改进水工结构可靠度理论的若干探讨

【摘要】工程结构的设计理论及其方法经过长期的发展，特别在成功地引进概率理论后获得了突破性的进展，但由于目前可靠度理论还不是很完善且影响结构可靠性的因素很多且很复杂，使得规范在实际的应用中存在着一些不足和不方便之处。文章对结构可靠度在水工结构领域的优势和影响因素等进行了概括总结，并对存在的问题提出了优化改革方法，希望为我国水工结构可靠度的进一步研究提供参考。

【关键词】水工结构；可靠度；结构设计

引言

水工建筑物由于受到设计、施工、使用和管理等阶段一些不稳定因素的影响，其在安全性、使用性、耐久性方面表现出相应的不稳定特征。利用结构可靠度理论进行设计能够更为真实地反映结构性能，这促使现在尚未采用此方法进行设计的领域开始着手研究结构可靠性理论的应用，以便使其设计水平逐步提高。

1、可靠度理论在水工结构设计中的优势

由于在水工设计中有许多的不确定性因素，早先时期在设计的时候，相关人员因为对科学的安全度缺乏认识，在一些系数的取值上普遍采取了折中的偏安全的设计量安全取值，以达到在整体上的结构安全。不过事实往往并不理想，采用折中处理方法的，并没有给结构赋予一个明确的安全程度。不过结构可靠度的设计方法却是可以克服这种缺陷，达到一个人们希望的效果。有时候，工程设计人员因为使用方便，对新的混凝土结构设计采用了分项系数的表达设计，这种设计方法与传统相比是具有本质上的区别的，因为分项系数的选择是经过了可靠度分析后才确定的，而传统的设计方法并没有采用结构可靠度理论进行分析。

2、结构的极限状态方程

在结构可靠度分析中，结构的极限状态一般由功能函数加以描述，

即：

Z=g（X1，X2，...Xn）（1）

式（1）中，X（i=1，2，...n）为荷载、抗力或它们的影响因素等随即变量。Z>0时结构安全，Z<0时结构失效，Z=0时为极限状态。极限状态方程为：

g（X1，X2，...Xn）=0（2）

构件的可靠度可表示为：

Pa=P（g[X1，X2，...Xn）>0]（3）

式（3）中，Pa为满足功能要求的概率。结构可靠度设计通过正态变换转化为以可靠指标表示的设计表达式：

B1>[β]（i=1，2，...n）（4）

式（4）中：B1、[β]分别为构件i的设计可靠度指标和目标可靠指标。目前，各国编制的工程结构可靠度设计规范都是基于上述构件可靠度理论采用一次二阶距法制定。

3、水工结构可靠度设计研究

由于水工结构可靠度设计理论在分析方法、概率模型简化等方面还不够完善，使该理论还不能应用到水工结构设计的各个领域，因此国内众多学者针对不同的领域，从结构抗力R和荷载效应S两个方面，采用校核法或其他方法对不同的水工结构进行了大量的可靠度设计研究，并取得了一些十分重要的结论。这为那些使用传统设计理论的领域早日过渡到采用水工结构可靠度设计理论奠定了基础。目前，暂时还不具备统计资料的水工结构设计规范，可以按结构可靠度理论修编或“套改”，这种方法虽然只是形式上与可靠度设计相似，但这为以后设计方法向以可靠度理论为基础的极限状态设计法转化创造了条件，以便相关部门今后有意识地搜集和积累有关变量的统计资料。

4、影响水工结构可靠性的不确定性因素

用可靠度理论进行水工结构设计时，模糊性体现在各参数在取值上的不精确性；随机性体现在参数在时空分布上的变异性；未确知性体现在信息、数据的不全面、不完整性。利用功能函数：Z=R-S计算构件的可靠指标β时，模糊性主要体现在由于影响荷载、材料性能、结构尺寸的因素较多而导致抗力R和效应S的取值不精确；随机性主要体现在作用（如：水荷载、温度、地震）在不同时间、不同地点分布的变异性和抗力由于施工质量、结构老化、材料老化等因素的影响而造成的变异性；未确知性主要体现在由于人们认知能力的不足从而在进行复杂结构分析和计算时只能采用一些简化和等效的手段，并在进行可靠性分析时不得不采取一些假定和约束条件，从而有意无意地省略某些本应考虑而又难以处理的因素。具体来说，影响水工结构可靠性分析的变化确定性因素按工程背景分类，体现在以下几个方面：荷载作用的不确定性、材料参数的不确定性、几何尺寸的不确定性、初始条件和边界条件的不确定性、计算模型的不确定性等。

5、改进水工结构可靠度理论

5.1充分考虑人误影响

目前，我国各级设计单位众多，设计水平参差不齐，施工中有上千万的农民大军，施工管理水平薄弱等现象的普遍存在，使得非正常的人误在设计、施工和使用中频繁发生，这也正是结构的实际失效概率远远大于理论的失效概率的主要原因所在。所以，工程结构的失效是由结构性能固有的概率性变异和在设计、施工、使用或维修方面的人误所造成，而且后者往往占有较大比例。必须研究各种人误发生的各种原因，从而采取有效措施，对症下药减少人误的发生。由此可见，可靠度设计理论应该而且必须考虑人误因素的影响。

5.2引进广义可靠度的概念

由于影响结构可靠性的诸多参数具有不确定性而且设计、施工和使用過程中都存在人误的发生，导致结构的实际可靠度和规范或统标规定的可靠度并不是同一个水平。为了让设计、施工和使用人员对结构的实际可靠度有比较清楚的认识，建议规范或统标中要引进广义可靠度的概念。即：理论可靠度——严格按照规范或统标的要求，如果规范或统标中明确理论可靠度和实际可靠度的概念，有助于设计、施工和使用人员对已建成的结构的实际可靠度水平有较清楚的认识，更重要的是能够使设计、施工和使用人员明确自己的责任，从自己做起，尽可能避免人误的发生，使结构具有较高的可靠性和安全性。

结束语

总而言之，随着科学技术的发展，结构可靠度理论也正在逐步完善，用可靠度理论指导和控制水利工程各阶段的工作，相比于传统方法具有不可比拟的科学性和优越性，作为工程人员也不能盲目滥用理论，而是要做到对其原理的灵活应用，在实际工作中切实发挥出结构可靠度理论的作用。

参考文献：

[1]王坤.水工结构可靠度设计方法[J].中国水能及电气化，2016（11）：61-63.

[2]魏保兴，聂俊琴.结构可靠度在水工结构设计中的应用研究[J].企业科技与发展，2016（12）：92-93.