國內(nèi)外結(jié)構(gòu)可靠性理論的應(yīng)用和發(fā)展

李金濤　宣昌茂

【摘要】結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性理論是一門新興的邊緣學(xué)科，目前已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。文章通過對(duì)國內(nèi)外結(jié)構(gòu)可靠性理論概述，分析了結(jié)構(gòu)可靠性理論在國內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)可靠性；理論應(yīng)用；設(shè)計(jì)領(lǐng)域

一、結(jié)構(gòu)可靠性理論回顧

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性理論是一門新興的邊緣學(xué)科。它以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和隨機(jī)過程理論為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)分析的有限元法和網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)為工具，從系統(tǒng)角度出發(fā)，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)、檢測和維護(hù)等融為一體。作為一種科學(xué)分析方法和實(shí)用技術(shù)，狹義地講，它研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在規(guī)定的使用條件與環(huán)境下，在給定的使用壽命期間，能有效地承受載荷和耐受環(huán)境影響而正常工作的概率。

將概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)可靠性分析的最早嘗試可以追溯到20世紀(jì)初Forsell和Mayer等人的工作。盡管這些早期研究工作富有創(chuàng)造性，但由于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平和實(shí)際需要，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性作為一種新的設(shè)計(jì)思想和分析方法并未引起社會(huì)的足夠重視。第二次世界大戰(zhàn)期間及隨后的歲月中，有關(guān)機(jī)電設(shè)備、船舶、壓力容器、飛行裝置和海上石油勘探平臺(tái)等，在設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)，在規(guī)定的荷載條件與環(huán)境下，不能預(yù)期正常工作的事例不斷增多和日趨嚴(yán)重。這說明了以安全系數(shù)法為代表的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特性的決定論假設(shè)是不適當(dāng)?shù)?，必須從概率論的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)有關(guān)的設(shè)計(jì)參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究它們的分布規(guī)律和相關(guān)特性，從而制訂出一整套新的合理的設(shè)計(jì)規(guī)范。

Borges研究了荷載和應(yīng)力的分布規(guī)律。Torroja和Peaz根據(jù)荷載和應(yīng)力分散現(xiàn)象產(chǎn)生的各種原因作了推斷其所屬分布類型的初步嘗試。Freudenthal采用全概率分析方法，研究了傳統(tǒng)的安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)破壞概率之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了考慮多種因素，主要是有初始損傷條件下的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析的數(shù)學(xué)模型。正是由于Freudenthal等人的卓越工作，才促成了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析理論由經(jīng)典向現(xiàn)代的過渡。

Hasofer和 Lind建議根據(jù)失效面而不是失效函數(shù)定義失效模式的可靠指標(biāo)β。對(duì)于同一失效面，這樣定義的β不會(huì)由于選擇不同的等價(jià)失效函數(shù)而發(fā)生變化。Rackwitz和Fiessler提出了一種有效的算法使得任何非正態(tài)隨機(jī)變量都能夠在設(shè)計(jì)點(diǎn)處轉(zhuǎn)化為正態(tài)隨機(jī)變量，從而使計(jì)算由非正態(tài)隨機(jī)變量和非線性極限承載狀態(tài)構(gòu)成的失效模式的失效概率成為可能。

由于Hasofer，Lind和Ditlevsen等人的卓越工作，80年代以來，與有限元法、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和實(shí)用概率網(wǎng)絡(luò)分析理論的迅猛發(fā)展潮流相呼應(yīng)，以一次二階矩方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)可靠性分析理論和應(yīng)用技術(shù)開始了由構(gòu)件級(jí)水平向系統(tǒng)級(jí)水平的實(shí)質(zhì)性過渡。這一時(shí)期，在理論研究方面，Comell，Stevensen和Rosenbluth等人都做了不少的工作，推動(dòng)了可靠度理論的飛速發(fā)展。

