的配備，也就相應阻礙了提升水工結構現實結構的整體可能性，如工程鋼閘門、土石壩、水電站廠房等西北荒漠地區，落后于沿海江浙地區的實際水工結構設計的理論總體水平。水工結構可靠度設計結構抗力荷載效應進行了系統研究，并采用校核法及其他研究方式對結構進行可靠度設計。

結束語：由于現階段水工結構設計復雜性、特殊性及不穩定性特征的地區局面的差異性大，結構設計人員要不斷完善和加強可靠度的理論及實際概率數據的統計和計算，提高水工工程結構的質量和其水平的高穩定性。