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系统可靠度及其在桥梁工程中的应用前景

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Abstract: T he application and development of structural reliability theor y is now tur ning fro m compo nent level to system lev el T his paper rev iews the representative methods in search for failure modes, including incr emental method, branch and bound technique, unzipping method, etc T he paper also presents the estimation methods of system reliability and the role of system r eliability in ev aluation o f ex isting br idg e and br idge management system Key words: Failure mode; System r eliability; Br idge
0 引言 结构构件可靠度理论已比较成熟和实用 , 并反映 在不少结构设计规范中。英国 BS5400 ( British St an dards Inst itution 1978, 1984) 桥梁规范是较早采用以 可靠度为基础的极限状态设计法的规范之一 ; M andel ( 1998) 指出美国 AASHT O L RFD 桥梁规范 ( AASH T O 1994) 从 1998 年起将 全面取代原来的公路桥梁 标准设计规范 ( AASH T O 1992) ; 中国交通部正在积 极编制 公路工程结构可靠度设计统一的标准 , 开 展了与统一标准相关的 公路桥梁可靠度研究 等课 题。结构的构件可靠度固然重要, 然而由构件组成的 结构系 统 可 靠 度 也同 样 重 要。 H ead ( 1991) 针 对 BS5400 规范存在的问题 , 指出应从公路网这个大系 统研究桥梁的系统可靠度 , 认为从系统的角度 ( 包括 环境 ) 设计和评价桥梁, 将是下一个前沿课题。而事
System Reliability and Its Application Prospects in Bridge Engineering
D U Jin sheng, QI N Quan , L I U Xi la ( T singhua U niversity, Beijing 100084, China)
n i- 1 n
最小但
的失效单元为次级失效单元, 依次计算。最
后利用结构的刚度矩阵的行列式是否为零, 判断是否 成为机构 , 从而获得第一代表机构 ( 失效模式) 。 第一失效树的产生: 更换第一代表机构最后阶段 的失效单元 , 如 果更换失效单元后的结 构也成为机 构, 则得到另一个主要分枝; 如果不成为机构, 则继 续搜索, 直至成为机构。第一代表机构及其主要分枝 称之为第一失效树。 第二失效树的产生: 变换第一代表机构的初始失 效单元, 按照生成第一代表机构的原理生成第二代表 机构 , 并在最后阶段进行分枝 , 从而得到第二代表机 构及其主要分枝 , 称之为第二失效树。由于任何机构 都与失效单元的次序无关 , 因此, 当再次选择初始失 效单元时 , 应剔除第一代表机构中除最后一个失效单 元外的所有其它失效单元 , 然后从余留的单元中选择 具有 < av 的可能失效单元作为新的初始失效单元。 该方法仅在第一代表机构的初始阶段和最后阶段进行 分枝。 Ranganat han 通过 4 个算例 , 对比了用上述方法 找到 的 主 要 失 效 模 式 和 其 它 学 者 ( Ma and Ang, M urotsu) 找到的 主要失 效模式 , 结果 表明 , M a 和 Ang, 或 Murot su 找到的主要失效模式 , 上述方法均 能找到 , 并且还 找到一些别人未找到的 次要失效模 式, 大多数情况下, 仅用第一失效树 ( 第一代表机构 及其主要分枝) 来估计结构系统的失效概率已相当满 意, 并认为该方法简单, 效率高, 耗费时机少。 1 2 结构系统可靠度的估算方法 结构系统可靠度估算方法分为两类 , 一类是区间 估计法, 另一类是点估计法。 1) 区间估计法给出的是有上下界限的结构系统 可靠度的可能取值范围, 点估计法给出的是结构系统 可靠度的某一定量值。 ( 1) Cornell ( 1967) 简单界限理论 这是最早提出的界限理论 , 它仅利用了失效模式 失效概率本身的信息 , 没有考虑失效模式间相关特性 的影响。设共有 n 个失效模式 , 第 i 个失效模式的 失效概率为 P f i , 系统失效概率为 P f , 则简单界限理 论给出的系统失效概率上下界为