二、國外可靠性理論的發(fā)展和應(yīng)用

在北美，美國是結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用的代表，也是國際上較早開展結(jié)構(gòu)可靠度研究的國家之一，公認(rèn)1947 年美國Freudenthal A1M1 教授的論文“結(jié)構(gòu)安全性”是結(jié)構(gòu)可靠性理論系統(tǒng)研究的開始，在實(shí)用化方面，1969 年美國Cornell ，C1A1 教授提出了結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的概念。20 世紀(jì)60～70 年代，美國在發(fā)生了一些房屋安全事故后，引發(fā)了對(duì)建筑物安全問題的重新思考，認(rèn)識(shí)到容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法的缺陷，以及為保證結(jié)構(gòu)極端情況下安全性和正常使用情況下良好工作性能的重要性。結(jié)合當(dāng)時(shí)可靠性理論的研究，探討考慮荷載和材料性能隨機(jī)性的可靠度設(shè)計(jì)方法。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)（LRFD）方法的提出是美國結(jié)構(gòu)可靠度理論應(yīng)用的開端。但隨后意識(shí)到必須將荷載系數(shù)與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)的系數(shù)相分離，否則會(huì)出現(xiàn)因各規(guī)范編制組協(xié)調(diào)不好，不同材料結(jié)構(gòu)中的同種荷載分項(xiàng)系數(shù)不同的不合理局面。在這種前提下，確立了美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)A58《建筑及其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》的獨(dú)特地位。1978 年，在美國建筑技術(shù)中心結(jié)構(gòu)分部工作的Ellingwood 教授主持了基于概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)荷載要求的研究項(xiàng)目。研究成果反映在1980 年出版的NBS 特別報(bào)告577“美國國家標(biāo)準(zhǔn)A58 基于概率的荷載準(zhǔn)則”上。隨后的工作則是基于概率的設(shè)計(jì)理論在各種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。1985 年開始由美國土木工程師學(xué)會(huì)（ASCE）按標(biāo)準(zhǔn)7 出版，自1982 年至今一直為美國所有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法所參考，這包括美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISI (1986、1994 和2000年版) 、木結(jié)構(gòu)ASCE 標(biāo)準(zhǔn)16 - 95 及美國混凝土協(xié)會(huì)混凝土規(guī)范ACI 318 - 96（附錄C）。

在亞太地區(qū)（美國除外），中國應(yīng)該是可靠度應(yīng)用研究和在設(shè)計(jì)規(guī)范中應(yīng)用最早的國家。除中國外，還有日本、澳大利亞等。日本在結(jié)構(gòu)安全和可靠性方面的研究已有40 余年的歷史。日本建設(shè)部曾試圖將橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的容許應(yīng)力法改為極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法或荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法，盡管做了很多努力，日本的橋梁設(shè)計(jì)仍采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。日本土木工程師學(xué)會(huì)建議在混凝土結(jié)構(gòu)中采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。近年來，伴隨WTOPTBT 協(xié)定的生效，日本特別關(guān)注國際標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展動(dòng)向。由于加入WTO 的國家要服從國際標(biāo)準(zhǔn)，并注意到歐洲規(guī)范正逐步統(tǒng)一，1998 年日本成立了一個(gè)由建筑和土木工程各領(lǐng)域?qū)＜医M成的委員會(huì)和秘書委員會(huì)，編寫包括各領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)類型的綜合性規(guī)范《建筑及公共設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》。目的是通過這一規(guī)范的基本原則將各領(lǐng)域規(guī)范納入同一個(gè)框架中。該規(guī)范明確提出，“可靠度設(shè)計(jì)的概念是校核功能要求的基礎(chǔ)”，“用可靠度的概念作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的目的是“考慮外部作用和抗力的不確定性，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，將超過所考慮極限狀態(tài)的概率限定在允許的目標(biāo)值內(nèi)”?！皩ⅰ督Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》置于可靠度設(shè)計(jì)的概念上，保證了日本標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。”與ISO2394：1998 和EN 1990 不同的是，在日本的《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中，極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和可恢復(fù)極限狀態(tài)，這是因?yàn)槿毡臼嵌嗟卣饑?，震后受損結(jié)構(gòu)的修復(fù)是重要的。為適應(yīng)國際經(jīng)濟(jì)發(fā)展一體化的要求，在亞太地區(qū)，國與國在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面的協(xié)作也日益加強(qiáng)。以ISO2394 : 1998 為基礎(chǔ)，澳大利亞和新西蘭共同起草了一份關(guān)于一般設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)“DR 99309，1999 : 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——一般要求和設(shè)計(jì)作用，第0 部分: 一般要求”，目的是協(xié)調(diào)亞太地區(qū)發(fā)展和發(fā)展中國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不同要求。2002 年在亞太平洋地區(qū)征求意見，并探討用ISO 2394 的分項(xiàng)系數(shù)模式取代現(xiàn)行荷載和抗力系數(shù)模式的可行性。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、對(duì)公眾團(tuán)體的重要性和減少風(fēng)險(xiǎn)所付費(fèi)用，該標(biāo)準(zhǔn)提出一個(gè)確定設(shè)計(jì)作用的新方法，目的是提供一個(gè)適合于不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平國家不同要求的標(biāo)準(zhǔn)模式。另外，中國、日本和韓國就港口工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)和發(fā)展問題進(jìn)行過聯(lián)合研究，其中的一個(gè)重要方面是研究和理解國際標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)及基于可靠度的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法。

