结构可靠性理论的现状与发展
土木工程结构可靠性理论的发展与实际应用
结构可靠度理论的发展与实际应用摘要：自20世纪20年代以来，工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。
许多国家开始研究在结构设计规范中的应用。
本文从结构可靠性基本理论和方法、可靠度在抗震方面的应用、可靠度在实际工程的应用以及可靠度的发展等四个方面，对结构可靠性理论和应用国内外研究的现状进行了概括性总结。
分析了工程结构可靠性理论的发展现状，并对其发展提出了见解关键词：工程结构可靠性理论发展Abstract：Great progress has been achieved in the research of structural reliability theories andits applications since 1920s. Many countries in the world have started trying to revise structural design codes or specification based on reliability theory. In this article we can divide the four aspects that the fundamental theories and approaches of structural reliability on seismic resistance , structural system reliability, as well as development of structural reliability theories The paper analysis project structure reliability theory development present situation, and put forward some understanding about the theories.1 结构可靠度理论的概念1.1 可靠度理论的概念结构构件的设计中，应该使所有设计的结构构件在其使用期内，力求在经济合理的前提下满足安全性、适用性和耐久性，具体而言如下：（1）能够承受在施工和使用期间内可能出现的各种作用；（2）在正常使用期间内有良好的工作性能；（3）具有足够的耐久性能；（4）在偶然事件发生时以及发生后，能够保持必要的整体稳定性。
工程结构可靠性基本理论的发展与应用_2_贡金鑫
4 结构承载能力和正常使用极限状态 可靠度
承载能力极限状态和正常使用极限状态是结构 设计中要考虑的两个方面，它们表示了结构可靠与不 可靠的界限。本篇的介绍是针对静力可靠度而言的，
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 499H>99副教授。 收稿日期： !99: 年 4 月 ） ， 男（ 汉族 ） ， 河北衡水人， 工学博
贡金鑫，仲伟秋，赵国藩
（ 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁大连 ::=9!3）
摘要：自 !9 世纪 !9 年代以来， 工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。本文根据大量的文献， 从结构可靠 性基本理论和方法、 结构体系可靠度、 结构可靠度的 B#&/1CD’%(# 模拟方法、 结构承载能力与正常使用极限状态可靠度、 结 构疲劳和抗震可靠度、钢筋混凝土结构施工期和老化期可靠度六个方面，分三部分对结构可靠性理论和应用国内外研究 的现状进行了概括性总结， 以期为我国在这方面研究的进一步发展提供一个参考。 本篇是其中的第二部分， 主要介绍了结 构承载能力和正常使用极限状态可靠度， 以及结构疲劳可靠度研究和应用方面的发展。 关键词：工程结构；可靠性；承载能力极限状态；正常使用极限状态；疲劳 中图分类号：EF3::6 ! 文献标识码：G
第 !3 卷第 4 期 !99! 年 :9 月 文章编号： :999 < =>=? @ !99! A 94 < 999! < 9?
建 筑 结 构 学 报 "#$%&’( #) *$+(,+&- ./%$0/$%12
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工程结构可靠性基本理论 的发展与应用（ !）
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结构可靠行分析方法及研究发展
结构可靠性分析方法及研究进展摘要：本文简要的从结构可靠性分析的发展、基本理论和方法及可靠度在实际工程的应用等三个方面，对结构可靠性理论和应用国内外研究的现状进行了概括性总结。
并对工程结构可靠性理论的发展现状及其发展提出了自己的观点。
关键词：结构系统可靠性理论可靠度分析1 绪论建筑物建造及使用过程中安全与否，取决于它是否符合力学原理。
所以，土木工程离不开力学。
科学实验和力学的发展使土木工程由完全凭直觉和经验走向了科学与经验相结合的道路[1]。
早期的结构设计方法中，每一次的发展主要集中在力学计算方面，这是非常重要的，而对保证结构安全系数的研究的不够深入，完全是凭经验去定的。
这就出现了精确力学计算与粗糙的安全系数不匹配的局面。
事实上，结构的可靠性与结构建造和使用中的诸多不确定性有关，为此发展了用概率论和数理统计方法分析和确定结构安全性的方法。
结构系统可靠性分析的目的是为了预测结构系统在规定的使用条件下，在所要求的工作时间内，完成规定功能能力的高低。
并且研究可能达到的实际最高可靠度的条件。
可靠性预测工作，对选择结构设计方案有很高的价值，因为决定方案选择的重要因素之一是这些方案的相对可靠度。
可靠性预测也可揭示降低结构系统可靠性的原因，找到了影响结构系统可靠性的主要原因之后，便可采用必要的改进措施，以提高结构系统的可靠性。
结构设计必须要保证结构的安全性，在此基础上是考虑结构的适用性、耐久性和偶然作用下的整体稳定性。
为实现上述目的，就要对结构进行合理的设计。
2 结构可靠性研究的发展历史现代结构系统可靠性理论是一门综合的概率论、数理统计方法、有限元法、随机过程理论的边缘科学。
它是研究结构系统在规定的使用条件与环境下,在规定的使用寿命期间内,能有效承受载荷及耐受环境影响而正常工作的概率【2】。
这种方法的提出,可追溯到1920年,Forsell和Mayer等人对材料强度统计性质的论述。
1945年Freudenthat【3】发表题为《结构安全度》的论文。
工程结构的可靠性和风险评估(1)
风险评估与决策支 持
未来工程结构可靠性评估将更 加注重风险评估与决策支持。 通过建立风险评估模型，可以 量化分析工程结构在不同荷载 和环境条件下的风险水平，为 决策者提供科学依据。
对行业的影响及意义
1 2 3
提高工程结构安全性
通过工程结构可靠性评估和风险评估，可以及时 发现和修复潜在的安全隐患，提高工程结构的安 全性。
工程结构的可靠性和风险
评估
汇报人：XX
2024-01-12
• 引言 • 工程结构可靠性理论 • 工程结构风险评估方法 • 工程结构可靠性分析案例 • 工程结构风险评估案例 • 工程结构可靠性与风险评估的挑战与
展望
01
引言
目的和背景
工程结构可靠性评估的目的
确保工程结构在设计、施工和使用过程中的安全性，减少事故发生的可能性， 保障人民生命财产安全。
概率评估
利用历史数据、专家经验和数值模拟等方法，对风险因素 的发生概率进行评估，确定各风险事件的可能性。
风险等级划分
综合风险事件的发生概率和后果严重程度，对桥梁结构的 风险等级进行划分，为后续的风险应对措施提供依据。
结果分析与讨论
风险评估结果
通过风险评估，识别出桥梁结构存在多个潜在风险点，其中部分风险点的等级较 高，需要采取针对性措施进行管控。
分析国内外典型的工程结构风险评估案例，总结经验教训，为今后的工程建设提供借鉴 。
工程结构可靠性和风险评估的挑战与展望
探讨当前工程结构可靠性和风险评估面临的挑战，如数据获取、模型验证、多因素耦合 等问题，并展望未来的发展趋势和研究方向。
02
工程结构可靠性理论
可靠性定义及指标
可靠性定义
工程结构在规定条件下和规定时间内 ，完成预定功能的能力。
