土木工程结构可靠性研究进展

李宁

摘要：自20世纪20年代以来，工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。但还不够完善，本文简要叙述了影响土木工程结构可靠性的几种不确定性因素，并进一步分析了可靠性理论在工程结构设计规范的发展中所起的推动作用；从而为在土木工程结构可靠性方面研究的进一步发展提供参考。

关键词：土木工程结构、可靠性、设计规范

前 言：

工程结构是指由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物，在我国将结构可靠性的概念及计算理论引入建筑结构设计的规范体系，并在评价结构性能时将它作为基本指标而制定了相应的国家标准以来，在结构工程中的各个领域内，结构可靠性的研究工作在国内先后得到广泛的开展。

1、影响土木工程结构可靠性的一些不确定因素和设计规范研究

1.1 影响工程结构可靠性的一些不确定因素

结构可靠性是指结构在规定的时间内、在规定的条件下完成预定功能的能力，它包括结构的安全性、适用性、耐久性等方面。其在设计、施工、使用过程中具有种种影响这些方面的不确定性因素：

（一）工程全过程中事故发生的随机性：工程在设计，施工，使用过程中可能会出现由于事件发生的条件不充分，使得在条件与结果之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性，这种不确定性是难以预料的，其在数学方法上表现为随机性.研究事物随机性问题的数学方法主要有概率论、随机过程和数理统计。

（二）工程结构具有模糊性：人们对客观事物认识的不确定性，除了由于无法控制的因果关系形成的随机性外，确实还存在着很多模棱两可的模糊因素。自美国zadeh创立模糊集合论以来，用数学语言描述事件的模糊性就有了可能，以往将这类不定性归为主观不定性，对这类不定性习惯上也武断地按随机性对待。引入由隶属函数刻划的模糊性后，以概率度量的结构可靠性将改为模糊概率来度量。

（三） 工程结构理论的不完善性：工程结构理论是由若干相互联系、相互作用的要素所构成的具有特定功能的有机整体.人们常用颜色来简单地描述掌握事物知识的完善程度，并把事物（或称系统）分为三类：白色系统、黑色系统、灰色系统.对知识的不完善性处理还没有成熟的数学方法，在工程实践中只能由有经验的专家对这种不确定性进行评估，引入经验参数。

1.2 工程结构的设计标准和规范体系研究

自20世纪20年代起，国际上开展了结构可靠性基本理论的研究，并逐步扩展到结构分析和设计的各个方面，包括我国在内，研究成果已应用于结构设计规范，促进了结构设计基本理论的发展。同时我国在工程结构可靠性研究的发展过程中，进行了大量的理论研究、资料收集和数据实测工作，总结了我国工程实践经验，采用以随机可靠性理论为基础、以分项系数表达的概率极限状态设计方法，作为我国土木、建筑、水利等专业结构设计规范改革、修订的准则.全国土木、建筑、水利各专业直接为工程技术人员使用的结构设计规范在“统一标准”的统一指导下，进行了大规模的修订或编制，工程界形象地称之为规范的“转轨”，就是指从原规范的以经验为主的安全系数法转为以概率分析为基础的极限状态设计法.这项工作的规模和深度已超过了世界上一些先进国家，大大提高了我国结构设计规范的科学水平，使我国工程结构设计规范跻身于世界先进行列。

2、工程结构可靠性研究的进展研究

2.1 工程结构的概念分析

钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的工业与民用建筑的承重结构，公路和铁路的桥梁、港口工程的码头，水利工程的堤坝、水闸，给水排水构筑物的水池、水管等，统称为工程结构。这些结构需要安全可靠地承受设备、人群、车辆等使用荷载，经受风、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土压力、地震等环境的作用.它们安全可靠与否，不但影响工农业生产，而且还常常关系到人身安危.特别是一些重要的纪念性建筑物，作为一个时代的文化特征，将留传后世，对安全可靠、适用、美观、耐久等方面，有更高的要求.

