结构可靠性理论与应用的国内外研究现状

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。这说明了以安全系数法为代表的传统设计方法对环境条件和结构特性的决定论假设是不适当的。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合理的设计规范。

因为采用全概率分析方法，研究了传统的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系，提出了考虑多种因素，主要是有初始损伤条件下的结构系统可靠性分析的数学模型。正是由于此项工作，才促成了结构系统可靠性分析理论由经典向现代的过渡。

而后又有科学家建议根据失效面而不是失效函数定义失效模式的可靠指标β。对于同一失效面，这样定义的β不会由于选择不同的等价失效函数而发生变化。从而提出了一种有效的算法使得任何非正态随机变量都能够在设计点处转化为正态随机变量，从而使计算由非正态随机变量和非线性极限承载状态构成的失效模式的失效概率成为可能。弗罗伊登彻尔差不多和尔然尼钦等人同时展开了结构可靠性的研究工作。他提出的在随机荷载作用下结构安全度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947他发表了“结构安全度”一文

奠定了结构可靠的理论基础。从20世纪40年代初期到60年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期。现在所说的经典结构可靠性理论概念大致就是这一时期出现的。随着结构可靠性理论研究工作的深入，经典的结构可靠性理论得到了全面的发展，概率论的结构设计方法也逐渐被工程界所接受。

到了20世纪80年代后期，结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中的研究热点，并已出版许多专著，对于复杂的结构系统可靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。与有限元法、计算机应用技术和实用概率网络分析理论的迅猛发展潮流相呼应，以一次二阶矩方法为基础的现代结构可靠性分析理论和应用技术开始了由构件级水平向系统级水平的实质性过渡。从而产生了以下几方面热点：(1)结构系统的可靠性分析。(2)对结构极限状态分析的改进，除考虑强度极限状态外，还应考虑结构的正常使用极限状态、破坏安全极限状态，以及地震和其他特殊情况下考虑能量损耗极限状态。(3)目标可靠度的量化问题。(4)人为差错的分析。(5)在役结构的可靠性评估与维修决策问题。(6)模糊随即可靠度的研究。

2 国内外对结构可靠性理论所做的工作及成果

在结构可靠度理论发展初期，只有少数学者从事这方面的研究工作，如1911年匈牙利布达佩斯的卡钦奇就是提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题。1926年德国的迈耶提出了基于随机变量均值和方差的设计方法，这是最早提出应用概率理论进行结构安全度分析的学者之一。1926~1929年，前苏联的哈奇诺夫和马耶罗夫制定了概率设计的方法，但当时方法不够严格，因此并未付诸实施。1935年斯特列律斯基，1947年尔然尼钦和苏拉等人相继发表了这方面的文章，结构安全度的研究逐渐开始进入了应用概率论和数理统计学的阶段。

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，在实用化方面，1969年美国Cornell, C. A.教授提出了结构可靠指标的概念。20世纪60-70年代，美国在发生了一些房屋安全事故后，引发了对建筑物安全问题的重新思考，认识到容许应力设计法的缺陷，以及为保证结构极端情况下安全性和正常使用情况下良好工作性能的重要性。结合当时可靠性理论的研究，探讨考虑荷载和材料性能随机性的可靠度设计方法。钢结构规范中荷载和抗力系数设计(LRFD)方法的提出是美国结构可靠度理论应用的开端。但随后意识到必须将荷载系数与结构材料有关的系数相分离，否则会出现因各规范编制组协调不好，不同材料结构中的同种荷载分项系数不同的不合理局面。在这种前提下，确立了美国国家标准委员会A58《建筑及其他结构最小设计荷载规范》的独特地位。

1978年，在美国建筑技术中心结构分部工作的Ellingwood教授主持了基于概率的极限状态设计荷载要求的研究项目。研究工作的目标是:(1)提出一套适合于所有类型建筑的荷载系数与荷载组合系数;(2)提出一种供各材料规范选择与A58荷载要求和其性能目标协调的抗力准则。研究成果反映在1980年出版的NBS特别报告577“美国国家标准A58基于概率的荷载准则”中，随后的工作则是基于概率的设计理论在各种结构中的应用。

在美国混凝土规范ACI 31-02中，将抗力折减系数必由0.8提高到0.9，这将导致梁板