我国土木工程结构可靠性研究
我国土木工程结构可靠性研究土木工程结构是指用水泥、钢材、混凝土等建材来建造的工程，例如桥梁、高楼大厦、隧道等，是城市建设的重要组成部分。
在土木工程结构设计和施工过程中，考虑结构的可靠性非常重要，因为结构可靠性对人民生命财产安全以及国家经济发展具有至关重要的影响。
土木工程结构可靠性是指工程结构在设计寿命内能够按照预定的稳定性和安全性要求正常使用的概率，它是通过结构设计和施工技术等相关技术手段来保证的。
土木工程结构可靠性的研究是一项复杂的系统工程，需要考虑多种因素，包括设计要求、施工质量、建材品质、环境变化等。
我国土木工程结构可靠性研究的历程可以追溯到上世纪五六十年代，随着人们对结构安全要求的提高和结构设计技术的进步，我国的土木工程结构可靠性研究也越来越深入。
特别是近年来，社会上对土木工程结构安全性的要求越来越高，且结构工程国际化合作不断加强，土木工程结构可靠性问题已成为热点和难点问题，需要积极解决。
1.可靠性分析方法可靠性分析方法是指通过对结构每个构件的受力状态、材质性能等进行分析，结合随机变量理论和统计分析法，计算出工程结构可靠性指标的方法。
目前，我国国内外学者提出了多种可靠性分析方法，包括抗震可靠性分析法、基于概率有限元方法的可靠性分析法等。
工程结构在地震、风、温度等外力作用下会发生非线性行为，这时使用传统的线性分析方法就不能满足可靠性要求，因此需要采用非线性分析方法。
目前，常用的非线性分析方法有时程分析法、频响分析法、瞬态分析法等。
3.风险分析方法风险分析方法是指对结构在可能遭受的各种风险进行评估和分析，为保障结构安全提供科学依据。
在土木工程结构建设中，风险分析方法非常重要，可以帮助工程师更好地发现结构不足之处，加强土木工程结构的可靠性。
4.材料性能研究建材是土木工程结构的核心，因此，研究材料性能对于提高土木工程结构可靠性至关重要。
目前，我国的材料研究主要集中在水泥、混凝土、钢材等常用建材上，包括材料的强度、梁柱及连接件的受力特性等方面。
可靠性的论文
工程结构可靠性理论的发展现状本文从结构可靠性基本理论、结构体系可靠度、结构可靠度的模拟方法等几个方面,对结构可靠性理论和应用的国内外研究现状进行总结,分析了工程结构可靠性理论的发展现状,并对其规范使用提出了建议。
工程结构;可靠性理论;发展现状作为基本建设的主体,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。
为了实现这些内容,本文总结了几个方面的理论和方法。
1. 结构可靠性基本理论与方法1.1 一次二阶矩法:按照现行结构可靠度设计统一标准的定义,结构可靠度为结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。
结构可靠性理论的研究,起源于对结构设计、施工和使用过程中存在的不确定性的认识,以及结构设计风险决策理论中计算结构失效概率的需要。
早期的可靠度计算方法是只考虑随机变量平均值和标准差的所谓“二阶矩模式”,可靠度用可靠指标表示。
对于结果功能函数随机变量服从正态分布的情形,在概率密度曲线坐标中,功能函数的平均值为曲线的峰值点到结构功能函数等于0(极限状态方程)点的距离,可用标准差的倍数表示,这个倍数就是二阶矩模式中的可靠指标。
而如果将结构功能函数随机变量线性变换为一个标准正态随机变量,则在新的概率密度曲线坐标中,可靠指标为坐标原点到极限状态面的距离。
将这一几何概念进行推广,提出了结构可靠指标的新定义,将可靠指标定义为标准正态空间内(随机变量的平均值为0,标准差为1),坐标原点到极限状态曲面的最短距离,原点向曲线垂线的垂足为验算点。
可以很容易的证明,如此定义的可靠指标,也是将非线性功能函数在其验算点处线性化后的线性函数所对应的二阶矩模式的可靠指标。
国际上常用的变换方法称为JC法,国内提出了简便实用、精度与JC法相差不多的实用分析法。
我国土木工程结构可靠性研究
我国土木工程结构可靠性研究
土木工程结构的可靠性研究是一项重要的工作，对于提高工程质量、确保工程安全具
有重要意义。
随着我国城市化进程的加快和工程规模的不断扩大，土木工程结构的可靠性
研究亟待深入。
可靠性是指在规定的使用条件下，土木工程结构在一定使用年限内能够满足设计要求
的能力。
可靠性研究的目的是通过合理的设计和施工，使土木工程结构具有较高的可靠性，降低工程事故的发生率，保障人民生命财产安全。
需要对土木工程结构的设计参数进行可靠性分析。
设计参数是土木工程结构设计过程
中的关键参数，其准确性直接影响结构的可靠性。
通过分析设计参数的不确定性和变异性，对设计参数进行合理的可靠性设定，可以提高土木工程结构的可靠性。
还需要对土木工程结构的使用状况进行可靠性监控。
土木工程结构在使用过程中会受
到环境的影响，可能会发生老化、磨损等情况。
通过对结构的使用状况进行可靠性监控，
可以及时发现结构可能存在的问题，并进行相应的维修和加固，保障结构的可靠性。
我国土木工程结构可靠性研究
我国土木工程结构可靠性研究一、研究背景土木工程是一项涉及到人类生产生活的基础工程，其结构的安全可靠性直接关系到人们的生命财产安全。
近年来，随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，土木工程建设也日益增加，因此土木工程结构的可靠性研究显得尤为重要。
目前，我国的土木工程结构的可靠性研究还存在着一些问题，主要表现在以下几个方面：一是受自然因素和人为因素的影响，土木工程结构易受到外界环境的影响，导致可靠性降低；二是土木工程建设过程中的工艺、材料等因素也存在一定的影响，也会影响土木工程结构的可靠性；三是土木工程结构的设计、施工和维护等方面需要更多的科学技术支撑，以提升土木工程结构的可靠性。
研究我国土木工程结构的可靠性，进一步提高土木工程结构的安全系数和可靠性，对于保障人民生命财产的安全，推动我国土木工程建设的可持续发展，具有重要意义。
二、研究内容1.土木工程结构设计可靠性研究土木工程结构的设计是土木工程建设的重要环节，其设计可靠性直接关系到土木工程结构的安全性。
研究土木工程结构设计可靠性，包括土木工程结构设计中所采用的材料的抗压抗弯强度、结构的设计参数、结构的荷载等影响因素对结构可靠性的影响，进而提出提高土木工程结构设计可靠性的方法和措施。
三、研究方法1.理论分析通过理论分析了解土木工程结构设计、施工、维护中所涉及的材料力学、结构力学等方面的基本理论，从而建立土木工程结构可靠性的数学模型，探讨土木工程结构可靠性研究中的关键技术问题。
3.案例分析通过对已建成的土木工程结构进行案例分析，了解土木工程结构在设计、施工、维护中存在的安全隐患，为提高土木工程结构可靠性提供经验借鉴。
四、研究展望在未来的研究中，我国土木工程结构可靠性研究将面临以下几个方面的挑战：1. 土木工程结构设计、施工、维护技术的创新随着科技的进步，土木工程结构设计、施工、维护技术将不断得到创新，如新型材料的研发应用、新型工艺技术的推广应用等，这将对土木工程结构的可靠性研究提出更高的要求。
建筑结构可靠性理论应用与发展
１ 结构体 系可 靠 性分 析步 骤
力水平 ， 劳寿命 （ 载反 复作 用 的次 数 ） 于 １ 如地 震 发生 疲 荷 低 ０， 时， 结构 的破坏 ； 高周 疲 劳破坏 时 ， 力水平 较低 ， 应 疲劳 寿命 大于
１ １ 寻找 主要 的失 效模 式 ．
分析结构 的可靠度 ， 首先要 寻找结构可 能出现 的各种失 效模 １ 如压力容器 、 ０， 铁路桥 梁 、 公路 桥梁和 吊车梁。 国内对疲劳可靠 式 。所谓 的寻找 主要失 效模式 ， 就是 在所有 可 能 的失 效模 式 中 ， 性的研究 比较多 ， 文献 ［ ］ ３ 讨论 了结构 构件 疲劳 断裂可 靠性 分析 找出对结构体 系的 失效概 率贡 献最 大或较 大 的失效 模式 。结 构 的新方法和新模 型。正常使用 极限状态 的分析 包括 变形 、 部损 局
第３ ６卷 第 ３ ３期 ２０ １０年 １１月
文章 编 号 ：０ ９ ６２ ２ １ ３ －０ ５ ０ １０ －８５（００）３ ０ ７ －２
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ ＿ ６ Ｎ ． ３ Ｉ３ ｏ ３
Ｎ ｖ ２ １ ｏ． ０ ０
