浅谈结构可靠度在水工结构设计中的运用

况建国

摘要：结构可靠度理论是目前水工结构设计中普遍采用的数理基础，它适应了水工结构自身的复杂性特征，为水工结构的结构质量和结构水平提供了科学的量化手段。本文着眼于水工结构当下的理论依据，通过对研究设计情况的结构，来探讨不同的可靠度设计方法在水工结构中的具体应用。

关键词：结构可靠度 水工结构设计 道路设计

引言：由于道路自主设计和设计结构科学精确度的严格要求，相关单位对于各类不稳定的变动结构因子的把控更加严格，可靠度理论范围被应用化扩大到水工结构设计的各个方面。安全系数方法和概率计算法是水工结构设计两种最常用的设计方法，由于现阶段水工结构设计复杂性、特殊性及不稳定性特征的凸显，结构设计人员应由传统的安全系数方法向概率计算法转变，不断完善和加强可靠度的理论及实际概率数据的统计和计算，提高水工工程结构的质量和其水平的高稳定性。

一、可靠度设计在水工结构中的功能概述

（一）可靠度设计在水工结构中的重要性。可靠度设计对水工结构在工程结构架构的稳定性、整体的安全性有决定性的维持作用。从经济角度出发，工程总耗资中水工结构的投入系数比重较大，水工结构设计出现偏差，很可能会导致工程工期延长，建设方经济负担加重，工程停摆;从工程本身出发，它不但会威胁到施工单位人员的人身安全和日后的公共安全，而且会加大水工结构更新的设计难度，对施工周边范围的自然生态造成二次或多次损害，对后续的设备调控部署产生重大影响。因而要求，施工设计单位从上到下贯彻落实检验水工结构可靠度方式方法，包括水工结构的施工角度校验，工程地基的荷载力、防水材料的选用、地形建构合理性、水地边界条件及计算模型等，将动态因素设为随机变量，以数理方式地推算不定因素对整体施工完工质量的影响，用科学严谨的态度为完善和优化总体效果提供最基本的理论指导。

（二）可靠度设计方法在水工结构中的意义。可靠度的基础数理理论在当下工科课程中，已经成长为一门理论与应用并重的学科，水工结构的施工角度校验，工程地基的荷载力、防水材料的选用、地形建构合理性、水地边界等多个不定因素，对水工结构自身的耐适性、安全性及后续可发展性产生不良影响，需利用安全系数法或概率统计法将它们数据直观化，方便施工人员对相关的部门单位进行检测或设计规避。

（三）可靠度设计数据在水工结构的现状。从当前可靠性的数据应用情况来看，数据采集及整理应用效率与全国整体的水工结构工程数量相比较低下，使水工结构可靠度分析缺乏广谱的样本内容，呈现出区域的局限性，无法在全国推广应用集成工作，因此建立全国性质水工结构数据村存储总库和地方分库，能为日后全国乃至地方的水工结构可靠度不定因素参考提供较为全面和切实的理论资料基础，通过概率统计法可按可能性大小排列出水工结构可靠度设计指数，能够有效规避水工结构中的明显设计缺陷，有利于集合结构可靠度目标及局部细节规整。但由于水工结构不定因子日渐复合化，相关工作人员也应将工作重点放水工结构的施工角度校验，工程地基的荷载力、防水材料的选用、地形建构合理性、水地边界条件等因子的判断，并在概率计算法上不断优化组合，争取形成以部位联系整体的可靠新形势。我国目前水工结构可靠度设计仍处在对单个构件或关键部位的单向阶段，对整体可靠度的分析还停留在初始的阶段，需要建构各结构可靠度标准及计算方式进行系统的数据管理。

二、水工结构可靠度具体结构的设计

从经济投资回报、公共资源、公共安全效益、地区资源生态保护、社会人文建造价值利益等方面综合考量，对水工结构可靠度的设计方法模式进行地区性式筛选和地区性淘汰，从现实出发，因地制宜。

（一）解析水工结构可靠度计算模型

1.构建水工结构极限状态表达式。在水工结构可靠度设计中，把多个不同累动因子列成多项式，根据影响大小设置分项系数，这样一套的分项表达式，在数理上描述结构中存在的累动因素对水工结构的影响。在使用此种方式时，应交错明确变异性水工结构不同的可靠度分项系数，水工结构的施工角度校验，工程地基的荷载力、防水材料的选用、地形建构合理性、水地边界条件都应该协同进行数据参数设置，以更好地对水工结构不稳定因素进行判断。2.设立量化的可靠指标。在解析水工结构可靠度计算模型构建的阶段中，相关部门施工测算人员还应建立明确的量化指标。举例，工程目标可靠指标要同工程维修维护成本、投资风险、工程周期排布、施工测算环境生态补偿金等现实量化指标相结合，从现实意义的角度反映出水工结构可靠度设计的经济投资回报效益，地区分布经济效益、地区资源生态及安全效益，还应结合经验校准法、经济优化法及事故类比法能够联系附近水工结构设计规范，量化明确可靠指标。3.试算水工结构可靠度。以抽样法、一次二阶矩法、高次高阶矩、遗传算法等测算方式对水工结构内部可靠性进行系统功能系数测算。可靠度设计遗传测算法能够在水工結构种群个体中表现为遗传操作，对相似种群个体结构进行水平统一的数测调整，以极限方式最大地优化排除该类别种群中不稳定的累动因子，促使结构可靠度达到计划理论最优解。

（二）结构可靠度的现实原因架构

可靠度理论在水工设计的不定因素排除分析、概率模型建构等方面存在其理论和现实的局限性，在与水利工程结构相关的单位及施工部门没有得到人手及人员的配备，也就相应阻碍了提升水工结构现实结构的整体可能性，如工程钢闸门、土石坝、水电站厂房等西北荒漠地区，落后于沿海江浙地区的实际水工结构设计的理论总体水平。水工结构可靠度设计结构抗力荷载效应进行了系统研究，并采用校核法及其他研究方式对结构进行可靠度设计。

结束语：由于现阶段水工结构设计复杂性、特殊性及不稳定性特征的地区局面的差异性大，结构设计人员要不断完善和加强可靠度的理论及实际概率数据的统计和计算，提高水工工程结构的质量和其水平的高稳定性。