水工结构可靠度设计方法研究

毛峰来

（西藏山南地区水利电力勘测设计研究院　西藏　山南地区　856000）

水工结构可靠度设计方法研究

毛峰来

（西藏山南地区水利电力勘测设计研究院西藏山南地区856000）

我国在社会主义道路上突破各方面的挑战获得了经济上的高速发展，而在经济发展的过程当中水利工程则成为了至关重要的工程项目。水利工程的发展程度与我国社会经济的发展息息相关，与人们的生产生活水平也是密不可分。正因为如此，水利工程的发展成为了时下备受关注的点。我国现阶段的水工结构是越来越复杂，由于人们对于事物的认识角度在发生着很多的变化，对于水工结构的可靠度设计发展而言旧时代的传统水工结构的设计已经完全格格不入。对于水工结构的可靠度设计方案而言正在向着概率设计方案转变。本文之中作者结合多年的实际操作经验和理论依据对水工结构的可靠度设计方式进行相应的推广及应用。

水工结构可靠度设计；概率设计；水利工程

水工结构在长期的发展中一路走来，其最为传统的设计方式为安全系数法，所谓的安全系数法的材料性能以及作用效应等方面都已经被广大设计方熟知，虽然对于这些方面都相当的纯熟，但是因为在设计之中并未对其随机性的概率进行仔细的考虑，所以在使用安全系数法时会有很多的随机性因素出现，其在设计防范的确定性较弱，对材料的性能以及作用组合当中出现的失效概率并未能够给予确切的标准。笔者从多个方面结合实践经验对该问题进行深入的探究和分析，以期达到水工结构的可靠度设计方式的水平进行提升。

1　概述

例如作为我国西部大开发项目当中的重要水利工程之一的某处水利工程项目，该水利工程项目位于山区区域，其建设的环境以及条件都是相当的复杂和严峻的，但是该水利工程的存在对于当地的农业发展以及供水供电等方面都是具有极其重大的意义。由于各方面的原因存在且意义又相当重大就使得建设人员必须极尽注意水工结构方面的设计方案，从而对水工结构的可靠度进行一定程度上的保障。如果想要将水利工程的水工结构进行可靠度的设计的话，就必须先要确定可靠度设计的方案以及理论方式，接下来就对水工结构的可靠度设计方案进行相应的阐述。

2　水工结构可靠度的设计方案

2.1水工结构可靠度理论基础

极限状态的设计方式为水工结构的可靠度理论依据。所谓的水工结构可靠度其实是在原来的安全系数设计方案的根本之上进行完善和发展起来的一种技术。由于我国现阶段水工结构的可靠度设计方案的限制性较多、不可控因素较大，所呈现的结构承受抗力以及作用参数通常情况下会被视为随机变量作为处理。

在水工结构的可靠度设计方案之中，通常的情形之下极限状态主要是效应和抗力形成了极限状态的方程式，该极限状态方程式主要表现为Z=g（R，S）=R-S。但是我们将概率论作为其基础的话，其水工结构的可靠度设计理论可以划分为三大标准：水准Ⅰ、水准Ⅱ、水准Ⅲ。水准Ⅰ则主要是半经验以及半概率的方式，对于结构安全方面所产生的影响条件则是涵盖了材料的强度、负荷值等一系列的数据情况，并且按照实际操作的设计经验为基底并融入经验系数。但是这个方案没法对可靠概率进行详细的统计和计算。与概率设计方式最为接近的便是水准Ⅱ方式，水工作用效应S以及结构抗力S作为随机变量而存在，首先根据提前所设计的概率方案进行分布，对可靠指标以及失效概率进行相应的预估，而后再使用标准差以及均值等方式对参数、表达式以及线性规划等方面进行统计计算处理。水准Ⅲ则是全概率方式，主要是用全部随机变量联合分布的方式作为基础的概率方式，该方式可以将复杂的事物简单化，但是该方式在水工结构的设计之中进行运用的情况并不多。上述三种方式在水工结构的可靠度设计方式之中运用的最为普遍的则是水准Ⅱ，因为该方式与概率设计方式最为接近因而受到广泛的运用。

2.2分项系数极限状态表达式

在当前水工结构可靠度设计中，分项系数极限状态表达式方法得到广泛的应用。在该方法中，作用分项系数r与材料性能分项系数y的物理概念应明确，从而可有效反映出可能存在的不确定性。两个分项系数中可能含有超载、降强等物理概念，但是其与结构安全的关系很小。