中 图 分 类 号 ：Ｕ １ Ｔ ３ｔ 文 献 标 识 码 ： Ａ
０ 引言
变作用和偶然作 用 。在 设计 基准 期 内 ， 久作 用不 随时 间变 化 ， 永
可变作用随时 间变化 ， 用随 机过程模 型描述 ； 偶 我 国正处在大 规模 建设 阶段 ， 工业 和 民用 建筑 以钢筋混 凝 土 可视为随机变量 ； 然作用较为复杂 ， 根据其特点进 行专 门的分析 。可变作用 效应 要 结构 为主。我 国现 行规 范明确 规定 ， 筑结 构必 须满 足安 全 性 、 建 如果 结构 同时 承受 多个不 同 的可 变作用 ， 这些 作用 的效 则 适用性 和耐久性 三项要 求 ， 统称 为可靠性 。工程结构 往往 为大量 组合 ， 构件组成 的超静 定结 构 ， 一个 构件或 多个 构件 失效后 ， 下 的结 剩
结构可靠度基本理论
结构可靠度基本理论摘要：目前，在结构工程领域，人们越来越认识到，只有用概率和统计的方法，才能正确地处理结构设计和分析中存在的大量不确定因素，从而对结构的安全性做出科学的评估。
近三十年来，结构可靠性理论得到了迅速的发展。
它以概率论和统计学为数学工具，形成了一个相当完整的理论体系，它还发展了许多便于在工程实际中应用的计算方法，为结构安全性评估提供了强有力的手段。
关键词：疲劳失效、可靠度、可靠性指标长期以来，在船舶与海洋工程领域，对结构的疲劳现象已进行了大量的研究，并在此基础上建立了可供实际应用的疲劳设计与分析方法。
通常，结构的疲劳损伤和疲劳寿命采用Miner线性累计损伤理论和S—N曲线来计算。
近年来，更为先进的断裂力学方法也越来越受到重视，并逐步得到了应用。
目前，这两种方法已成为船舶与海洋工程结构疲劳设计与分析的两种相互补充的基本方法。
但是，这两种方法以往都是在确定性的意义上使用的，在分析过程中，有关的参数都认为有确定的数值。
而事实上，船舶与海洋工程结构的疲劳是一个受到大量因素影响的极其复杂的现象，大多数的影响因素从本质上说是随机的。
例如，海洋中的波浪无规则地运动，由此引起结构内的交变应力就是一个随机过程。
一艘船或海洋平台，用确定性方法进行疲劳分析时，若有关参数都取均值，那么计算所得的疲劳寿命可能是规定的设计寿命的数倍甚至数十倍。
从表面上看，可以认为是充分安全的。
但是，若考虑到各参赛的不确定性，在同样的条件下，疲劳寿命大于设计寿命的概率却可能很低，实际上并不能满足安全性的要求。
在结构可靠性理论中，各种影响结构安全的不确定因素都用随机变量或随机过程来描述；在充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构安全与否，用该结构在规定服务期内不发生破坏的概率来度量，这一概率称为结构的可靠度。
很显然，对于受到大量不确定因素影响的船舶与海洋工程结构的疲劳问题，用结构可靠度理论来加以研究是非常适当的，可以对结构在疲劳方面的安全性做出比用确定性方法更加合理的评估。
桥梁结构可靠度研究概况
桥梁结构可靠性研究概述摘要：20世纪40年代以来，结构可靠性理论有了长足的发展，尤其是许多国家开端研究在结构设计规范中的利用，使结构可靠性理论的利用进入一个新的时代。
本文根据文献材料，从影响结构的可靠度因素、极限状态设计法、结构可靠性理论研究的历史、现状、桥梁结构可靠性理论研究现状、工程结构可靠性发展趋势等方面对桥梁工程结构可靠性理论研究进行了概述。
关键词：桥梁结构可靠度概述结构可靠性的定义是:“在预定的条件下，结构达到设计规定功能的能力”。
结构可靠度的定义是:“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率”。
如果失效概率用Pi 表示，则可靠概率就等于( 1- Pi)，这就是可靠度。
因此计算结构的失效概率是概率极限状态设计法中很重要的一环，计算失效概率时，必须对影响结构可靠度的各种因素，用概率及数理统计法进行详尽的分析。
一、影响结构可靠度的主要因素影响结构可靠度的因素很多，主要有以下五个方面：1、可能出现于结构物上各种作用的变异性以结构自重为例, 在相同条件下制作的一批构件, 它们的重量并不相同,因此, 结构自重是随机变量。
由于结构自重在整个设计基准期内基本保持不变，所以它的随机性仅表现在空间的变异上。
汽车荷载的随机性不但表现在空间位置的变异(可动作用)上，而且还表现在时间的变异(可变作用)上。
总之，各类荷载都是随机量。
2、材料强度的变异性由于建筑材料制造工艺过程的特点以及所用原材料的特性，使产品的实际强度和性能不可能完全一致。
例如，用同一批混凝土拌和料在相同条件下制作的立方块，经相同的条件养护后，用标准试验方法测得的立方强度也会有大有小。
实际上材料的性能是随时间而变化的，特别是混凝土，这种变化相当明显。
但是，为了简化起见，各种材料的性能仍作为与时间无关的随机变量来考虑。
由材料制作的构件，它的强度当然一也是随机量。
3、结构分析中的不准确性结构上的各种作用确定后，就是据此求出作用在构件各截面上的内力，这个过程就是结构分析。
我国土木工程结构可靠性研究的一些进展_赵国藩
第40卷第3期2000年5月大连理工大学学报Journal of Dalian University of TechnologyVol .40,No .3May 2000院士学术论文文章编号:1000-8608(2000)03-0253-06收稿日期:2000-03-10; 修订日期:2000-04-01基金项目:国家基础性研究重大项目(攀登计划B);国家自然科学基金资助项目(59878008)和教育部高等学校博士点科研基金资助项目作者简介:赵国藩(1925～),男,教授,博士生导师,中国工程院院士,E-mail :zhaogf @dlu .我国土木工程结构可靠性研究的一些进展赵国藩, 贡金鑫, 赵尚传(大连理工大学土木工程系,辽宁大连 116024)摘要:简要叙述了影响土木工程结构可靠性的几种不确定性因素以及可靠性理论在我国工程结构设计规范的发展中所起的推动作用;简单回顾了我国以往在可靠度领域的研究工作,并结合国家基础性研究重大项目(攀登计划B)中的专题“有关建筑结构安全性与耐久性的基础研究”及国家自然科学基金项目的研究内容,介绍了近几年在土木工程结构可靠性理论研究与应用方面的一些进展.关键词:土木工程结构;可靠性;耐用性;设计规范/安全性中图分类号:TU 311.2文献标识码:A0 引 言工程结构是由钢、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、冰、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,将留传后世,对安全可靠、适用、美观、耐久等方面,有更高的要求.工程结构的设计应使所设计的结构在设计基准期内,经济合理地满足下列要求:①能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(包括荷载及外加变形或约束变形);②在正常使用时具有良好的工作性能;③在正常维修和养护下,具有足够的耐久性;④在偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发生后,能够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.如上述要求的第①、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.安全性、适用性和耐久性三者总称为结构的可靠性.用来度量安全性的指标称为安全度,度量可靠性的指标称为可靠度.可靠度比安全度的含义更为广泛.但是,安全度是可靠 度中最重要的内容,它直接关系到人身安全和经济效益等问题,是可靠性研究的重点.1 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.(1)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.研究事物随机性问题的数学方法主要有概率论、随机过程和数理统计.(2)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查德(L .A.Zadeh)教授创始的“模糊数学”.(3)事物知识的不完善性.