和 和
取值 分别
表示 ) 所对应的可能失效单元为初
系统可靠度及其在桥梁工程中的应用前景
杜进生等
始失效单元, 而后对结构进行重分析, 计算出本阶段 未失效单元的 , 选择这一阶段可靠度指标 大于
0
( 2) Dit levsen ( 1979) 界限理论 通过 考 虑 两 两 失 效 模 式 间 相 关 性 的 影 响, Dit levsen 提出二阶限界理论, 设第 i 个失效模式和第 j 个失效模式同时发生的概率为 P ij 则
Vol 16
No 4
公
路
交
通
科
技
1999 年 12 月
JOU RNAL OF HI GHW AY AN D T RAN SPORT AT ION RESEARCH AN D DEVELO PM EN T
系统可靠度及其在桥梁工程中的应用前景
杜进生, 秦 权, 刘西拉
100084) ( 清华大学 , 北京
摘要 : 结构可靠度理论的发展和应用 , 正逐步由结构构件转向结构系统 , 本文介绍了系统可靠度中寻找 显著失效模 式 的方 法 , 包括 荷载增量法 、 分枝限界法 、 分解法等 , 以及估算结构系统可靠度 的区间估 计法和点估 计法 。 综述了 系 统可靠度在桥梁方案比选 、 既有桥梁的评价及桥梁管理系统等方面的应用 。 关键词 : 失效模式 ; 系统可靠度 ; 桥梁
作者简介 : 杜进生 ( 1966- ) , 男 , 甘肃靖远人 , 清华大学工程师 , 博士研究生 .
公路交通科技
1999 年
第4期
寻找失效模式的方法总体上可分为确定性搜寻法 和概率搜寻法 ( Kam 1995) 。 1 1 1 确定性搜寻方法 确定性搜寻方法中, 结构性质和荷载等被认为是 确定的而非随机的。通过逐步加载进行非线性有限元 分析 , 构件依一定的次序失效 , 直至结构系统倒塌或 变形过大。Kam ( 1995) 介绍了海洋平台采用较多的 RSR ( Reserve Strengt h Rat io) 法。 RSR 法中构件的 失效次序是根据构件强度的利用率来决定的 , 利用率 是指单位荷载作用下构件的应力 与构件的容许应 力 [ ] 的 比值。首 先加 载至 利用率 最大 的构 件失 效, 而后增加荷载并对结构进行重分析 , 取此阶段利 用率最大的构件失效 , 直至结构形成机构。依次失效 的构件构成一个失效路径 , 而当结构形成机构则称之 为形成一个失效模式。 Moses ( 1982) 提出荷载增量 法, 该法在决定构件的失效次序时 , 一级构件的失效 与 RSR 法相似 , 也是根据构件强度的利用率最大来 决定的, 而次级构件的失效则是根据该构件强度的利 用率变化量大小来决定的。当荷载简单时, 荷载增量 法一般能找到主要失效模式; 但当荷载复杂时, 由于 给定荷载本身存着人为因素, 不易反应荷载作用的随 机性 , 因此不能准确获得结构的主要失效模式。 1 1 2 概率搜索方法 概率搜索方法的基本特征是以失效概率的大小为 准则寻找失效路径。 ( 1) 领 先 概 率法 ( Leading Probability M et hod, Kam 1995) 和 分 解法 ( Unzipping M et hod, T hoft Christ sen and M urotsu, 1986) 领先概率法和 分解法共同之处是均以选择可 靠度指标 小的单元 ( 构件 ) 为失效单元。在每一分 枝点 ( branch point , 指在该处选择失效单元 ) , 首先 计算所有未失效单元的可靠度指标 , 领先概率法仅 在分枝点选取可靠度指标最小的单元为失效单元 , 进 行下一步搜索, 即 = 此称为领先概率法。而
0
因
分解法则选取可靠度指标
位于 ( min , min + ) 之间的所有单元为失效单元 分别进行搜索, 为预先给定的值。 上述搜索方法均可在规定的搜索宽度 ( widt h of search) 和搜索深 度 ( dept h of search) 内进 行搜索, 搜索宽度指在每一分枝点上所要考虑的最大失效单元 数, 而搜索深度则指一条失效路径所包含的最大失效 单元数, 当搜索达到规定的搜索深度时意味着结构系 统失效。因此搜索深度 层次 2, 层
收稿日期 : 1999 01 14 基金项目 : 攀登计划 B 资助课题
实上 , AASHT O L RFD 桥 梁 规范 从某 种程 度上 说, 是一个考虑了系统可靠度的桥梁规范, 因为它特别强 调了赘余度和延性对桥梁的重要性 ( M ert z 1996) 。 1 结构系统可靠度 结构系统的失效是由于结构构件的逐步失效而引 起的 , 经验表明 , 构件的不同失效次序以及由此构成 的不同失效模式对结构系统可靠度的 预测是有影响 的。理论上可以通过搜索所有可能的失效模式而将结 构系统表示为一个由并联子系统而串联起来的可靠度 分析模型 , 而每个并联子系统对应一种失效模式。然 而对于实际结构 , 这种全部列出彻底计算的方法 , 计 算量太大。现今可接受的方法是采用一些特殊的搜索 方法来寻找显著失效模式 , 而后根据显著失效模式及 其相关性估算结构系统可靠度。 1 1 寻找失效模式的方法

