国内外结构可靠性理论的应用和发展

李金涛　宣昌茂

【摘要】结构系统可靠性理论是一门新兴的边缘学科，目前已成为结构设计领域中的一个研究热点。文章通过对国内外结构可靠性理论概述，分析了结构可靠性理论在国内外的应用与发展。

【关键词】结构可靠性；理论应用；设计领域

一、结构可靠性理论回顾

结构系统可靠性理论是一门新兴的边缘学科。它以概率论、数理统计方法和随机过程理论为基础，以结构分析的有限元法和网络分析技术为工具，从系统角度出发，将结构系统的设计、分析、评价、检测和维护等融为一体。作为一种科学分析方法和实用技术，狭义地讲，它研究结构系统在规定的使用条件与环境下，在给定的使用寿命期间，能有效地承受载荷和耐受环境影响而正常工作的概率。

将概率论和数理统计方法应用于结构可靠性分析的最早尝试可以追溯到20世纪初Forsell和Mayer等人的工作。尽管这些早期研究工作富有创造性，但由于当时的科技发展水平和实际需要，结构系统可靠性作为一种新的设计思想和分析方法并未引起社会的足够重视。第二次世界大战期间及随后的岁月中，有关机电设备、船舶、压力容器、飞行装置和海上石油勘探平台等，在设计使用寿命期限内，在规定的荷载条件与环境下，不能预期正常工作的事例不断增多和日趋严重。这说明了以安全系数法为代表的传统设计方法对环境条件和结构特性的决定论假设是不适当的，必须从概率论的观点出发，对有关的设计参量进行统计分析，研究它们的分布规律和相关特性，从而制订出一整套新的合理的设计规范。

Borges研究了荷载和应力的分布规律。Torroja和Peaz根据荷载和应力分散现象产生的各种原因作了推断其所属分布类型的初步尝试。Freudenthal采用全概率分析方法，研究了传统的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系，提出了考虑多种因素，主要是有初始损伤条件下的结构系统可靠性分析的数学模型。正是由于Freudenthal等人的卓越工作，才促成了结构系统可靠性分析理论由经典向现代的过渡。

Hasofer和 Lind建议根据失效面而不是失效函数定义失效模式的可靠指标β。对于同一失效面，这样定义的β不会由于选择不同的等价失效函数而发生变化。Rackwitz和Fiessler提出了一种有效的算法使得任何非正态随机变量都能够在设计点处转化为正态随机变量，从而使计算由非正态随机变量和非线性极限承载状态构成的失效模式的失效概率成为可能。

由于Hasofer，Lind和Ditlevsen等人的卓越工作，80年代以来，与有限元法、计算机应用技术和实用概率网络分析理论的迅猛发展潮流相呼应，以一次二阶矩方法为基础的现代结构可靠性分析理论和应用技术开始了由构件级水平向系统级水平的实质性过渡。这一时期，在理论研究方面，Comell，Stevensen和Rosenbluth等人都做了不少的工作，推动了可靠度理论的飞速发展。

二、国外可靠性理论的发展和应用

在北美，美国是结构可靠性理论与应用的代表，也是国际上较早开展结构可靠度研究的国家之一，公认1947 年美国Freudenthal A1M1 教授的论文“结构安全性”是结构可靠性理论系统研究的开始，在实用化方面，1969 年美国Cornell ，C1A1 教授提出了结构可靠指标的概念。20 世纪60～70 年代，美国在发生了一些房屋安全事故后，引发了对建筑物安全问题的重新思考，认识到容许应力设计法的缺陷，以及为保证结构极端情况下安全性和正常使用情况下良好工作性能的重要性。结合当时可靠性理论的研究，探讨考虑荷载和材料性能随机性的可靠度设计方法。钢结构规范中荷载和抗力系数设计（LRFD）方法的提出是美国结构可靠度理论应用的开端。但随后意识到必须将荷载系数与结构材料有关的系数相分离，否则会出现因各规范编制组协调不好，不同材料结构中的同种荷载分项系数不同的不合理局面。在这种前提下，确立了美国国家标准委员会A58《建筑及其他结构最小设计荷载规范》的独特地位。1978 年，在美国建筑技术中心结构分部工作的Ellingwood 教授主持了基于概率的极限状态设计荷载要求的研究项目。研究成果反映在1980 年出版的NBS 特别报告577“美国国家标准A58 基于概率的荷载准则”上。随后的工作则是基于概率的设计理论在各种结构中的应用。1985 年开始由美国土木工程师学会（ASCE）按标准7 出版，自1982 年至今一直为美国所有标准、规范极限状态设计方法所参考，这包括美国钢结构协会的钢结构规范AISI (1986、1994 和2000年版) 、木结构ASCE 标准16 - 95 及美国混凝土协会混凝土规范ACI 318 - 96（附录C）。