事物是由若干相互联系、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地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.工程结构的不确定性还有其他分类方法,详见文献[1].2 我国工程结构设计标准和规范的变革 我国在工程结构可靠性研究的发展过程中,开展了大量的理论研究、资料收集和数据实测工作,总结了我国工程实践经验,并借鉴了国际标准《结构可靠性总原则》(ISO2394),在征求了全国有关单位意见的基础上,先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153—92)等6本统一标准[2～7].主要采用以随机可靠性理论为基础、以分项系数表达的概率极限状态设计方法,作为我国土木、建筑、水利等专业结构设计规范改革、修订的准则.全国土木、建筑、水利各专业直接为工程技术人员使用的结构设计规范在“统一标准”的统一指导下,进行了大规模的修订或编制,工程界形象地称之为规范的“转轨”,意即从原规范的以经验为主的安全系数法转为以概率分析为基础的极限状态设计法.这项工作的规模和深度已超过了世界上一些先进国家,大大提高了我国结构设计规范的科学水平,使我国工程结构设计规范跻身于世界先进行列.3 我国工程结构可靠性研究的一些进展3.1 概 述1982年至1992年的203篇有关“工程结构可靠性”的研究文献,主要包括了以下几个方面的内容[8]:(1)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;(2)结构体系可靠性问题;(3)结构动力可靠性问题;(4)结构疲劳可靠性问题;(5)岩土工程的可靠性问题;(6)已有工程结构的可靠性鉴定问题.1994年国家科委又批准了国家基础性研究重大项目(攀登计划)“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”,其中对工程结构可靠性的研究,提出更高的要求.作者承担了“有关建筑结构安全性与耐久性的基础研究”专题,在以往工作的基础上,又继续进行了研究.1998年又分别得到由国家自然科学基金“工程结构生命全过程可靠度研究”及教育部高等学校博士点科研基金“高层高耸结构抗风可靠度研究”的资助.下面从10个方面对所取得的成果进行简单介绍.3.2 攀登计划项目专题及国家自然科学基金与教育部高等学校博士点科研基金研究的基本内容3.2.1 结构可靠度基本理论 (1)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,如以自重为主要荷载的结构的恒荷载与结构的抗力,这时需要考虑随机变量间的相关性.文献[9]提出了广义随机空间的概念,建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法,扩大了现有可靠度分析方法的适用范围.与国外的方法相比,不需进行正交变换,计算简便.(2)目前的结构可靠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,这时需考虑极限状态方程的非线性项.文献[10]提出了基于拉普拉斯(Laplace)逼近原理的渐近可靠度分析方法,考虑了极限状态方程的二次非线性的影响,提高了计算精度.(3)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[11];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[12].(4)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.文献[13]提出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.254大连理工大学学报第40卷(5)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.3.2.2 结构模糊可靠度 在结构可靠度分析中,除随机性外,还存在模糊性,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[1].3.2.3 结构体系可靠度 (1)在寻找结构主要失效模式方面,通过发展线性互补规划中的Lemke算法,并与可靠度中的分枝-约界法相结合,提出一种识别结构主要失效模式的有效算法[15].这一算法既不用进行结构重分析,也无需通过判断结构刚度矩阵的奇异性来识别主要失效模式,从而使计算量减少,提高了效率,并以此为基础对钢筋混凝土框架结构的可靠度进行了分析[16].(2)在结构体系失效概率计算方面,分别研究了体系失效概率的区间估计法和点估计法.区间估计法计算的是结构体系失效概率的上下界,其首要问题是如何计算两个或多个失效模式同时出现的概率,为此提出了两种计算两个失效模式同时出现概率的方法[17、18],可电算,也可手算,简便实用,同时也提出了计算多个失效模式同时出现概率的数论方法[19],可用于计算结构体系失效概率的上下界公式中的高阶项.点估计法是通过近似方法估算体系失效概率的值,分别提出了泰勒级数的展开法[20]和多个极限状态方程两两逐步线性化的方法[21],计算简便、效率较高.(3)并联结构体系可靠度的计算是工程中研究较少的问题,文献[22]提出了并联结构体系可靠度的一种计算方法,通过将由若干个非线性极限状态方程表示的并联结构体系可靠度问题转化为一个极限状态方程表示的构件可靠度问题,实现问题的求解.文献[23]提出并联结构体系可靠度的二次算法.3.2.4 结构可靠度分析的蒙特卡罗方法 蒙特卡罗方法是结构可靠度分析的基本方法之一,由于具有相对精确的特点,常用于各种可靠度近似方法分析精度的校核.通过研究,分别提出了使结构失效概率估计值方差最小的重要抽样方法[24]和对偶重要抽样方法[25],在计算量增加不大的情况下,提高了分析效率.3.2.5 随机有限元与结构动力可靠度 (1)随机场分析.对于随机过程(时间随机场),基于K-L展开法,将相关函数转换为功率谱密度函数,得到了简单的分解表达式;对于空间随机场,通过构造标准独立随机变量基,提出了一种以少量随机变量表示随机场的投影展开方法[26];进一步针对时-空随机场(可模拟风荷载、地震动输入等),推导出简单的以随机变量表示的分解形式[27].(2)随机结构的静态分析.通过随机空间分解与随机变分等方法,将随机结构模型转换为一种确定性结构;进一步分析其特点,提出一种子结构迭代求解方程组的预优共轭梯度法(PCG),其迭代具有明确的物理意义,并且预优矩阵不需要是M阵,具有相当快的迭代收敛速度[27].(3)随机结构的动态响应分析.通过推广H amilton原理,使在外随机荷载作用下的具有质量、阻尼和刚度等随机性的结构问题转化为相应的确定性的高阶动力问题.对于一般阻尼的影响,采用两步降维法,即先用Arnodli方法进行子空间降维,再通过改进的Q R法选择满足精度的特征值按升序构造子空间,最后应用精细积分法求解了不同荷载情况的结构随机响应.以上计算全部在实域进行,简化了计算过程[27].(4)随机结构的可靠度分析.以一次二阶矩法为基础,将结构动力可靠度问题转化为静力结构体系可靠度问题,即把动力问题的极限超曲面用一系列超平面逼近,每一时刻都用超平面来近似极限超曲面,形成一个失效模式;而结构可靠度则由失效模式串联的结构体系可靠度来计算,这不但避免了确定随机过程及其导数过程联合分布函数的困难,而且克服了极限状态曲面不可微的缺点,最后通过求得的几个主要失效模式计算结构动力可靠度[27].3.2.6 结构抗震可靠度 (1)在加速度峰值、特征周期、持续时间相同的条件下,文献[25]利用规范给出的同一目标反应谱,合成了29条人工地震波.对于选定的结构计算模型,输入地震波进行时程分析,通过最大熵法统255第3期 赵国藩等:我国土木工程结构可靠性研究的一些进展计得出结构位移最大值的概率密度函数,进而推断结构的失效概率和可靠指标.(2)“强柱弱梁”、“强剪弱弯”是保证钢筋混凝土结构在地震作用下不发生整体倒塌的基本设计原则.利用可靠度分析方法,研究了在现行规范的基本规定下,柱先于梁屈服和剪切破坏先于弯曲破坏的概率.