根据作用分项系数，其只是作用于变异性，以此来确定材料性能分项系数Y，就能够按材料试件的变异性确定。在水工结构的可靠度设计时，系数R主要代表各种结构抗力中的不确定性，以及材料性能分项系数，而不考虑其他的分项系数。比如几何尺寸的不确定性，可把试件抗力换算成为构件抗力的不确定性。水工结构计算时，可引入系数R，则分项系数表达的极限状态关系式为：

3　水工结构可靠度指标的设定

对于水工结构的可靠度设计而言，其主要的设计依据则是可靠度指标，该指标和工程造价以及使用和后期的维护等方面均息息相关，更是对投资风险的情况以及财产安全的情况都产生一定的关联，由此可知也反映了其结构安全和经济性的重要数据，所以对于结构设计的可靠标准必须进行合理且科学的制定。该标准的确定并不简单，需要设计人员对该可靠度进行充分的认识和了解，并且对经济发展、社会发展以及科技发展的水平均有很大的关联，还要从小到大在，站在高点统筹全局，对整个局面进行把控。

就目前的水工结构可靠度设计阶段而言，其确定的方式主要有三类：①经济优化法；②经济校准法；③事故类比法。在对目标的可靠性标准进行制定的时候其工程结构设计及其理论都要将其融入到参考范围之内，以此保证新老设计规范间的连贯性能够顺畅，以此防止因为材料的用量太大而造成一系列的后续问题发生。

其实在实际的设计规划过程之中上述两种方式应用起来都并不容易，一般情况下会根据可靠度的设计统一指标去使用经验校准法进行选择。所谓的经验校准法其实指的是先行校准设计规范当中的安全度，并且采取反复计算的方式去找到原有设计范围之中所隐藏在结构之中的可靠性标准，一旦找到后再使用相应的分析技术进行调整，提供概率基础之上的可靠度目标值。此方式于考虑设计经验的理论基础之上并综合现代设计规划标准，从设计的合理性出发站在全局的高度上去统筹大局，可以说该方式是一个相对而言比较有效的方式。

4　水工结构可靠度设计方法在应用时所面对的困难

4.1变量的随机性

在所有的可靠度的分析过程之中都存在着或多或少的各式不可确定的因素，所以在进行可靠度设计方式之中最大的困难就是变量的随机性较大，对于抗力以及作用等一系列的随机性因素主要的特性为其不确定性、模糊性以及未认知性。除此之外，对于可靠度的计算结果而言其一样遭受着材料性能以及抗力等情况的不确定影响，在可靠度的设计之中有很多的根本问题并未得到有效的解决，所以还有相当一部分的问题继续完善和提升，这样才能够更加避免由于变量太大的原因所产生的困难。

4.2可靠度设计的安全局限障碍

在水工结构的设计之中其安全性是不容忽视的关键点，可靠度所采用的理论虽然已经达到先进水准，但是其在实操阶段时还是有着一定的限制性。在可靠度理论之中有一些问题是并未妥善解决的，所以经过一段时间的发展和认识就能够感受到这些尚未解决的问题变得阻碍性越来越大，这些待解决问题包括可靠度结构限制问题、受抗力、作用效应以及随机性太大等问题。如果暴漏的问题一直得不到有效的解决，那么对于可靠度的设计安全来说是一大难以逾越的鸿沟。

5　结束语

我国社会主义经济发展大踏步的前进，在经济前进的过程之中水利工程作为重要的支撑项目之一，其发展的情况也收到了国家和人民的高度关注。在水利水电工程日益增多的情况下，其水工结构的可靠度也就变得更加重要，只有将水工结构的可靠度设计进行完善和提升，并且与现代技术相结合才能够创造出更多更优秀的水利水电工程，为我国的经济发展贡献更多的力量。

[1]李红梅，李树山，张伟.水工结构可靠度设计方法[J]建筑工程，2012 （8）：76～77.

[2]何梅.水工结构可靠度设计浅议[J]黑龙江科技信息，2013（22）：56.

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1673-0038（2015）27-0319-02

2015-6-10

毛峰来（1978-），男，助理工程师，大专，主要从事水利水电工程设计工作。