在亚太地区（美国除外），中国应该是可靠度应用研究和在设计规范中应用最早的国家。除中国外，还有日本、澳大利亚等。日本在结构安全和可靠性方面的研究已有40 余年的历史。日本建设部曾试图将桥梁结构设计中的容许应力法改为极限状态设计法或荷载与抗力系数设计法，尽管做了很多努力，日本的桥梁设计仍采用容许应力设计法。日本土木工程师学会建议在混凝土结构中采用极限状态设计法。近年来，伴随WTOPTBT 协定的生效，日本特别关注国际标准与欧洲标准的发展动向。由于加入WTO 的国家要服从国际标准，并注意到欧洲规范正逐步统一，1998 年日本成立了一个由建筑和土木工程各领域專家组成的委员会和秘书委员会，编写包括各领域和结构类型的综合性规范《建筑及公共设施结构设计基础》。目的是通过这一规范的基本原则将各领域规范纳入同一个框架中。该规范明确提出，“可靠度设计的概念是校核功能要求的基础”，“用可靠度的概念作为设计基础”的目的是“考虑外部作用和抗力的不确定性，在设计使用年限内，将超过所考虑极限状态的概率限定在允许的目标值内”。“将《结构设计基础》置于可靠度设计的概念上，保证了日本标准与国际标准的协调。”与ISO2394：1998 和EN 1990 不同的是，在日本的《结构设计基础》中，极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和可恢复极限状态，这是因为日本是多地震国家，震后受损结构的修复是重要的。为适应国际经济发展一体化的要求，在亚太地区，国与国在结构设计标准方面的协作也日益加强。以ISO2394 : 1998 为基础，澳大利亚和新西兰共同起草了一份关于一般设计要求的标准“DR 99309，1999 : 结构设计——一般要求和设计作用，第0 部分: 一般要求”，目的是协调亚太地区发展和发展中国家设计标准的不同要求。2002 年在亚太平洋地区征求意见，并探讨用ISO 2394 的分项系数模式取代现行荷载和抗力系数模式的可行性。根据结构类型、对公众团体的重要性和减少风险所付费用，该标准提出一个确定设计作用的新方法，目的是提供一个适合于不同经济发展水平国家不同要求的标准模式。另外，中国、日本和韩国就港口工程技术标准的协调和发展问题进行过联合研究，其中的一个重要方面是研究和理解国际标准和欧洲标准及基于可靠度的分项系数设计法。

在韩国，结构标准分为设计标准和附属技术标准两类，根据相关的法律，设计标准作为国家标准。大多数混凝土结构和钢结构采用了极限状态设计原理，而土工结构（如基础和挡土墙）仍使用容许应力设计法。但是，目前修订的“结构基础设计规范”采用了极限状态设计法，也允许使用容许应力设计法。韩国表示，韩国是WTO 的成员国之一，如果颁布了ISO标准，韩国政府要用它作为国家标准。

丹麦按极限状态和分项系数的设计方法可追溯到20 世纪50 年代。1983 年，丹麦所有的荷载、结构和土工设计规范都采用了统一的分项系数极限状态设计表达式。1996～1999 年间，丹麦对结构规范（设计基础、作用和荷载、混凝土、钢、木、砌体和基础）进行了修订，并对旧的规范进行了可靠度校准。根据校准结果将目标可靠指标确定为βT = 4179 ，以此为基础，优化选定了新规范的分项系数。瑞典1989 年开始采用分项系数方法，并出版了一套设计手册。抗力系数隐含在混凝土和钢的规范中。同时用容许应力设计法进行了校准。德国有一套非常完善和详细的国家标准，称为“国家工业标准（DIN）”。国家工业标准包括结构设计，而且非常成熟并包含了工程的各个方面。先前的规范采用综合安全系数法（荷载< 强度PFS），类似于容许应力法，最新的德国荷载规范DIN 1055 （草案）和混凝土设计规范DIN 1045（草案）采用了以可靠度为基础的分项系数方法。捷克1998 年版的结构设计规范（CSN 73 1401 —1998）包含了概率设计概念的条文，规定<，其中为规范中规定的目标概率。目前，正式的欧洲规范正在实施过程中，由于欧洲规范采用了以概率为基础的极限状态设计法，这也就意味着在欧洲共同体范围内，结构的设计方法正逐步向可靠性设计法过渡。

【作者简介】李金涛，男，河南省第一建筑集团有限责任公司助理工程师，研究方向：建筑施工；宣昌茂，男，河南省第一建筑集团有限责任公司工程师，研究方向：建筑工程技术。