根据分析结果,提出对有关参数进行调整的建议[28].3.2.7 基于可靠度的结构优化设计 以可靠度为基础的优化设计是结构优化设计的一个重要方面.传统的方法要分别在两个层次上迭代,对于由多个构件组成的大型复杂结构,计算量过大.文献[29]提出了以可靠度为约束的结构优化设计实用方法,体现了分部优化的设计思想,避免了在构件层次上的反复迭代,提高了优化设计效率,便于工程应用.3.2.8 结构荷载效应组合 (1)持久性荷载和临时性荷载是建筑结构最基本的两种荷载,两者的组合也是建筑结构最基本的荷载组合.在假定持久性荷载为泊松过程,临时性荷载为滤过泊松过程的条件下,给出了两者组合的最大值概率分布函数的解析解,这一解析解可用于校核其他近似方法的计算结果.对这一解析解进行简化分析表明,从实用角度考虑,将此两种荷载简化为等时段的随机过程模型进行分析得到的结果是可以接受的.(2)荷载效应组合是结构设计和可靠度分析考虑的基本问题之一,目前已有多种可供工程应用的组合规则,但这些组合规则都是对相互独立的荷载效应而言的,而在有些情况下荷载效应间可能是相关的,因此,需要研究相关荷载效应的组合问题.根据相关荷载效应的特点,结合Turkstra组合规则,提出相关荷载效应的实用组合方法.分析计算表明,荷载效应的相关性对结构的可靠度有明显的影响.3.2.9 结构施工期可靠度 (1)通过对施工现场的调查,初步分析了施工过程中出现的各种荷载;根据施工过程中混凝土强度随时间不断变化的特点,分析了钢筋混凝土受弯构件和受压构件抗力的变化过程,并以独立增量过程为基础,提出了施工期结构抗力的随机过程模型,给出不同时刻结构抗力的相关函数[30].(2)根据施工过程中结构的形状、混凝土材料的性质(强度、弹性模量)以及施工荷载均随时间变化的特点,分析了施工期钢筋混凝土结构的抗弯和抗冲切可靠度,研究了支撑方案、施工周期以及可变荷载与永久荷载之比对施工期结构可靠度的影响[31].(3)基于一次二阶矩方法,推导了结构可靠指标对随机变量统计参数的敏感度公式,并对钢筋混凝土受弯、受剪、轴压、大偏心受压构件进行了敏感性分析,以明确各种结构构件施工过程中应重点控制的项目,提高施工质量控制的主动性[31].(4)在结构施工期可靠度分析的基础上,根据使结构的初始费用(建筑材料、建造费用及用工费用和支撑系统的材料费用及用工费用)和结构倒塌损失之和最小的原则,初步建立了结构施工期的风险分析模型.在保证结构施工期必要安全性的基础上,可以为施工支撑方案的合理选择提供参考[31].3.2.10 结构老化期可靠度、结构维修、加固及结构耐久性 (1)在使用环境、自然环境及材料内部因素的作用下,结构的性能会逐步劣化,其结果是结构的抗力减小,在规定的时间内和规定的条件下结构完成预定功能的能力降低.在论述了结构性能劣化原因的基础上,提出了简便易行且形式上与现行的统一标准方法相协调的考虑抗力随时间变化的可靠度分析方法[32],这一方法可用于结构的可靠度设计,也可用于已有结构的可靠度评估.(2)维修是延长老化结构使用寿命的一种有效方法,当结构使用功能改变或结构存在设计和施工错误时,根据鉴定情况,也可能需要加固.结构加固后的工作特点是存在应变滞后现象.文献[33]提出了结构加固后可靠度的分析方法,分析了现行加固规范所具有的可靠度水平,为加固规范向以概率理论为基础的方向发展提供了参考.(3)大气环境下钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性失效的主要形式之一.钢筋锈蚀的前提条件是混凝土碳化,两者都与环境条件、设计和施工条件及材料性能有关.以钢筋混凝土受弯构件为例,研究了混凝土保护层厚度和混凝土强度等级对钢筋混凝土结构承载能力可靠度的影响[34],并以使结构承载能力可靠度没有明显降低为条件,研究了不同环境条件下,混凝土保护层厚度和混凝土强度等级的关系.(4)结构的经济优化设计是结构设计的基本原则之一.传统的结构经济优化设计概念是使结构的初始建造费用与结构倒塌损失的期望值最小.然而近年来的工程实践却表明,由于结构的耐久性问题,许多结构未达到设计使用期就要进行大修,256大连理工大学学报第40卷有的维修费用已经超过了初始建造费用.在这种情况下,结构的经济优化设计的内涵发生了变化,即结构优化设计的目标中还应包括结构使用中的维修(护)费用,设计安全度高,初始费用大,维护费用小;反之设计安全度低,初始费用小,维护费用大.因此,存在一个结构设计与维护的协调问题.文献[35]分析了不同耐久性条件下结构的经济优化设计问题,提出了结构设计与维护协调的分析方法,阐明了结构使用中正常维护的意义.(5)疲劳破坏是承受反复荷载作用的结构的破坏形式之一.对于在腐蚀环境中工作的钢筋混凝土结构,腐蚀不仅使钢筋的有效截面面积减少,同时钢筋表面的锈坑还会引起钢筋的应力集中,从而大大降低构件的抗疲劳能力.腐蚀环境下承受反复荷载作用的钢筋混凝土结构存在着腐蚀(物理、化学作用)和交变应力(力学作用)两种损伤.在分析两种损伤特点的基础上,提出了腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的分析方法[36].(6)已有结构性能的评估是老化结构安全和使用性能鉴定的一项基本工作,但由于影响其性能变化的因素多而复杂,很难给出一种统一的评估模式,很多情况下要结合专家的经验.文献[37]利用人工神经网络的自适应性和容错性,结合专家经验对网络进行训练,提出了已有结构性能评估的人工神经网络方法;对于破坏程度较大或服役年限较长的构件,要在其非线性范围内获取具有足够精度的、表达整体构件可靠性能的数学表达式,非常困难,甚至是不可能的.针对这种情况,利用层次分析法建立了钢筋混凝土构件可靠性的模糊评估模型,运用模糊评判理论,为实际工程中构件的综合评判提供了一套切实可行的方法.(7)从已有结构或结构构件当前的性能及结构所处的环境来评价一个具体结构的耐久寿命是结构耐久寿命评估的一个重要方面,而统计分析特定环境下一类结构的耐久寿命是宏观上把握结构耐久寿命的另一个方面,它反映了该环境下结构耐久寿命的总体状况.在统计分析过程中,一部分结构已达到其耐久寿命,而另一部分结构可能未达到其耐久寿命,从而存在不完备样本.文献[38]应用生存分析方法,对钢筋混凝土结构耐久寿命组成的不完备样本进行了统计分析,得到了比较好的分析结果;通过对在役混凝土结构工作状态和工作性能的分析并结合结构抗力效应和荷载效应随时间变化的特点,提出了结构剩余使用寿命的评估准则以及时变可靠度的计算方法,并利用上述方法分析了荷载效应比、配筋率、混凝土的劣化速度以及结构在继续服役期内的使用目标可靠度等因素对轴压构件剩余使用寿命的影响.4 结 语土木工程结构的安全性与耐久性一直是设计者与使用者非常关注的问题,关系到安全与经济的协调、基础设施的投资,并与国家现行政策、法规以及未来的经济发展息息相关,是一个复杂的系统工程问题.作者所做的工作,是在国际标准ISO2394及国家有关可靠性设计统一标准的基础上,力求在可靠性的技术理论方面有所进展.但正如前所述,事物不确定性有多个方面,有的问题还缺乏有效的、可为工程实践应用的数学方法,作者只在这一“极为复杂”的问题中做了“极为有限”的工作,期望对于土木工程结构在设计、施工、使用以及维修等方面的可靠性评估能有所贡献.致谢:感谢攀登计划项目、国家自然科学基金和教育部博士点基金的资助及大连理工大学学报的支持.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]G B50153—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]GB J68—84,建筑结构设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1984.[4]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.[5]G B50199—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.[6]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.[7]G B/T50283—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.[8]中国土木工程学会桥梁及结构工程学会结构可靠度委员会.结构可靠性的十年[A].工程结构可靠性全国第三届学术交流会议论文集[C].南京:[s n],1995.1-20.[9]赵国藩,王恒栋.广义随机空间内的结构可靠度实用分析法[J].土木工程学报,1996,29(4):47-51. [10]Z HAO Guo fa n,L I Yungui,W AN G Hengdong.Asym ptotic a nalysis methods fo r structuralreliability[J].China Ocean Eng,1995,9(3):303-310.[11]ZHAO Guofan,L I Yung ui,W AN G Hengdong.For th257第3期 赵国藩等:我国土木工程结构可靠性研究的一些进展。
