結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計及其應(yīng)用簡介

1、結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計及其應(yīng)用簡介結(jié)構(gòu)可靠度理論是分析和度量結(jié)構(gòu)安全性的一種先進(jìn)手段。它對結(jié)構(gòu)安全性檢驗提出了建立在概念分析基礎(chǔ)上的一系列新的概念、原理、方法和衡量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮了工程結(jié)構(gòu)中的各種不確定因素，加深了對結(jié)構(gòu)工作性能的認(rèn)識，對結(jié)構(gòu)可靠性有了一個客觀的統(tǒng)一量度并做出合理的判斷，從而設(shè)計出更為經(jīng)濟(jì)而安全的工程結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)安全度的歷史，可以追溯到公元前2000多年。一個可能是世界上最早關(guān)于結(jié)構(gòu)安全度的法典，是公元前2250年古巴比倫王罕默拉比制定的法規(guī)。它以建后是否倒塌作為判別結(jié)構(gòu)堅固與否的標(biāo)準(zhǔn)，是一種直觀經(jīng)驗的可靠度概念。公元1103年（宋崇寧二年）頒布的宋營造法式是我國建筑史上一本著名的官編建

2、筑規(guī)范。這本規(guī)范所提供的雖然計算公式而是具體的尺寸規(guī)定，但仍隱含著結(jié)構(gòu)受力大小與可靠度的概念。無論在中國還是其它文明古國，人們往往會對現(xiàn)存的古建筑如此合乎現(xiàn)代力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計原則而驚嘆不已。然而，考慮不周或建造不良的建筑物至今早已毀壞淘汰不復(fù)存在。19世紀(jì)開始，結(jié)構(gòu)安全度開始以一個安全系數(shù)的形式來表達(dá)，但當(dāng)時對荷載及材料性能等的不定性的認(rèn)識還處于初級階段，因此安全系數(shù)的選定是很慎重的，所取數(shù)值也比較大。到20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)和我國的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)值大致為2左右。顯然用一個系數(shù)來表達(dá)結(jié)構(gòu)可靠度是很粗糙的。20世紀(jì)20年代以后，世界各地開始應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計研究結(jié)構(gòu)安全度，但發(fā)展十

3、分緩慢。直至50年代中期，歐洲和北美逐步發(fā)展和應(yīng)用具有概率統(tǒng)計的安全系數(shù)法。這分別反映在1955年的蘇聯(lián)規(guī)范、1963年的美國規(guī)范。但是當(dāng)時對結(jié)構(gòu)可靠度的定義和分析，不論在理論上還是在實際應(yīng)用上均未具體解決。近20年來，國際上對結(jié)構(gòu)可靠度的理論研究和實際應(yīng)用方面發(fā)展很快。1971年由歐洲混凝土委員會（CEB）、國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會（FIP）等國際組織聯(lián)合組成了“結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會”，編制了結(jié)構(gòu)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的國際體系；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)”委員會編制了結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計總原則。美國的弗羅伊詹特在40年代開創(chuàng)了美國安全度的研究工作，并奠定了應(yīng)用概率理論分析結(jié)構(gòu)安全度的基礎(chǔ)。美國混凝土學(xué)會

4、（ACI）于1964年成立了“結(jié)構(gòu)安全度委員會”系統(tǒng)從事結(jié)構(gòu)安全度的研究。美國于1980年出版了為美國國家標(biāo)準(zhǔn)A58擬定的基于概率的荷載準(zhǔn)則。我國從50年代起，有關(guān)高等院校和科研單位開展了極限狀態(tài)設(shè)計法的研究和討論，并用數(shù)理統(tǒng)計研究荷載、材料強度的概率分布，確定超載系數(shù)和材料強度勻質(zhì)系數(shù)。在50年代末和60年代初，以中國土木工程學(xué)會為主，開展了結(jié)構(gòu)安全度問題的討論。1983年完成了建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的編制標(biāo)志著我國在結(jié)構(gòu)可靠度理論研究和實際應(yīng)用方面提高到一個新的水平，并將會對我國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系和設(shè)計思想、施工管理、科研方法、教學(xué)內(nèi)容等方面，產(chǎn)生一系列的影響。下面談?wù)劷y(tǒng)一標(biāo)

5、準(zhǔn)中的可靠性概念。從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本目的，是在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，賦予結(jié)構(gòu)以適當(dāng)?shù)目煽慷?，使結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期限內(nèi)，能滿足設(shè)計所預(yù)期的各種功能要求。無論是房屋、橋梁、隧洞等結(jié)構(gòu)，都必須滿足以下四項基本功能要求：1. 能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用；2. 在正常使用時具有良好的工作性能；3. 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；4. 在偶然事件發(fā)生時（如地震、火災(zāi)等）及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。上述第1，4項為結(jié)構(gòu)的安全性要求，第2項為結(jié)構(gòu)的適用性要求，第3項是結(jié)構(gòu)的耐久性要求。結(jié)構(gòu)若同時滿足安全性，適用性和耐久性要求，則稱該結(jié)構(gòu)可靠，即結(jié)構(gòu)的可靠性是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐

