结构可靠度在水工结构设计中的应用研究

柴扬

【摘要】随着经济社会的快速发展，水利水电工程逐步增多，在经济社会发展中发挥了重要的基础性作用。而水利工程，水工结构可靠性设计是需要引起设计单位高度重视的重要环节。

【关键词】水工结构；可靠度；设计方法

传统的水工结构设计方法是安全系数法。这种方法的材料特性和效果已为设计师所熟悉。然而，由于设计中没有考虑随机性的概率，因此安全系数法是确定性的设计预防措施，对于材料性质和行为组合的失效概率没有明确的规定。本文对其进行分析，以提高水工结构可靠性设计的整体水平。

1、水工结构可靠度设计方法

1.1、水工结构可靠度理论

水工结构可靠性的理论基础是极限状态设计方法，它是在原有的安全系数设计方法的基础上进行的。目前的水工结构可靠度设计方法比较有限，表现出承受阻力的结构和参数的作用，通常被视为随机变量。在水工结构可靠性设计中，正常情况下，极限状态由极限状态方程的效应和阻力组成，以此来描述极限状态方程为Z=g（R，S）=R-S。然而，根據概率论，水工结构可靠性设计理论分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个层次。I级是半概率半经验方法，结构安全性的影响因素主要包括材料的强度和载荷，根据实际设计经验引入经验系数。该方法无法进行可靠概率计算。水准Ⅱ与概率设计方法相似。水工作用效应S和结构抗力S为随机变量。根据预先设定的概率分布来估计概率分布。然后使用标准差和均值统计参数或表达式来计算线性规划和处理。Ⅲ级全概率法，是一种基于所有随机变量联合分布的概率方法，可简化复杂问题，但在水工结构设计中很少使用。目前，在水工结构可靠度设计方法中，Ⅱ级概率的近似设计方法应用最为广泛。

1.2、分项系数极限状态表达式

在目前的水工结构可靠性设计中，子系数极限状态表达方法得到了广泛的应用。在这种方法中，部分作用系数r和材料属性y的部分系数的物理概念应该是清楚的，以便可以有效地反映可能的不确定性。这两个子因素可能包含超载和退化等物理概念，但与结构安全的关系较小。根据只作用于变异性的子系数的作用，为了确定材料属性的子系数y，可以由材料试样的变异性来确定。在水工结构的可靠性设计中，系数r主要表示各种结构抗力的不确定性，以及材料性能的子因素，而不考虑其他因素。比如几何尺寸的不确定性，试样的电阻可以转换成元件的电阻不确定度。

2、水工结构目标可靠指标的确定

在水工结构的可靠性设计中，可靠性指标是设计的主要依据，与工程造价，后期使用维护等密切相关，反映投资的结构安全性和经济性风险，财产安全等等。因此，需要合理的结构设计可靠性指标。确定结构性指标的可靠性，以及设计人员的设计可靠性水平意识，还要结合经济社会科学技术发展水平，把握整体的需要。现阶段确定水工结构可靠指标的方法有三种：一种是经济优化法，另一种是经验校准法，第三种是事故类比法。在确定目标可靠性指标时，应考虑工程结构设计和设计理论，确保新旧设计规范之间的衔接，防止材料过量造成的问题。

在设计过程中，事故类比和经济优化方法难以应用。统一的标准可以根据可靠性的程度进行设计，可以采用经验校准的方法。经验校验方法是预先检查设计规范的安全性，通过反复计算，寻找原始设计规范中隐含的可靠指标，并通过分析调整给出基于概率的目标可靠性指标。基于设计经验，结合当前的设计规则，该方法可以把握设计的整体合理性，是一种有效的方法。

3、水工结构可靠度设计方法应用中的障碍

3.1、变量不确定

在可靠性分析中，阻力，效应和极限状态方程存在不确定性。不确定性是可靠性设计方法应用的头号障碍。阻力和作用的不确定性等因素，其主要特征是模糊的，随机的和无法识别的。另外，可靠性计算结果也受随机样本如材料性质和阻力的影响。可靠性设计中的许多基本问题尚未解决。例如，阻力和效应的统计特征仍然需要改进。

3.2、可靠度理论度量结构安全局限性问题

水工结构安全性评估，可靠性理论较为先进，但在应用上仍存在局限性。可靠性理论的一些问题尚未解决，如结构可靠性约束，阻力效应，随机过程作为随机变量的一个因素。随着认识的不断深入，这些制约因素受到质疑，大数据统计如使用概率论和可靠性理论，阻力与载荷统计等都存在很大的问题。然而，从最短的设计规则来看，负荷的变化导致了概率可靠性理论的简化，一定程度上忽略了社会因素和经济因素等理论因素。水工结构荷载与作用效应的耦合作用比荷载具有更大的不确定性，而荷载和荷载不确定性之和难以估算。

运用可靠性理论在安全评价中，包括作用效应和阻力因素两种效应，通过样本统计的方法得到可靠指标的联合概率。水工结构安全评估中的认知指标和模糊指标是非随机不确定性因素，不能用数学方法计算，应根据工程经验加以解决。目前，在许多复杂的结构中，阻力效应参数的价值主要受模糊性和非认知性因素的影响。因此，在水工结构设计中，不仅要考虑可靠指标β的不确定性和随机性，还要考虑安全系数不能代替不确定性。这个限制是可靠性设计方法应用的重要障碍。总之，在水工结构设计中，为了推广应用结构可靠度理论，可以采用极限状态设计方法的概率。

结束语：

由于水工结构日益复杂，人们认识事物的视角不断变换，传统的水工结构设计和水工设计开发的结构可靠性需求不能满足要求。所以水工结构可靠度设计方法正转变为概率设计方法。

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