结构工程专业中结构可靠度理论的应用

结构工程专业中可靠性理论的应用作为基本建设的主体,土木工程结构不仅关系到国计民生,还会影响到一个国家的现代化进程,因此,保证结构在规定的使用期内能够承受设计的各种作用,满足设计要求的各项使用功能,及具有不需过多维护而能保持其自身工作性能的能力是至关重要的,即要保证结构的安全性、适用性和耐久性,这三个方面构成了工程结构可靠性的基本内容。

一、采用可靠性理论的优势在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。

工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。

由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。

结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。

总之，结构可靠度方法的重要意义，在于对结构安全性检验提出了建立在概率分析基础上的一系列性的概念，原理，方法和衡量标准，综合考虑了工程结构中的各种不确定因素，对结构可靠性有了一个客观的统一度量，并且力求达到最佳的经济效益,将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。

为人类社会的不断进步作出贡献。

二、结构可靠度理论目前的应用情况可靠性设计又称概率设计。

这种设计方法认为，作用于结构的真实外和在其结构的真实承载能力，都是概率意义上的量，设计时不可能予以精确地确定，称为随机变量或随机过程，它服从一定的分布。

一次为出发点进行结构设计，能够与客观实际情况更好的符合。

它能够根据结构的可靠性要求，把失效的发生控制在一种可接受的水平。

这种方法的明显好处是给出了结构可靠程度的数量概念。

对于像飞行器这样一些航空机构，概率实际法的明显优点是重量减小，并能降低成本和提高性能。

概率设计法能够解决两方面的问题：根据设计，进行分析计算已确定结构的可靠度；根据任务提出的可靠度指标，确定构建的参数。

将概率论和数理统计方法应用于结构可靠性分析的最早尝试可以追溯到20世纪20年代。

尽管早期的研究工作富有创造性，但囿于当时的科技发展水平和现实需求，基于可靠性的结构分析方法并未引起社会的足够重视。

第二次世界大战期间及随后的岁月里，有关机电设备、船舶、压力容器、飞行装置和海上石油钻井平台等复杂结构，在设计使用寿命期限内，在规定的载荷条件与环境下不能预期正常工作的事例不断增多和日趋严重，说明以安全系数设计法为代表的传统设计方法对环境条件和结构特性的确定论性假设是不适当的，必须从概率论的观点出发，对有关的设计参量进行统计分析，研究它们的分布规律和相关特性，从而制订出一整套新的、符合实际情况的结构设计规范。

1940年和1950年英国人A•G•Pugsley和美国人A•M•Freudenthal引用统计概念于安全度理论，这一理论在航空领域很快得到应用，而在土建工程中则迟迟未被引进。

