橋梁結構可靠性初探

1、橋梁結構可靠性初探 橋梁結構可靠性初探 摘 要：20世紀40年代以來，許多國家開始研究在結構設計標準中的應用，使結構可靠性理論的應用進入一個新的時期。本文根據文獻資料，從結構可靠性理論研究的歷史、現(xiàn)狀、橋梁結構可靠性理論研究現(xiàn)狀、工程結構可靠性開展趨勢等方面對橋梁工程結構可靠性理論研究進行了綜述。 關鍵詞：工程結構 可靠度 綜述 中圖分類號： N945 文獻標識碼： A 文章編號： 一、結構可靠性理論研究歷史 1939年，英國航空委員會出版的?適航性統(tǒng)計學注釋?一書中，首次提出飛機故障率不應超過10-5次3h，這可以認為是最早的飛機平安性和可靠性定量指標；二戰(zhàn)后期，德國的火箭專家R.Lusse

2、r首次對產品的可靠性作出了定量表達。他提出用概率乘積法那么，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個子系統(tǒng)可靠度的乘積，從而算得V-型火箭誘導裝置的可靠度為75%；1942年，美國麻省理工學院一個研究室開始對真空管的可靠性進行深入的調查研究工作。1952年成立的“電子設備可靠性咨詢組，簡稱AGREE(Advisory Groupon Reliability of Electronic Equipment)。該組織于1957年發(fā)表了著名的?電子設備可靠性報告?。報告中提出了一套完整的評估產品可靠性的理論和方法。該報告被公認為是可靠性研究的奠基性文獻。1965年，國際電子技術委員會(IEC)設立了可靠性技術委員會

3、TC-56，協(xié)調了各國間可靠性術語和定義、可靠性的數(shù)據測定方法、數(shù)據表示方法等。上世紀60年代以來，可靠性的研究已經從電子、航空、宇航、核能等尖端工業(yè)部門擴展到其他多個部門。 結構可靠性理論的產生，是以20世紀初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計學應用于結構平安度分析為標志，在結構可靠度理論開展初期，只有少數(shù)學者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利的卡欽奇提出用統(tǒng)計數(shù)學的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設計方法，這是最早提出應用概率理論進行結構平安度分析的學者之一。1935年斯特列律茨基，1947年爾然尼欽和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結構平安度的研究逐

4、漸開始進入了應用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學的階段。值得指出的是，弗羅伊登徹爾和爾然尼欽等人同時開展了結構可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結構平安度的根本問題首次得到工程界的贊同和接受。1947年他發(fā)表了“結構平安度一文，奠定了結構可靠性的理論根底。 從20世紀40年代初期到60年代末期，是結構可靠性理論開展的主要時期?，F(xiàn)在所說的經典結構可靠性理論概念大致就是這一時期出現(xiàn)的。隨著結構可靠性理論研究工作的深入，經典的結構可靠性理論得到了全面的開展?；诟怕收摰慕Y構設計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，結構可靠性理論還未能馬上被工程界廣泛應用。因此，二十世紀60年代初期，許多學者致力于克服上述

5、困難的研究。例如林德等人把標準化的結構設計問題定義為尋求一套荷載和抗力系數(shù)的最優(yōu)值問題，他們建議采用一種迭代過程確定結構的平安度和造價，康奈爾等人提出了與爾然尼欽相同的一次二階矩法，并建立了比擬系統(tǒng)實用的一次二階矩設計方法。 二、國內外工程結構可靠性理論研究現(xiàn)狀 二十世紀70年代至80年代，是結構可靠性理論完善并被各國標準、標準相繼采用時期，自從康奈爾提出了一次二階矩法之后，林德根據康奈爾的可靠指標，推證出一整套荷載和抗力平安系數(shù)，這次研究使可靠度分析與實際可接受的設計方法聯(lián)系起來。隨后，德國的拉克維茨和菲斯勒，對根本變量為非正態(tài)分布情況提出了一種等價正態(tài)變量求法，這種方法經過系統(tǒng)改良之后，作

6、為結構平安度聯(lián)合委員會的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國家標準所采納，我國的?建筑結構設計統(tǒng)一標準?也是以該方法作為可靠性校準的根底。 三、橋梁結構可靠性理論研究現(xiàn)狀 橋梁可靠性設計要解決的問題是：在結構承受外荷載和結構抗力的統(tǒng)計特征的條件下，根據規(guī)定的目標可靠指標，選擇結構(構件)截面幾何參數(shù),使結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，保證其可靠度不低于預先給定的值。可靠性的數(shù)量描述一般用可靠度。我國對結構可靠度的研究只限于理論方面，且側重于可靠度設計方面，對結構耐久性方面的研究，特別是對耐久性評估理論的研究還很落后。我國在橋梁設計過程中，存在著考慮強度多而考慮耐久性少;重視強度極限狀

7、態(tài)不重視使用極限狀態(tài);重視橋梁結構的建造而無視其檢測和維護，使結構平安性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來，國內發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構件疲勞損壞所導致，從而嚴重影響橋梁結構的承載能力和使用性能。為了保證橋梁平安運營、延長其使用壽命以及提高橋梁的平安性和耐久性，對橋梁結構可靠性研究非常必要和迫切。 四、工程結構可靠性理論研究開展趨勢 進入二十世紀80年代后，結構系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經成為結構工程中的研究熱點，并出版了許多專著。概括而言，如下幾方面是結構可靠度理論研究的熱點： 4.1結構系統(tǒng)的可靠度分析。如結構可靠度分析的一階矩概念及荷載為Ferry Borge

8、s Castanheta組合情況下的計算方法問題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對結構各種破壞水平所對應的極限狀態(tài)不同，計算系統(tǒng)可靠度并進行結構設計的方法；利用蒙特卡洛法采用重要抽樣技術計算結構系統(tǒng)的可靠度等，同時，一些學者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊到y(tǒng)可靠度分析研究內容豐富，難度較大。 4.2對結構極限狀態(tài)分析的改良，除考慮強度極限狀態(tài)外，還應考慮結構的正常使用極限狀態(tài)、破壞平安極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限狀態(tài)等。 4.3目標可靠度的量化問題。雖然校準法已經局部解決了這個問題，但與實際情況相比，這方面的問題還遠遠沒有解決。 4.4人為過失的分析。許多結構的失效并非由荷載、強

9、度的不確定性造成，而往往是設計、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為過失造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點之一。 4.5在役結構的可靠性評估與維修決策問題。對在役建筑結構的可靠性評估與維修決策正成為建筑結構學的邊緣學科，它不僅涉及結構力學、斷裂力學、建筑材料科學、工程地質學等根底理論，而且，與施工技術、檢驗手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關系。 4.6模糊隨機可靠度的研究。模糊隨機可靠度理論研究是工程結構廣義可靠度理論研究的重要內容，隨著模糊數(shù)學理論與方法的完善，模糊隨機可靠度理論也必將進一步完善和開展。五、結語橋梁工程問題的解決總是理論與工程經驗的結合，掌握的知識越多，主觀經驗越少，橋梁結構的設計越合理，這也正是橋梁工程技術研究追求的目標。橋梁結構可靠度理論研究是內容極其豐富且復雜的重大研究課題，不僅僅在理論上有許多重大問題需要解決，而且，將其應