针对水工结构在可靠度设计方面的研究

摘 要：随着时代的发展，水工结构的可靠度设计发展得越来越好，人们有了更新的创意，不再拘泥于传统的水工结构，而是通过进一步的创新来加强水工结构的可靠度。对水工结构设计其可靠度也改变为了对概率的设计。作者通过自己的切实实际经验和自己的学习研究以及对参考文献的參考，水工结构的可靠度设计有了新的方法和理念。

1 概述

贵州省作为我国西部水利工程重点建设地区，所处的地理位置较为偏远，对水利工程的建设也比较困难，但是水利工程对于贵州地区的农业以及水电方面又有着必不可缺的作用，所以，水利工程的可靠度显得尤为重要。

对水利工程的可靠度设计，第一步就是要了解可靠度设计的具体理念和操作方法。

2 水工结构可靠度设计方法

2.1 水工结构可靠度理论

水工结构可靠度理论是在原有安全系数设计方法基础上发展起来的，其理论基础是极限状态设计方法，表现为结构承受抗力与作用参数。因为目前的水工结构可靠度设计方法的局限性较大，所以水工结构可靠度理论所得出的数据一般被用作作随机变量。

水工结构可靠度设计理论可由两方面来描述。一方面，在一般情况下，以极限方程来描述水工结构可靠度设计理论，极限状态方程为Z=g（R，S）=R-S，其组成为极限状态由效应和抗力。另一方面，以概率论来描述水工结构可靠度设计理论，理论可分为：水准Ⅰ、水准Ⅱ、水准Ⅲ。水准Ⅰ半概率和半经验方法，该方法无法进行可靠概率计算。因为结构安全的影响因素，主要包括材料强度、荷载等，根据实际设计经验，引入经验系数。水准Ⅱ近似概率设计方法，其水工作用效应S和结构抗力S为随机变量，先按照之前预设的概率分布，估算可靠指标或失效概率，再用标准差和均值统计参数或表达式、线性规划处理。水准Ⅲ全概率方法，是以全部随机变量联合分布为基础的概率方法。虽然这种方法能将复杂问题变得简单化，但是在水工结构可靠度设计中很少运用这种方法。

2.2 分项系数极限状态表达式

分项系数极限状态表达式方法在水工可靠度设计中运用广泛。在运用该方法时，为了有效地反映出可能存在的不确定性，应该明确作用分项系数r与材料性能分项系数y的物理概念。两个分项系数虽然可能含有降强、超载等物理概念，但是很少会影响到结构安全。

作用分项系数r作用于变异性，根据材料试件的变异性来确定材料性能分项系数y。在水工结构的可靠度设计时，作用分项系数r主要代表各种结构抗力中的不确定性和材料性能分项系数，不用考虑其他分项系数。根据《水利水电工程可靠度设计统一标准》（GB 50199-94）的相关规定，水工结构安全等级基础为Ⅱ级结构，水准Ⅰ、水准Ⅱ和水准Ⅲ的结构系数分别为1.1、1.0、0.9。

3 水木结构目标中可靠指标的确定

可靠度指标在现实的生产与生活中有许多重大的用处，在水木结构可靠度设计中，可靠度指标也是设计师们设计的主要依据之一，与许多现实因素有重大的关系。在水木建设常见的工程造价中，以及建设中各种大小型设备的使用和后期的维护中，可靠度指标与它们的关系都密不可分，有着密切的关系。不仅如此，水木结构目标可靠指标的确定还直接影响了投资风险的大小、财产安全等各种经济因素，鉴于以上各种因素，所以无论是在哪种工程中。都要合理确定结构设计的可靠指标。结构可靠指标的确定也与众多的因素有着直接的关系。首先，结构可靠指标的确定与设计人员分不开。设计人员们对设计可靠度的认识水平各不相同、参差不齐，会直接导致结构可靠指标的确定。其次，结构可靠指标的确定还与国家的经济社会的发展水平有着分不开的关系。正如政治学中所说的，经济基础决定上层建筑。最后，结构可靠指标的确定与科技发展水平有着密不可分的关系，科技是第一生产力。鉴于以上三点要素，可以从中得知，结构可靠指标的确定需要从整体式进行把握，切不可片面。

在实际的设计过程中，用经济优化法、经验校准法、事故类比法来确定水工结构目标可靠指标并不是百发百中的。在实际的应用中，比较困难使用的是第一种经济优化法和第三种事故类比法。因此，设计师们大多可按照第二种方法即经验校准法。这也是可靠度的设计的同一标准。

4 水工结构可靠度设计方法应用中的障碍

4.1 变量不确定

不确定因素即无法在实验前预先知晓的因素，它们在可靠性设计方法中经常会出现，并且往往是难以避免的，虽说偶尔的不确定因素会给我们的研究带来了意外的惊喜，但同时，不确定因素也会给我们带来很多失望和无奈，这会成为研究人员的大麻烦。如在对可靠度分析、抗力、作用效应和极限状态方程中，一些模糊的不确定因素会造成一系列的阻力和干扰。这些不确定因素发生时间和状态是说不准的，它们不是在每一次实验中都会出现，它的出现具有随机性和偶然性，概率并不会很大。

4.2 可靠度理论度量结构安全局限性问题

虽然说可靠度理论可以称之为一种比较领先的理论，但当它应用于评价水工结构的结构安全性时，难以避免地会出现局限性。可靠度理论在实际操作中，涌现了不少问题。但结构可靠度约束问题、受抗力与作用效应、随机过程为随机变量等因素所制约等问题随着时间的迁移，科研人员的认识水平不断提高也出现了一些不认同的声音。在对大量数据进行统计过程中，如果引入概率可靠度理论，抗力与荷载统计是不被认可的。荷载变化会导致概率可靠度理论变得简单化，会在一定程度上不把一些社会因素、经济因素纳入考虑范围，而这往往是很重要的理论因素，是不可以被忽略的，而它恰恰被忽略了，这是不符合设计规范的。如果水工地下结构荷载和作用效应耦合了，耦合即是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象，那么就会出现比荷载更大的不确定性，所造成的构件和荷载的不确定性的总和是无法计算出来的。

作用效应和抗力因素是在对水工结构进行是否足够安全的评价时会采用的可靠度理论。可靠度指标的获得靠对一系列的样本进行统计分析后得出，概率的得出往往也靠这种方法。而另外一些水工结构安全评价中的指标则比较麻烦，如认知性、模糊性，它们无法以数学的运算方式简单计算出来，它们的获得主要依靠科研人员的工程经验。当今社会，不少相对复杂一些的水工结构中，如果要确定对抗力和作用效力的参数的具体数值，一定从模糊性和未认知性这两方面进行综合考量。因此，我们得出，除了不确定因素中的随机性可靠指标β，我们在对水工结构进行设计时，一定不要忘了对无法取代不确定因素的安全因素 K也进行准确的分析。

5 结语

在我国当前的社会中，经济社会快速发展，由此带动了水利水电工程的发展。而另一方面，水利水电工程的逐渐增多，也使得它在经济社会发展中发挥着日益重要的基础性作用。而水工结构可靠度设计又是水利工程中的一项重要的内容。综上所述，水工结构可靠度设计亟需引起设计单位和各部门的高度重视，以发挥其应有的价值。

作者简介

陈亚威（1994-），女，汉族，永嘉人，郑州大学水利与环境学院 专业：水利水电工程，研究方向：水工结构。