1建筑结构工程可靠度研究进展

建筑结构工程

结构可靠度研究进展

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建筑结构工程可靠度研究进展

摘要：介绍了结构的安全性和可靠性的概念，指出了影响工程结构可靠度的影

响因素，以及我国在工程结构可靠性研究方面的一些进展，现今结构可靠度存在的一些问题及研究方向。

关键字：建筑结构可靠度影响因素进展问题

0 引言

工程结构设计的主要目的在于以最经济的途径来满足建筑物的功能要求，而可靠度是满足这一目的的有效控制参数。可靠度理论是在20世纪40年代开始提出的。最早源于军事需要用来提高电子元件的可靠度。将可靠度理论引入结构工程并加以发展无疑是结构工程学科的重大进展之一，并在许多方面得到成功应用。我国对结构可靠度理论的研究工作开展得较晚。20世纪60年代土木工程界曾广泛开展过结构安全度的研究和讨论；20世纪70年代把半经验半概率的方法用于结构设计规范中，并于1980年提出《结构设计统一标准》，从此，结构可靠度理论的应用才在国内开展。

工程结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力“规定的时间”，是指分析结构可靠度时考虑各项基本变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”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件，即不考虑人为过失的影响；“预定功能”是指以下四种功能：（1）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）；（2）在正常使用时，结构及其组成构件具有良好的工作性能；（3）在正常维护下具有足够的耐久性；（4）在发生规定的偶然事件情况下，结构能保持必要的整体稳定性。结构的安全性和可靠性是有区别的。如上所述要求的第l项和第4项，关系到人身财产安全，属于结构的安全性，第 2项关系到结构的适用性，第 3项关系到结构的耐久性。这是从数学观点出发的比较科学的定义，因为在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力只能用概率来度量。结构可靠度的这一定义，与其他各种从定值观点出发的定义是有本质区别的。

工程结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。工程结构在相当长的使用期内，需要安全可靠地承受设备、人群、车辆等使用荷载，经受风、雪、雨、日照或波浪、水流、土压力地震等环境的作用。它们安全可靠与否，不但影响工农业生产，而且还常常关系到人身安危。特别是一些重要的纪念性建筑物，作为一个时代的文化特征，将流传后世，对安全可靠、适用、美观、耐久等方面有更高的要求。结构设计时，应使所设计的结构在其使用期内，力求在经济合理前提下满足安全、适用和耐久的要求，结构的安全一般用安全性来描述。结构的安全性、适用性和耐久性这三者总称为结构的可靠度。可见，可靠度比安全度的含义的更广泛。

1 结构可靠度影响因素

1.1建筑结构设计可靠度影响因素

结构设计可靠度的主要影响因素有：目标可靠度指标、可变荷载水平、工程质量、最不利荷载效应组合和抗力衰减．荷载和抗力分项系数设计表达式是结构构件可靠度设计的一种实用表达式，其中荷载和抗力标准值、分项系数和组合系

数只是在上述影响因素设定水平的条件下，按误差最小的原则优化确定的协调量．结构设计可靠度水平的比较和调整，宜直接调整上述影响因素的设定水平．我国统一标准规定的构件目标可靠指标在大多数情况下与美国大体相当，但抗风，特别是抗震的可靠指标要比美国低；风、雪和地震等自然环境荷载与美国大体相当，但楼面活荷载平均值要比美国低大约一半，这一点应引起特别注意．从结构可靠度设计规范发展的角度来说，工程质量的随机影响能在规范和设计中考虑的要尽量考虑，同时要加强质量控制；抗力衰减和结构体系可靠度，将以不同的形式进入结构设计规范，我国应在此方面加强研究，积极考虑．结构可靠度理论是结构设计和规范制定的基础，在某种程度上标志着一个国家结构工程发展的水平，我国应在此领域长期投资，持久的研究，为规范的修订提供充足的成果储备．

1.2 影响工程结构可靠性事物的不确定性

工程结构要求具有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中具有种种影响其安全、适用、耐久的不确定性。这些不确定性大致有以下几个方面：

一是事物的随机性，所谓事物的随机性，是由于事件发生的条件不充分，使得在条件与结果之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性，这种不确定性称为随机性，研究事物随机性的数学方法主要有概率论、随机过程和数理统计。