论国内外可靠性研究发展现状及特点
论国内外可靠性研究的现状及特点文章摘要：可靠性是一门新兴的工程学科。
近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地集合起来，有力地提高了产品的可靠性水平。
可靠性工程诞生在20世纪40年代。
在五六十年代已经被应用到了航天工业当中。
进入70年代，各种各样的电子设备或系统广泛用到可靠性技术。
八九十年代可靠性研究进入更深层次的研究和发展。
进入21世纪之后，提高产品的可靠性，更是提高产品的质量关键。
国内外把对可靠性的研究工作提高到节约资源和能源的高度来认识。
在现代生产中，可靠性技术已贯穿于产品的开发研制、设计、制造、实验、使用、运输、保管及维修保养等各个环节。
以下是对国内外可靠性研究目前的进展及成功的介绍，并从中得到可靠性研究在新世纪发展当中又产生的新特点。
文章关键词：可靠性研究现状特点美国德国中国海洋可靠性土地可靠性一、世界一些国家应用可靠性理论的情况。
（1）美国在以下几个方面都运用可靠性理论对他的工业生产进行了科学的规范，美国在可靠性的理论研究及工业应用方面堪称是代表。
美国是结构可靠性理论与应用的代表，也是国际上较早开展结构可靠度研究的国家之一，公认1947年美国Freudenthal A. M.教授的论文“结构安全性”是结构可靠性理论系统研究的开始，现在，在美国混凝土规范ACI 318一02中，将抗力折减系数必由0.8提高到0.9，这将导致梁板等受弯构件的纵向受拉钢筋减少约10%。
在解释这一变化时，该规范指出是基于过去和现在的可靠度分析、对材料性能的统计的研究。
其次、在公路桥梁方面，新一代的美国和加拿大规范都采用了基于概率的荷载与抗力系数设计规范，如美国州公路与运输官员协会的《桥梁荷载与抗力系数设计规范》( AASHTO LRFD 1994)，加拿大《安大略公路桥梁设计规范》(OHBDC 1979, 1983，1991)和《加拿大公路桥梁设计规范》( CHBDC 2000)。
在美国，公路管理联合会(F H WA)重视支持长远技术项目的研究，其中之一是贯彻荷载与抗力系数设计方法。
论结构可靠性的发展
中 图分类 号 ：Ｂ １ ． 文献标 识码 ： 文章 编号 ：０ ８— ８ １ ２０ ） ４— ０ ２—０ Ｔ Ｉ４ ３ Ａ １０ ３ ７ （０ ６ ０ ０ ３ ４
可靠性 理论 是 以产 品寿命特 征为 主要研 究对 象 的一 门综合性 和边缘性 科学 ， 涉及到基 础科 学 、 它 技 术科 学 和管理 科学 的许 多领 域 。对 于结 构可靠 性 这
学注释》 书 中， 一 首次 提 出飞机 故 障率 不应 超 过 ｌ 次 ／ ， 可 以认 为是 最早 的飞机 安 全 性 和可 靠 Ｏ ｈ这 性定量指标… ； 二战后期 ， 德国的火箭专家 Ｒ Ｌ ｓ ｒ ． ｕｓ ｅ
首 次对 产品 的可靠 性作 出了定量表 达 。他提 出用 概
运输 、 保管及维修保养等环节 。这就 为可靠性 的发 展提供了源源不断的动力。在产品设计中由于可靠 性设计 的引人保 证 和提 高 了产 品 的可靠 性 水 平 ， 使 得产品的综合性能得以提高 ， 而增强 了产品的市 从 场竞争 力 。
２ 基 于概率 的结 构可靠 性理 论
率乘积法则 ， 将系统 的可靠度看成是各个子系统可 靠 度的乘 积 ， 而 算 得 Ｖ一 Ⅱ型 火 箭诱 导装 置 的 可 从 靠度 为 ７ ％ ［ ；９ ２年 ， 国麻 省理 工 学 院 一个 研 ５ ２ １４ １ 美 究室开 始对 真空 管 的可靠性 进行 深人 的调查 研 究工 作。最早对可靠性问题系统地加 以研究 的是美国军
一
织对 电子 产 品的设 计 、 造 、 验 、 存 运 输 及 使 用 制 试 储 等各 方 面做 了全 面 的可靠性 调 查研究 ， 于 １５ 并 ９７年 发表 了著 名 的 《 电子 设 备 可 靠 性 报 告 》 。报 告 中 提
工程结构可靠度理论的研究现状与展望
个最 佳维修 决策 的 问题 ． 目前 的研究 中 ，有 些 在
内容 过于理论 化 ，与 实际工 程 问题相 差较 远 ． 另
外 ，对处 于不 同环境 下建筑 物使 用 寿命 的安全 性 评 估 问题 ，在结 构设计 的工 作 寿命期 如何 通过 正 常使用 和必要 的维护保 证结 构应 有 的可靠度 ，超 过 正 常使用年 限后 如何 安全 地继 续服役 等都 应是 可靠 度研 究 的重要 方面 ．
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 ．“ 定 规
材 料性 能 的变化 ． 如何 根据 已有 结构本 身材 料性
能 的实测 结果 ，来 推断 该结 构 的抗力 随时 间 的变
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 ４种功
化 而变化 的规 律 ，进 而 计算该 结 构继续 使用 期 内 的可 靠 度或评估 该结 构 的使 用寿命 ，是 已有 结构 可靠 度研 究 的一项 重要 内容 ． 随着 使用 年 限的增 长 ，混 凝 土的老 化 问题 日
益突 出 ． 于耐久 性不 足或 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化 的结 构 ，存在 一 对
能 ：（）能 承受在 正 常施工 和 正常使 用 期 间可能 １ 出现 的各 种 作 用 （ 载 ） （ ）在 正 常 使 用 时 ， 荷 ； ２ 结构 及其组 成构 件具有 良好 的工作 性能 ； （）在 ３
(2021年整理)结构可靠性理论与应用的国内外研究现状
（完整）结构可靠性理论与应用的国内外研究现状编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（（完整）结构可靠性理论与应用的国内外研究现状）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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结构可靠性理论与应用的国内外研究现状摘要：自20世纪20年代以来，工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展.许多国家开始研究在结构设计规范中的应用。
从结构可靠性理论的发展历史、国内外科学家对结构可靠性理论所做的工作及成果、与目前此问题存在的一些不足之处。
关键词：工程结构可靠性理论发展结构可靠性理论是随着人们对工程中各种不确定性认识的发展建立并逐步完善起来的一门新兴学科，它对结构的分析与设计具有重要指导意义。
自20世纪20年代以来，结构可靠性的理论和应用的研究取得了重大发展。
本文从结构可靠性理论的发展历史、国内外科学家对结构可靠性理论所做的工作及成果、与目前此问题存在的一些不足之处这三方面进行了简单的总结.1 结构可靠性理论的发展历史结构系统可靠性理论是一门新兴的边缘学科.它以概率论、数理统计方法和随机过程理论为基础，以结构分析的有限元法和网络分析技术为工具,从系统角度出发，将结构系统的设计、分析、评价、检测和维护等融为一体。
作为一种科学分析方法和实用技术,狭义地讲,它研究结构系统在规定的使用条件与环境下,在给定的使用寿命期间，能有效地承受载荷和耐受环境影响而正常工作的概率。