6、久性的統(tǒng)稱。所謂結(jié)構(gòu)的耐久性能，是指結(jié)構(gòu)在化學(xué)的、生物的或其它不利因素的作用下，在預(yù)定時間里，其材料性能的惡化不致導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。從工程概念上說，足夠的耐久性能就是指在正常維護(hù)條件下結(jié)構(gòu)能夠使用到預(yù)期的耐久年限。所謂結(jié)構(gòu)的安全性，是指結(jié)構(gòu)在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部損壞而不致發(fā)生整體的破壞，如整體連續(xù)倒塌?，F(xiàn)在我們可對結(jié)構(gòu)可靠性下一明確的定義：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，稱為結(jié)構(gòu)可靠性。對于特定情況而言，可具體解釋成在規(guī)定的參照時期內(nèi)，結(jié)構(gòu)將不會達(dá)到某一特定極限狀態(tài)的概率，即所謂的結(jié)構(gòu)可靠度。結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率量度。上述“規(guī)定的

7、時間”，一般指結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期，目前世界上大多數(shù)國家普通結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期均為50年。由于荷載效應(yīng)一般隨設(shè)計基準(zhǔn)期增長而增大，而影響結(jié)構(gòu)抗力的材料性能指標(biāo)則隨設(shè)計基準(zhǔn)期的增大而減小，因此結(jié)構(gòu)可靠度與“規(guī)定的時間”有關(guān)，“規(guī)定的時間”越長，結(jié)構(gòu)的可靠度越低。結(jié)構(gòu)可靠度定義中“規(guī)定的條件”，指正常設(shè)計、正常施工、正常使用條件，不考慮認(rèn)為錯誤或過失因素。認(rèn)為錯誤或過失造成的結(jié)構(gòu)失效為結(jié)構(gòu)事故，應(yīng)通過質(zhì)量監(jiān)督和加強管理予以克服。一般情況下，總可以將影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素歸納為兩個綜合量，即結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)S和抗力R。令Z=g（R，S）=RS可知Z是一個隨機變量，總可能出現(xiàn)下列三種情況：Z>0,

8、結(jié)構(gòu)可靠Z<0,結(jié)構(gòu)實效Z=0,結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)由于Z可以判斷結(jié)構(gòu)是否滿足某一確定功能要求，因此稱Z為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。而把Z=RS=0成為結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計一般需要解決三個主要問題，首先是有關(guān)結(jié)構(gòu)的失效標(biāo)準(zhǔn)和失效模型；其次是確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計（目標(biāo)）可靠指標(biāo)；再次是推求設(shè)計表達(dá)式。假設(shè)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=RS中，R和S為兩個相互獨立的正態(tài)隨機變量，他們的均質(zhì)和方差分別為R，S，R，S，可得Z的均質(zhì)和方差Z=R-SZ2=R2+S2令=Z/Z，稱為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)。越小結(jié)構(gòu)的失效概率越大；越大，結(jié)構(gòu)的失效概率越小。從概率的觀點，結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)就是保障結(jié)構(gòu)可靠度足夠大或失效概率足夠小，達(dá)到人們可

9、以接受的程度。結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(概率極限狀態(tài)設(shè)計)的理論模式，是在定值安全系數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，按發(fā)展階段和精確程度不同分為三個水準(zhǔn)：水準(zhǔn)半概率法。在荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的基本變量部分的進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，并與工程經(jīng)驗相結(jié)合引入某些經(jīng)驗系數(shù)。故又稱半概率半經(jīng)驗極限狀態(tài)設(shè)計法?！癈EB-FIP國際建議”、我國及美、蘇等國家的現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范基本上均屬半概率法。水準(zhǔn)近似概率法。該法對結(jié)構(gòu)可靠度賦予概率定義，以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)可靠度，并建立了結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計算可靠度指標(biāo)時，考慮了基本變量的概率分布類型和采用了線性化的近似手段，在截面計算時一般采用分項系數(shù)的實用設(shè)計表達(dá)式。當(dāng)前，近似概率法已進(jìn)入實用階段，正逐步發(fā)展成為許多國家制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)。水準(zhǔn)全概率法。對結(jié)構(gòu)各種基本變量分別采用隨機變量或隨機過程描述，要求對整個結(jié)構(gòu)采用精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為可靠度的直接度量。由于目前對結(jié)構(gòu)基本變量