2.2 工程结构可靠性进展的一般理论研究

2.2.1 结构体系可靠性研究

随着结构可靠度理论在建筑、铁路、公路、港工和水利水电五大工程部门中的应用日益广泛逐步深入，人们深知一个结构体系的可靠度不能仅由其局部元件对某种失效形态可靠度加以度量。因此，现在设计规范中规定的结构目标指标，实际上是指失效问题而言的。对由诸元件组成的结构体系，其可靠度应由诸元件以及体系的各种失效模式所确定的极限状态方程得出。为了不断提高设计规范的质量水平，全国工程结构基础标准技术委员会1986年第二次全体委员会制定的科研项目中，对体系可靠度的研究十分重视，将连续梁、简单刚架、高桩码头、重力坝等结构体系的可靠度分析列为研究课题，这种形势在客观上促进了结构体系可靠度理论的发展。

2.2.2 结构抗震可靠性研究

在工程结构的设计中，要考虑的动态作用主要有地震、强风、波浪力等，这些作用不仅在事件发生的时间和空间上是随机的，而且每次事件作用的强度随时间的变化规律，也是随机的。因此，结构抗震可靠性的研究在我国日益受到重视，抗震可靠性的分析一般采用首次超越和低周疲劳破坏的分析方法，其中首次超越的界限，在弹性分析中一般沿用了结构构件承载能力的允许值，在弹塑性分析中采用了延性系数的允许值。这些界限值假定具有某种概率、分布，近来也有学者提出应考虑界限模糊性的观点。这些方法都是可取的，值得沿承的。

2.2.3 岩石工程的可靠性研究

国内在岩土工程中应用概率统计方法的问题，在80年代初期开始得到了重视。并进行了深入的研究，通过多年的研究与发展，大致确定了以下几个方面：（一）在概念方面的探讨，这部分虽然数量不多，但内容却十分重要。（二）岩土参数估计的研究，这是岩土工程可靠度分析中的关键和难点，以此为主的论文约占四分之一。（三）将可靠性方法引入到各类岩土工程的问题，包括计算分析方法的研究，除了一次二阶矩验算点方法外，随机有限元、高阶矩、Monte一Carlo等方法也开始引入到岩土工程的可靠性分析中来。目前在岩土工程可靠性研究方面，与上部结构相比，其成果尚未成熟到可供实用的阶段，但与上部结构采用不同设计原则的状况也不容许持续太久，加速实用化研究是势在必行。

2.2.4 结构疲劳可靠性研究

近年来随着铁路和公路桥梁、吊车梁、铁路混凝土轨枕、海洋建筑物等承受疲劳荷载的

结构物的发展以及结构可靠性理论在土木工程中的广泛应用，結构疲劳可靠性问题日益受到

重视： 例如：开展了以可靠性理论为基础的轨枕疲劳设计方法和不稳定重复荷载下的混凝土受弯构件的疲劳可靠性设计问题，同时在原国家建委支持下，中国建筑科学研究院、太原工学院、冶金部建筑研究总院等单位进行了大量的混凝土受弯构件正截面和斜截面在等幅荷载下的试验研究工作，为进一步开展疲劳可靠性的研究积累了可供利用的资料。

结束语：

一直以来，土木工程结构的安全性与耐久性一直是设计者与使用者非常关注的问题，它关系到安全与经济的协调、基础设施的投资等，并与国家现行政策、法规以及未来的经济发展息息相关，由此可见，其是一个复杂的系统工程问题.，国家对其高度重视，加强研究力度。

参考文献：

[1] 赵国藩 我国土木工程结构可靠性研究的一些进展[J] 大连理工大学学报，2000.40（3）

[2 ]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M]. 大连：大连理工大学出版社，1996.

[3]伍朝晖.工程结构可靠度理论分析研究[D].大连：大连理工大学，1997.