50年代中期欧洲和北美努力发展钢筋混凝土建筑结构以统计为基础的安全系数。

这时苏联标准采用基于概率的安全度规定，即所谓“计算极限状态设计法”，而在材料的计算强度方面采用小概率原则。

美国和欧洲则于1955年、1963年和1964年在有关标准中予以采用。

但是，这些标准对于统计方法的应用只停止于公称强度（标准强度）或公称荷载（标准荷载）的规定。

附加的荷载和抗力系数，或容许应力，则凭主观判断予以选择以考虑无法预见的公称值的不利偏离。

从1963年到现在，基于概率的安全理论才很快得到发展。

Freudenthal 的全概率分析方法在理论上是合理的，但在实际应用中往往很难实现。

通常情况下，我们仅能够得到关于结构参数均值和方差的比较准确的估计结果，因此以随机变量的均值和方差为基础的二阶矩方法在工程界受到了普遍的欢迎。

1969年美国人C•A•Cornell提出了一个方法，在此方法中，影响失效概率的各种因素的变异性分别加以决定，然后综合估计总的失效慨率。

Cornell将结构可靠度指数β定义为结构安全裕量方程的均值和标准差之比。

由于资料不全和计算方法中的近似处理，使此方法不能计算真正的失效概率，这一方法与现行方法“校准”，只能得到一个“概念上的失效概率”。

E•Rosenbluth和 L•Estva于1972年扩展这一方法而采取更为实用的对数正态分布。

1971年，N•C•Lind建立了如何分离计算参数以取得荷载系数和抗力系数而便于分别进行研究的计算模式。

1976年，R•Rackwit提出了当量正态概念，从而使各种非正态分布皆可应用于计算式中，失效概率的求值得到了一定的改进。

美籍华人A•H—S•Aug在结构安全度的研究上有比较突出的贡献。

对于非线性安全裕量方程，Cornell建议将其在均值点处进行Taylor展开，并根据展开式的线性项近似计算非线性安全裕量方程的均值和方差。

研究表明，对于不同形式的等价安全裕量方程，Cornell的方法不能保证得出一致的计算结果。

鉴于此，Hasofer和Lind建议根据失效面而不是安全裕量方程定义可靠度指数β。

同一物理问题，根据N一L算法计算得到的可靠度指数β，不会由于选择不同形式的等价安全裕量方程而发生变化。

Rackwitz和Fiessler将H-L算法的适用条件由正态随机变量构成的安全裕量方程推广为任意随机变量构成的安全裕量方程。

R-F算法的核心是将非正态随机变量在设计点处转换为正态随机变量，通过迭代计算，使两者在可靠度指数β的计算上近似等价。

R-F 法的出现意味着，研究可靠度指数β的准确计算问题只需将重点放在由正态随机变量构成的安全裕量方程即可。

由于R-F算法良好的普适性，目前已被国际结构安全性联合委员会（JCSS）所采纳，并正式命名为JC算法。

模式失效概率的计算精度虽然有许多需要改进的地方．但JC算法的出现无疑标志着，在失效模式已知的条件下，模式失效概率的计算问题最终有了工程上可以实现的解决方案。

为了在设计原则和方法上进行协调统一，1971年，欧洲混凝土委员会（CEB）、国际预应力混凝土协会（FIP）、欧洲钢结构协会（CECM）、国际建筑研究与文献委员会（CIB）、国际桥梁与结构工程协会（IABSE）、国际壳体与特种结构协会（IASS）和国际材料与结构试验研究所联合会（RILFM）等国际组织联合成立了“结构安全度联合委员会”（JCSS），专门研究结构安全度和设计方法的改进，编制的《结构统一标准规范的国际体系》已陆续出版。

国际标准化协会“建筑结构设计依据”委员会（ISO／TC98）于 1973年提出了《检验结构安全度总则》（ISO2394），该文件业经多次修改，并改名为《结构可靠性总原则》。

上述两个国际性文件都介绍了概率极限状态设计方法的典型模式和确定各分项系数的原则和方法，对于各国开展以可靠性理论为基础的工程结构设计规范的技术变革提供了一整套的原则和模式，起到了很好的协调和促进作用。

1975年，加拿大首先制定了以可靠性理论为基础的极限状态设计统一标准，并相继编制了有关的专业规范《安大略省公路桥梁设计规范》和加拿大国家标准《公路桥梁设计》在概率极限状态设计方法的基础上已经多次修改。

1977年，原联邦德国编制了《确定建筑物安全度的基础》作为编制其它规范的基本依据；1978年，北欧五国的建筑委员会（NKB）提出《结构荷载与安全度设计规程》；1980年，美国国家标准局提出了《基于概率的荷载准则》（ANSIA—58）。

在国际会议方面，“国际结构安全性与可靠性会议”(ICOSSAR)第一届于1969年在美国华盛顿（Washington）举行，第二届于1977年在德国慕尼黑（Munich）。

此后每四年举办一次，到目前已进行了八届．“国际土木工程中统计学与概率论的应用学术会议”（ICASP）第一届于1971年在香港举行，每四年一次，现已举办了八届。

在这些会议论文集以及国际刊物《结构安全性》(Structural Safety)中，集中报道了各国在工程结构可靠性方面的重要研究成果．概率设计法的思想可追溯到本世纪得出十年代。

1911年，卡宾奇就提出用统计数学的方法研究和在其材料强度。

在1926-1929年间，霍契阿洛夫和马耶罗夫制定了概率设计的计算方法，但当时提出的方法不够样，没有摆脱争论的性质，因而没有得到广泛的赞同，未付诸实践。

以后，斯特列里茨基拉尼芩和苏拉等人的工作，逐渐为这种方法铺平了道路。

弗洛伊登撒尔在40年代差不多和拉尼芩同时开展了结构可靠性的研究工作。

1947年，他发表了“结构安全度”一文，奠定了结构可靠性的理论基础。

1954年，拉尼芩提出了应力-强度结构可靠性设计的正态-正态模型，并推倒了用正态分布二距表达可靠性中心安全系数的一般形式。

美国“大力神”导弹客体结构设计采用了这种中心安全系数。

50年代，随着导弹和空间技术的发展，结构可靠性问题日益英气人们的关切和重视，一些国家相继成立了专门的组织，从事这方面的研究；概率论设计方法也日臻完善并达到了书用程度。

在这期间，美国，前苏联，加拿大等国家制定了相应的标准和规范，作为概率设计的依据。

继而，一些国际组织也提出了这方面的准则。

例如，国际标准化组织给出了《结构可靠度总原则》，并采用了雷克威茨提出的正态方法，国际结构安全度委员会也推广了这一方法。

三、结构可靠性理论的展望不确定性是工程结构设计、施工和使用中存在的客观现象, 对这种客观现象的认识由来已久, 但真正用理论的方法加以研究, 并努力用于结构设计规范才是近几十年的事情。

传统的经验安全系数设计法已使用了多年, 对其中所蕴含的安全度不能给予科学的解释, 对安全系数大小的取值, 则是根据工程事故率的高低来不断调整的, 这不免要以过大的材料浪费和潜在的巨大经济利益、生命损失为代价。

用理性的方法逐步取代经验性的方法, 或逐步减少经验性的成分, 是科学技术发展的必然结果, 也是事物发展的基本规律, 但事物的发展要有一个过程，工程结构可靠度作为一种处理和分析工程结构中随机性的理论和方法, 正处在这样一个发展的过程之中, 除了在理论上尚需提出新的问题并不断深入研究外, 在规范应用中, 还需根据工程结构的特点,并考虑以往的工程设计和使用经验对可靠性设计方法加以论证, 逐步改进其中的不完善之处。

参考文献：[1]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M].大连:大连理工大学出版社,1996.[2]GB50153—92 ,工程结构可靠度设计统一标准[S].北京: 中国计划出版社,1992.[3]贡金鑫,仲秋伟.工程结构可靠性基本理论的发展与应用[J].建筑结构学报,2002,23(4):229.[4]赵国藩，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.[5]GB50158—92,港口工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1992.[6]GB50199—94 ,水利水电工程结构可靠度设计统一标准[S] .北京:中国计划出版社,1994.[7]GB50216—94 ,铁路工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1994.[8]GBPT50283—1999,公路工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1999.。