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世纪初Forsell和Mayer等人的工作。
尽管这些早期研究工作富有创造性，但由于当时的科技发展水平和实际需要，结构系统可靠性作为一种新的设计思想和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中，有关机电设备、船舶、压力容器、飞行装置和海上石油勘探平台等，在设计使用寿命期限内，在规定的荷载条件与环境下，不能预期正常工作的事例不断增多和日趋严重。
可靠性研究现状及发展方向
威海职业学院 曹莉 基于智能机械制造 的要求 ，提高产 品可靠性 是实现我 国机 越来越多 的机械制造企业重 视。例如我国航 天Ｔ程将可靠性作
械制造强 国战略 的重 要手段 与途径 ， 在现代生产 中， 可靠性技术
已贯穿于产 品的开发研制 、 设计 、 制造 、 实验 、 使用 、 运输 、 保管及 维修保养等各个环节 。凶此研究可靠性具有重要的现 实意 义。
该 产 品就 会被 市 场 淘 汰 ，当 然 性 能 好 的 产 品 也 并 不 能 代 表其 具
南此可 见， 可靠性与规定的条件密切相连 ， “ 规定 条件” 包括
有较 高的可靠性 。总之可靠性高的产品不仅能够有助 于实现产 品的各种性能 发挥 ， 而且还可 以降低故 障的发生 ， 提 高产 品使 用
产 品使硐 的环境 、 使用 的英里条件 以及产 品的储存 条件 等等 ， 根
据可靠性影 响因素 ． 规定的条件不 同会导致可靠性不 同 ． 例 如产 品储存环境 不同会影 响产 品的性能 ． 进 而影 响产 品的可靠性 。另 外产品可靠性也 与规 定时Ｉ １ ＝ Ｉ Ｊ 有 关 ，可靠性 在规定的时间周期 内
ＨＥＢＥＩ ＮＯＮＧＪ
摘 要ｉ 本文主要对可靠性基本定 义、 发展历 史、 研 究的重要性 、 研 究现状及研 究方向等 内容进行 了综述 ； 该文的 目的是想通过 了解和深刻认 识， 可靠性 目前发展现状及现有技术存在的不足 ， 明确今后可靠性重点研 究 关键词 ： 可靠性 ； 可靠性研 究方向
１ ９ ６ ９年美国阿波罗飞船登月成功 ，美国宇航局将可靠性丁 程列为 大技术成就之一 。嫦娥 号 登月成功 的关 键是解决 了 可靠 性问题 。可靠性高低 已成为一个企业乃至一个 国家科技水
国内外结构可靠性理论的应用和发展
结构 系统可靠性理论是一门新兴 的边缘学科。它以概率论 、 数理统计方法 和随机过程理论为基 础 ， 以结构分析的有 限元法 和
研究它们 的分布规律和相关特性 ， 从而制订出一整套新 的合理 的
网络分 析技术 为工具 ，从系统角度 出发 ，将结构系统的设计 、 分 设计 规范 。 Ｂ ｒｅ 研究 了荷载 和应 力的分布规律 。Ｔ ｒ ｊ ｏｇｓ ｏｒ ａ和 Ｐａ 根据 ｏ ｅｚ 析、 评价 、 检测 和维护等融为一体。 作为一种科学分析方法和实用 技术 ， 狭义地讲 ， 它研究结构系统在规定 的使用条件与环境下 ， 在 荷载和应 力分散现象产生 的各种原 因作 了推 断其所 属分布类型 ｒｕｅ ｔａ采用全概率分析方 法 ， 研究 了传统 的安 给定的使用 寿命期 间 ， 能有效地承受载荷和耐受 环境影 响而正常 的初 步尝试 。ＦｅｄｎｈＸ
保 障体 系和监督检查措施 ， 努力增加教育在各 级政府 预赛 中投入
比重 ， 步 消 化 历 史 债 务 问题 ， 保 学 校 办学 经 费 足 额 及 时 到 位 ， 逐 确
各级政府 和执法部 门要采取切实措施 ， 严厉打击危害未成年
人身心健康的犯罪 活动 ， 切实加强保 护未成年人权益方面 的立法 环境及文化市场的整治 ， 对网吧、 游戏室、民族精神 、 反映时代特点 、 有益 于未成
李金涛 ， 昌茂 宣
（ 河南省第一建筑工程集团有限责任公 司， 河南 郑州 ４０５ ） ５０２
结构 系统可靠性作为一 种新 的设计思想和分析方法并未 引起 【 摘要 】 系统可靠性理论是一 门新兴的边缘 学科 ， 前 已 结构 目 要， 有关机 成为结构设计领域 中的一个研 究热点。 文章通过 对国 内外结构 可 社会 的足够重 视。第二次世界大战期问及随后 的岁月 中， 靠性理 论概述 ， 分析 了结构可靠性理论在国 内外的应 用与发展 。 【 关键词 】 结构可靠性 ； 理论应用 ； 设计领域
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。
现役船体结构可靠性评估理论研究现状及展望
现役船体结构可靠性评估理论研究现状及展望
滑林;吴梵;吕岩松;牟金磊
【期刊名称】《国防科技大学学报》
【年(卷),期】2018(040)004
【摘要】作为现役船体结构可靠性评估的关键技术,可靠性评估理论直接决定了可靠性评估结果的有效性和置信度.从可靠性评估理论的计算原理、度量指标计算及工程应用等方面阐述了传统可靠性评估理论和非概率可靠性评估理论的发展历程及研究现状,分析、总结了各可靠性评估理论在现役船体结构可靠性中的优势及不足,给出了今后开展相关研究的展望,并指出了现役船体结构可靠性研究的重点.
【总页数】8页(P173-180)
【作者】滑林;吴梵;吕岩松;牟金磊
【作者单位】海军工程大学舰船与海洋学院,湖北武汉 430033;海军舰艇技术鉴定船体结构强度校核中心,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船与海洋学院,湖北武汉430033;海军舰艇技术鉴定船体结构强度校核中心,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船与海洋学院,湖北武汉 430033;海军舰艇技术鉴定船体结构强度校核中心,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船与海洋学院,湖北武汉 430033;海军舰艇技术鉴定船体结构强度校核中心,湖北武汉 430033
【正文语种】中文
【中图分类】U661.43
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结构可靠性理论的现状与发展1.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。
结构可靠性通常定义为：在规定的使用条件和环境下，在给定的使用寿命期间，结构有效地承受载荷和耐受环境而正常工作的能力。
结构可靠性的数t指标通常用概率表示，称为结构可靠度。
结构可靠性是一个广义概念，通常包含结构的安全性、适用性和耐久性三个方面。
为保证结构的可靠性，首先要研究建造结构所使用材料的各项力学性能，结构上各种作用的特性，结构的内力分析方法及结构的破坏机理，除此之外，还要做到精心设计，选取合理的结构布置方案和保证结构具有明确的传力路径；精心施工，严格按照施工规程进行操作；正常使用，按设计要求使用结构并进行正常维护。
然而，即便如此，也不能保证结构绝对的安全或可靠，这是因为在结构的设计、建造和使用过程中，还存在着种种影响结构可靠性的不确定性。
即随机性、模糊性和知识的不完善性，合理、正常的设计、施工和使用只是保证结构具有一定可靠性的前提和基本条件。
自20世纪20年代起，国际上开展了结构可靠性基本理论的研究，并逐步扩展到结构分析和设计的各个方面，包括我国在内，研究成果已应用于结构设计规范，促进了结构设计基本理论的发展。
本文将基于大量的研究文献，从结构可靠性分析方法、结构体系可靠度、结构承载能力与正常使用极限状态可靠度、结构疲劳与动力可靠度、钢筋混凝土结构施工期与老化期可靠度五个方面对国内外工程结构可靠度理论和应用的发展现状作概括性地介绍，2.结构可靠性分析方法2.1 一次二阶矩法在实际工程中，占主流的一次二阶矩法应用相当广泛，已成为国际上结构可靠度分析和计算的基本方法。
其要点是非正态随机变量的正态变换及非线性功能函数的线性化由于将非线性功能函数作了线性化处理，所以该类方法是一种近似的计算方法，但具有很强的适用性，计算精度能够满足工程需求。
均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、Jc法、几何法都是以一次二阶矩法为基础的可靠度计算方法。
(1)均值一次二阶矩法。