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可靠度理论在铁路桥梁中的应用

可靠度理论在铁路桥梁中的应用

可靠度理论在铁路桥梁中的应用摘要：鉴于铁路桥梁结构设计由长期沿用的“容许应力法”向“概率极限状态设计法”转变已经势在必行且迫在眉睫，本文将着重阐述结构可靠度理论在铁路桥梁设计中应用方面。

首先，介绍了结构可靠度的基本概念与原理，包括可靠性、可靠度、失效概率、可靠指标等；其次，阐述了几种可靠度计算分析的常用方法，包括一次二阶矩法、蒙特卡罗法、高次高阶矩法等；最后，重点叙述了可靠度理论在铁路桥梁构件抗弯承载力方面和铁路桥梁疲劳方面的应用，供有关设计及技术人员参考。

关键词：结构可靠度；铁路桥梁；极限状态；疲劳0引言近年来随着自然科学与工程技术的发展，世界各国铁路工程朝高速铁路方向大力发展。

1964年，全长515.4km日本新干线开通运营，210km/h的时速开启了世界高速铁路的新时代。

随后的几十年中，德国、法国、意大利等国家也相继对高速铁路展开试验研究，并取得了丰硕的成果。

我国对高速铁路的研究起步较晚，秦沈客运专线的建成标志着国内高速铁路时代的到来。

2008年，时速高达350 km/h的京津城际高速铁路正是运营；2009年，世界上一次建成、里程最长的武广客运专线，时速最高350 km/h；2012年，世界上第一条地处严寒地区的哈大高铁通车。

截止2013年底，我国高速铁路已开通11152公里，“四纵四横”主骨架中的京沪、京广、哈大、东南沿海、沪汉蓉、晚海-郑宝路段等线路均已开通。

目前，国内高铁建设正处于高速发展的态势。

国内外高速铁路的飞速变革促使着铁路工程的设计向着更加精细化的方向发展。

欧洲规范EN 1990:2002（含铁路桥梁设计）已经用了极限状态设计体系；美国建筑规范和公路桥规也已釆用了极限状态设计体系，而美国铁路混凝土桥梁则是依据其铁路工程师协会手册AREMA中的荷载设计法和荷载系数设计法而设计的。

我国铁路钢筋混凝或预应力混凝土桥梁仍以容许应力法进行设计，而公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵早在2004年部颁的公路桥规（D60-2004系列）中已经转变为极限状态设计法。

桥梁设计中的安全性与可靠性研究探讨

桥梁设计中的安全性与可靠性研究探讨

桥梁设计中的安全性与可靠性研究探讨桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其安全性与可靠性直接关系到人们的生命财产安全和交通运输的正常运行。