在韓國，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)分為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和附屬技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)兩類，根據(jù)相關(guān)的法律，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為國家標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理，而土工結(jié)構(gòu)（如基礎(chǔ)和擋土墻）仍使用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。但是，目前修訂的“結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，也允許使用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。韓國表示，韓國是WTO 的成員國之一，如果頒布了ISO標(biāo)準(zhǔn)，韓國政府要用它作為國家標(biāo)準(zhǔn)。

丹麥按極限狀態(tài)和分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)方法可追溯到20 世紀(jì)50 年代。1983 年，丹麥所有的荷載、結(jié)構(gòu)和土工設(shè)計(jì)規(guī)范都采用了統(tǒng)一的分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式。1996～1999 年間，丹麥對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)范（設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、作用和荷載、混凝土、鋼、木、砌體和基礎(chǔ)）進(jìn)行了修訂，并對(duì)舊的規(guī)范進(jìn)行了可靠度校準(zhǔn)。根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果將目標(biāo)可靠指標(biāo)確定為βT = 4179 ，以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化選定了新規(guī)范的分項(xiàng)系數(shù)。瑞典1989 年開始采用分項(xiàng)系數(shù)方法，并出版了一套設(shè)計(jì)手冊?？沽ο禂?shù)隱含在混凝土和鋼的規(guī)范中。同時(shí)用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行了校準(zhǔn)。德國有一套非常完善和詳細(xì)的國家標(biāo)準(zhǔn)，稱為“國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）”。國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且非常成熟并包含了工程的各個(gè)方面。先前的規(guī)范采用綜合安全系數(shù)法（荷載< 強(qiáng)度PFS），類似于容許應(yīng)力法，最新的德國荷載規(guī)范DIN 1055 （草案）和混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范DIN 1045（草案）采用了以可靠度為基礎(chǔ)的分項(xiàng)系數(shù)方法。捷克1998 年版的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（CSN 73 1401 —1998）包含了概率設(shè)計(jì)概念的條文，規(guī)定<，其中為規(guī)范中規(guī)定的目標(biāo)概率。目前，正式的歐洲規(guī)范正在實(shí)施過程中，由于歐洲規(guī)范采用了以概率為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，這也就意味著在歐洲共同體范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法正逐步向可靠性設(shè)計(jì)法過渡。

【作者簡介】李金濤，男，河南省第一建筑集團(tuán)有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：建筑施工；宣昌茂，男，河南省第一建筑集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師，研究方向：建筑工程技術(shù)。