早期结构可靠度分析中，假设线性化点x0t就是均值点m ，而由此得线性化的极限状态方程，在随机变量Xt(i=1，2，⋯，n)统计独立的条件下，直接获得功能函数z的均值mx 及标准差σx，由此再由可靠指标β的定义求取β= m x／σx。
该方法对于非线性功能函数，因略去二阶及更高阶项，误差将随着线性化点到失效边界距离的增大而增大，而均值法中所选用的线性化点(均值点)一般在可靠区而不在失效边界上，结果往往带来相当大的误差，同时选用不同的极限状态方程不能得到相同的可靠指标，此为该方法的严重问题。
(2)改进一次二阶矩法。
针对均值一次二阶矩法的上述问题，人们把线性化点选在失效边界上，且选在与结构最大可能失效概率对应的设计验算点上，以克服均值一次二阶矩法存在的问题，提出了改进的一次二阶矩法。
该方法无疑优于均值一次二阶矩法，为工程实际可靠度计算中求解β的基础。
但该方法只是在随机变量统计独立、正态分布和线性极限状态方程才是精确的，否则只能得到近似的结果。
(3)JC法。
针对工程结构各随机变量的非正态性，拉克维茨和菲斯莱等人提出了JC法。
其基本原理是将非正态的变量当量正态化，替代的正态分布函数要求在设计验算点处的累积概率分布函数(CDF)和概率密度函数(PDF)值分别和原变量的CDF 值、PDF值相等。
当量正态化后，采用改进一次二阶矩法的计算原理求解结构可靠度指标β值。
该方法克服上述两方法的不足，适用于随机变量为任意分布下结构可靠指标的求解，运算简捷，对非线性程度不高的结构功能函数，其精度能满足工程实际需要，并已为国际联合委员会(JCSS)所采用，故称JC法。
我国《建筑结构设计统一标准》、《铁路工程结构设计统一标准》中亦采用此法。
(4)几何法。
用JC法计算时，迭代次数较多，而且当极限状态方程为高次非线性时，其误差较大。
为此人们提出了几何法，该方法仍采用迭代求解，其基本思路是先假定验算点x*，将验算点值代入极限状态方程G(x*)，沿着G(x)=G(x*)所表示的空间曲面在点处的梯度方向前进(或后退)，得到新的验算点，然后再进行迭代。
几何法与一般的一次二阶矩法相比，具有迭代次数少，收敛快，精度高的优点，但其结果亦为近似解。
上述结构可靠度分析方法统称为快速概率积分法(Fast Probability的分布类型，更主Integration，简称FPI)，其计算精度不仅依赖于随机设计变量Xt要的是依赖于失效面的具体形状。
当失效面的形状，尤其是在设计点附近的局部形状和n维超平面偏离较大时，所有FPI方法的计算误差将显著增大。
2.2 高次高阶矩法为了提高结构可靠度的计算精度，在一次二阶矩法的基础上人们尝试了可靠度的高次高阶矩法，分别提出了计算可靠度的二次二阶矩法与四阶矩方法，其原理与一次二阶矩法相同，计算可靠度指标时都是以求得极限状态方程的偏导、获得其Talor级数为基础，计算精度较高，但较难处理一些复杂、不易求导的功能函数。
针对复杂功能函数、不易求导及个别随机变量不存在CDF的问题，有关学者提出了应用最大熵原理拟和功能函数的CDF和变量高阶矩的正态变换等改进方法求解β值。
2.3 Monte—Carlo法Monte—Carlo法是最直观、精确、获取信息最多、对高次非线性问题最有效的结构可靠度统计计算方法。
其基本原理是对各随机变量进行大量抽样，结构失效次数占抽样数的频率即为其失效概率。
由于该方法的工作量太大，对于大型复杂结构的使用受到限制。
为了提高工作效率，应尽可能地减少必需的样本量。
通常用减少样本方差、提高样本质量两种方法达到此目的。
以此为基础发展了重要抽样法、对偶抽样法、分层抽样法、条件期望值法、公共随机数法等多种抽样方法。
蒙特卡罗法回避了结构可靠度分析中的数学困难，不需考虑功能函数的非线性和极限状态曲面的复杂性，直观、精确、通用性强；缺点是计算量大。
效率低。
但随着抽样技术的改进和计算机硬件水平的提高，该方法的应用将越来越广泛。
1．1．5 随机有限元法在有限元计算中引入不确定性因素，形成的随机有限元法(SFEM)与确定性有限元法相比更符合客观实际、更合理。
尤其是当有关参数的统计特性可知时，SFEM可提供较精确的分析结果。
随机有限元最初的思路是Monte—Carlo法与有限元相结合，严格来说，这并不是真正的随机有限元。
它的基本思路是对随机变量的样本使用有限元程序反复计算，再对结果进行统计。
真正的随机有限元始于20世纪70年代，通过对随机变量进行各种不同形式的展开，形成了不同的随机有限元法，如Taylor展开随机有限元法(TSFEM)、摄动随机有限元法、Neumann展开Monte—Carlo随机有限元法。
3.结构体系可靠度结构可靠性理论分为结构元部件可靠性理论和结构系统可靠性理论两个层次。
结构元部件可靠性理论的研究起步于20世纪20年代，50年代前后开始引起广泛关注。
结构系统可靠性理论是20世纪80年代前后发展起来的一门新兴边缘学科，主要数学墓础是概率论、随机过程理论、决策论、博弈论和组合数学，主要计算手段是有限元法、边界元法和随机网络分析技术。
结构系统可靠性理论中的系统有两个含义:第一，系统是由结构单元构成的具有一定功能关系的组合体.第二，系统失效有明确的演化历程，失效过程中系统的拓扑结构将发生明确的变化。
附加第二条限制性条款的原因是，对于随机结构系统，如果在整个分析过程中假定其拓扑结构不发生演化的话，则其可靠性分析和元件的可靠性分析之间没有本质的区别.结构系统可靠性理论的研究之所以在20世纪80年代前后才开始出现，在很大程度上是因为系统失效过程中，其拓扑结构发生了变化，拓扑结构的变化使结构失效模式的识别和分析变得十分困难。
目前，构件及结构点可靠度的计算方法已日趋完善。
随着可靠度理论的进一步深入，点可靠度的计算已不能满足工程实际需要。
人们最关心的是由众多构件组成的结构或连续体结构体系的可靠度。
对于结构体系来说，体系可靠度由组成该结构的所有元件的极限状态面决定，结构体系的失效区域由所有元件的失效区域并交混合而成，而至此结构点可靠度的可靠指标已无确切意义。
大型结构系统可靠性分析理论与算法的研究主要包括三项内容：识别主要失效模式的算法研究；根据主要失效模式的极限状态方程计算失效概率的研究；由主要失效模式的模式失效概率及其失效模式问的相关关系计算系统综合失效概率或其上、下界的研究。
对任何一个结构系统均可分为串联系统、并联系统及一般系统。
串联系统可靠度的计算方法主要有Monte Carlo法、近似计算法、界限估计法。
其中近似计算法又分为影响函数法、降维法、概率网络估算技术法(PNET法)、Taylor展开法。
界限法可分为一般界限法、窄界限法。
对并联系统来说，可靠度的计算方法与串联系统一样，有Monte Carlo 法、近似法、界限法。
其中近似计算法可分为Laplace展开式的推广、降维法、极限分析法。
对于系统可靠度界限理论，大体上可分为三个阶段：简单界限理论；二阶界限理论；高阶界限理论。
简单界限理论没有考虑通常存在的模式间相关特性的影响，当失效模式间存在明显的相关关系时，由简单界限理论给出的系统概率估值区间往往过宽；二阶窄界限理论考虑了两两失效模式问相关性的影响；对于高阶可靠度界限理论在某种意义上偏离了系统可靠度理论发展的主流，由于其算法十分复杂，一般很少使用。
4.结构承载力和正常使用极限状态可靠度4.1 承载能力极限状态可靠度(1)结构的抗力结构抗力是结构抵抗作用效应的能力，包括结构构件的承载力、刚度、抗裂度等。
结构抗力(特别是承载力)一直是结构工程研究的重点内容之一，特别是当采用新的结构材料或新的结构形式时。
本文主要根据结构可靠度研究的需要，从统计方面加以论述。
结构抗力的不确定性包括材料性能不确定性、几何参数不确定性和计算模式不确定性三个方面。
按照数理统计方法，抗力的平均值可由上述三项不确定性参数的平均值计算，方差则利用误差传递原理由上述三项不确定性参数的方差计算。
实际中使用的是结构抗力与其标准值比值的统计参数，因此抗力不确定性的分析也是分项按其比值进行的。
我国在编制各种结构的可靠度设计统一标准时，对不同材料的结构构件(混凝土结构、钢结构、砖石结构)、不同破坏方式(轴拉破坏、轴压破坏、弯曲破坏、偏心受压破坏(大偏心受压破坏和小偏心受压破坏)、剪切破坏、冲切破坏)的抗力统计参数进行了分析，由于各种结构设计规范的设计公式不完全相同，以及材料性能取值和统计分析方法的差异，同种材料、同种破坏方式构件的抗力统计参数间有一定的差别。