随着社会经济的发展和科技的进步，桥梁的设计理念和技术不断更新，但安全性与可靠性始终是桥梁设计的核心关注点。

一、桥梁设计中安全性与可靠性的重要性桥梁的安全性是指桥梁在正常使用和极端情况下，能够承受各种荷载而不发生倒塌、断裂等严重事故的能力。

可靠性则是指桥梁在规定的时间和条件下，完成预定功能的概率。

一座安全可靠的桥梁不仅能够保障行人和车辆的通行安全，还能够减少维修和维护成本，延长使用寿命，提高交通运输效率。

从社会层面来看，桥梁的安全性与可靠性直接关系到公众的生命财产安全。

一旦桥梁发生事故，往往会造成巨大的人员伤亡和财产损失，对社会稳定和经济发展产生严重影响。

例如，一些重大桥梁坍塌事故不仅导致了大量人员伤亡，还引发了公众对桥梁建设质量和安全管理的质疑，给社会带来了极大的负面影响。

从经济层面来看，安全可靠的桥梁能够降低运输成本，提高运输效率，促进区域经济的发展。

如果桥梁频繁出现故障或需要进行大规模维修，将会导致交通中断，增加运输时间和成本，影响企业的生产和经营活动。

二、影响桥梁安全性与可靠性的因素（一）设计荷载设计荷载是桥梁设计的重要依据，包括恒载、活载、风载、地震荷载等。

如果设计荷载取值不合理，可能导致桥梁在实际使用中无法承受相应的荷载，从而影响其安全性和可靠性。

例如，在一些地区，由于对交通流量和车辆荷载的预测不准确，导致桥梁在建成后不久就出现了超载现象，加速了桥梁的损坏。

（二）结构设计桥梁的结构设计直接影响其受力性能和稳定性。

不合理的结构形式、构件尺寸和连接方式等都可能导致桥梁在使用过程中出现裂缝、变形甚至倒塌。

例如，一些连续梁桥由于支座设计不合理，导致梁体受力不均，出现了裂缝和下挠等问题。

（三）施工质量施工质量是保证桥梁安全性和可靠性的关键环节。

施工过程中的材料质量、施工工艺、施工管理等都会对桥梁的质量产生影响。

浅谈可靠度在桥梁结构优化设计中的应用

浅谈可靠度在桥梁结构优化设计中的应用

上产 生的钢 筋应 力 ０ 、 ＂ 挠度 都 较对 应 的整浇梁 构 件大 得多 。 １
，
混凝土增加截面加 固法工艺简单 适用 面广 ， 用于一般梁 、 可 叠合构件的中和轴上移 ， 使受压区部分变为 Ｍ２ 受力 过程 中的受 板 柱 、 墙等混凝土结构 的加 固。从 以往 的工程实践来 看 ， 只要 严 拉 区， 于是原受压区 的压力对叠合构件 的作用相 当于预应力 构件 格按 照规范进行设计与施工 都能取得 良好的效果 。随着 时间的
浅 谈 可靠 度 在 桥 梁 结构 优 化 设 计 中 的应 用
鹏 飞
摘 要 ： 阐述 了结构可 靠度 的基本概 念， 绍 了基于可靠度的桥梁结构优 化设计的一般方法 ， 出了结构可靠度分析 与 介 提 计算的一般 思路 ， 并结合实例论述 可靠度在桥梁结构设计 中的应用 。 关键词 ： 可靠度 ， 桥梁结构 ， 结构优 化设 计
义… 为 ：工程结构在规定 的时间内和规定条件 下 ， １ “ 完成 预定功 能 ２ １ 选择 优化 设计 参数 ． 的概率 ” 规定的时间” 。“ 是指分析结构可靠度 时考虑各项 基本变 桥梁结构是 由单个 的构 件组 成的 ， 在工作时是作为一个整 但
量与时间关 系所取用 的时 间参 数 ， 即设计 基准 期 ；规定 的条 件” 体。而 目前对于桥梁 的结构优 化设 计 ， “ 多数还停 留在单 个结构 。 是指结构设计 时所 确定 的正 常设 计、 正常 施工 和 正常 使用 的条 单个结构独立优化组合之后 ， 整体结 构就不一定是 优化的 了。这 能承受在 正常施工 和正常使用期 间可能 出现的各种作用 （ 荷载 ） 系 ， ； 改变 了单个构件 的原有性质。因此 ， 桥梁结构优化设计应该从
寸、 材料 、 加荷方式均 与相 同的整浇 梁相 比叠合构 件 的叠 合层 是 力钢筋间 的净距不应小 于 ２ Ｉ ， ０１Ｉ 并采 用短 筋焊接 连接 ， Ｔｎ 箍筋应
桥梁设计中的结构安全性与可靠性分析

桥梁设计中的结构安全性与可靠性分析

桥梁设计中的结构安全性与可靠性分析桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承载着人员和货物的运输重任。

其结构的安全性与可靠性是设计过程中至关重要的考量因素。

一座安全可靠的桥梁不仅能够保障交通的顺畅运行，还能保护人们的生命财产安全。

一、桥梁结构安全性与可靠性的内涵桥梁结构的安全性，指的是桥梁在正常使用和预期的荷载作用下，能够保持其结构的完整性和稳定性，不发生倒塌、断裂等严重的安全事故。

可靠性则更侧重于桥梁在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功能的能力。

这包括桥梁在各种环境因素、使用条件和维护水平下，都能保持良好的工作状态。

例如，一座设计合理的公路桥梁，应当能够承受车辆的频繁通行、气候的变化以及可能的地震等自然灾害的影响，而不会出现危及行车安全的结构问题。

二、影响桥梁结构安全性与可靠性的因素1、荷载因素荷载是桥梁设计中必须考虑的关键因素。

包括恒载（如桥梁自身的重量）、活载（如车辆荷载、人群荷载）以及偶然荷载（如地震、风灾、洪水等）。

如果在设计时对荷载估计不足，或者没有充分考虑到极端荷载情况，就可能导致桥梁在使用过程中出现结构安全问题。

比如，随着交通流量的不断增加，如果桥梁最初设计的活载标准过低，可能会在长期的重载交通作用下产生过度的变形和损伤，从而影响其安全性和可靠性。

2、材料性能桥梁建设所使用的材料性能直接关系到结构的安全性和可靠性。

例如，钢材的强度、韧性和耐久性，混凝土的抗压强度、抗渗性和抗裂性等。

如果材料质量不过关，或者在使用过程中出现材料老化、腐蚀等问题，都会削弱桥梁的结构性能。

在一些沿海地区，由于空气中盐分含量较高，桥梁的钢结构容易受到腐蚀，从而降低其承载能力和安全性。

3、设计与施工质量合理的设计是保障桥梁安全性和可靠性的基础。

设计过程中如果存在结构形式不合理、计算错误、构造细节处理不当等问题，都会给桥梁的安全埋下隐患。

同时，施工质量的优劣也对桥梁结构的安全性和可靠性有着重要影响。

施工过程中的不规范操作、施工工艺不当、质量控制不严等，都可能导致桥梁结构存在缺陷，如混凝土振捣不密实、钢筋布置偏差等。