二是事物的模糊性。事物本身的概念是模糊的，即一个对象是否符合这个概念是难以确定的，也就是说一个集合到底包含哪些事物是模糊的，非明确的主要表现在客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”即“模糊性”研究和处理模糊性的数学方法主要是 1965 年美国自动控制专家 L.A.Zadeh 教授创始的“模糊数学”。

三是事物知识的不完善性。事物是由干相互联系相互作用的要素所构成的具有特定功能的有机整体。人们常用颜色来简单的描述掌握事物知识的完善程度，并把事物（或称系统）分为三类：白色系统、黑色系统、灰色系统。对知识的不完善性处理还没有成熟的数学方法，在工程实践中只能由有经验的专家对这种不确定性进行评估，引入经验参数。例如，“待建”桥梁未来承受的车辆荷载可引入经验的发展系数，作为一种权宜的处理方法。

2 工程结构可靠性研究的一些进展

纵观有关“工程结构可靠性”的研究，主要包括以下几方面的内容：一是结构可靠性一般理论的若干问题，介绍了我国在可靠性基本理论方面的研究工作，如结构的几何特性、材料特性、荷载效应、结构的失效准则以及结构分析理论的不完善性和人为因素的影响等,这些因素实际上是结构工程中的决定性因素；二是结构体系可靠性问题；三是结构动力可靠性问题；四是结构疲劳可靠性问题；五是岩土工程的可靠性问题；六是已有工程结构的可靠性鉴定问题。

2.1结构可靠度基本理论和体系构成

目前的结构可靠度分析方法仅局限于结构随机变量不相关的情形，而实际工程中，有些情况下随机变量可能是相关的如自重为主要荷载的结构的恒载与结构的抗力，这时需要考虑随机变量间的相关性。

目前的结构可靠度指标是针对线性极限状态方程或线性化极限状态方程而言的，它只适用于结构极限状态方程非线性程度不高的情况，而实际工程中有些情况下的结构极限状态方程非线性程度可能很高，这时需要考虑极限状态方程的非线性项。

基于信息论中的最大熵原理,提出了结构可靠度分析的四阶矩方法. 在考虑了极限状态方程非线性影响的同时,也考虑了随机变量高阶矩的影响；同时提出用改进罗森布鲁斯(Rosen-blueth)方法计算极限状态方程前四阶矩的方法,以解决复杂极限状态方程不易求导的问题。

传统的结构可靠度分析都是在正态空间进行的,当随机变量不服从正态分布时,则需当量正态化或映射变换为正态随机变量,若非正态随机变量的概率分布函数不存在显式,上述变换较为困难. 如原始随机空间内可靠度分析的一次和二次方法,这一方法不使用随机变量的概率分布函数而只使用概率密度函数,降低了对初始条件的要求,避免了传统的结构可靠度分析方法遇到的困难.

大型复杂结构的内力和位移一般要用有限元方法进行分析,这时结构的响应与结构上作用荷载之间的关系不能再用一个显式来表达,当对结构或结构构件进行可靠度分析时,所建立极限状态方程也不再是一个显式,从而造成了迭代求解可靠指标的困难. 应用响应面的概念,文献［14］提出了与结构可靠度几何法相结合的响应面法,给出了新的计算迭代格式. 该方法便于与通用的有限元软件联接,以求解大型复杂结构的可靠度。

2.2 结构模糊可靠度

结构可靠度分析中，除随机性外，还存在模糊性。结构的模糊可靠度就是应用模糊概率分析研究结构的可靠度。模糊性是由于边界的不清晰引起的。它是工程实际设计中两种不确定性中的一个。由于使用年限的增长，现有结构的安全性能越来越低。因此对结构随机模糊性的研究，对现有结构可靠度的评估具有重要的现实意义。模糊性是一种客观属性。它是事物发展过程中存在亦此亦彼或中闻过渡状态的结果，考虑问题的模糊状态可以弥补传统可靠性分析中双状态假设的不足，而模糊性中可能性理论的引入则可以弥补概率假设在描述小子样问题中的缺陷。

如钢筋混凝土结构的允许裂缝宽度和允许变形是模糊的，大或小反映了人们的接受程度，不代表完全失效。应用模糊数学方法，提出了结构模糊-随机可靠度的统一模型，可以同时考虑变量的随机性和模糊性，扩大了结构可靠度分析的范围。

2.3 结构体系可靠度

对结构体系可靠度的分析主要包括选取失效模式和计算失效概率两个方面。