水工金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度發(fā)展研究

周星

摘 要：我國(guó)水利資源豐富，水工鋼閘門(mén)的研究也一度成為熱點(diǎn)，特別是采用可靠度的分析方法，也取得了許多的成果。但近年來(lái)水工鋼閘門(mén)系統(tǒng)可靠度研究方面卻進(jìn)展緩慢，其重要性和迫切性不言而喻。文章通過(guò)對(duì)當(dāng)前金屬結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性的幾種方法作簡(jiǎn)要的描述，并對(duì)今后系統(tǒng)可靠性研究方向做適當(dāng)展望。

關(guān)鍵詞：水工；金屬結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)可靠度

自從1984年我國(guó)頒布以結(jié)構(gòu)可靠度理論為基礎(chǔ)的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》以來(lái)，在20多年間，我國(guó)的可靠度理論發(fā)展迅速，也取得了很多的成果，但只是限于單一構(gòu)件的可靠度分析。對(duì)系統(tǒng)的可靠度分析王正中等人雖然也有研究，但只是簡(jiǎn)單的看成串并聯(lián)模型，其精確度也值得考量[1]。而在近10多年來(lái)，可靠性研究似乎進(jìn)展不大，也一直停留在10年前的水平。系統(tǒng)可靠性的研究對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)十分重要，其迫切性和重要性不言而喻[2]。

其迫切性體現(xiàn)在：水工金屬結(jié)構(gòu)作為一個(gè)體系，有多種失效模式，只是單純的考慮某一構(gòu)件的失效狀況所得出的結(jié)論是很難對(duì)整個(gè)水工金屬結(jié)構(gòu)的失效狀況作出合理預(yù)測(cè)的，而且在閘門(mén)的壽命預(yù)測(cè)和疲勞計(jì)算等方面的研究也表明，只有在閘門(mén)系統(tǒng)可靠度研究取得有效成果的前提下，這些方面的研究才可能取得實(shí)質(zhì)性的突破，所以加快研究水工金屬結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠度刻不容緩。

其重要性體現(xiàn)在：水工金屬可靠度的研究十分復(fù)雜，雖然該方面的課題提出已久，但只是限于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單簡(jiǎn)化，工程意義并不十分實(shí)用，且有利于工程實(shí)踐的成果也不多。多數(shù)研究只是針對(duì)閘門(mén)某一構(gòu)件，如主梁，邊梁，面板等。而對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須考慮構(gòu)件間的聯(lián)系以及構(gòu)件對(duì)系統(tǒng)的影響，多種失效模式的組合等才能得出更合理的結(jié)論。

水工金屬系統(tǒng)可靠性研究的意義：使設(shè)計(jì)更具全面，合理，統(tǒng)一的理論依據(jù)，減小人為因素引起的誤差；使設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)上找到最合適的平衡點(diǎn)，既滿足工程需要，同時(shí)又最經(jīng)濟(jì)；能加快閘門(mén)其他方面的研究，同時(shí)也能推動(dòng)整個(gè)水工金屬行業(yè)向前邁進(jìn)一大步。

文章就目前水工金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的幾種理論作簡(jiǎn)要分析，并對(duì)今后水工金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度發(fā)展方向做適當(dāng)展望。

1 串聯(lián)模型

將水工金屬結(jié)構(gòu)每個(gè)部件看成串聯(lián)的模型，結(jié)構(gòu)中任一構(gòu)件失效，則整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)失效。其計(jì)算方法也較為簡(jiǎn)單，即總可靠度為各個(gè)單元可靠度的乘積。串聯(lián)模型適用于所有的靜定結(jié)構(gòu)的失效分析以及由脆性材料做成的超靜定結(jié)構(gòu)的失效分析，但是水工金屬結(jié)構(gòu)既不是由脆性材料做成的，也不是簡(jiǎn)單的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以只具有一定的理論意義，工程意義并不大。

2 并聯(lián)模型

將水工金屬結(jié)構(gòu)每個(gè)部件看成并聯(lián)的模型，若構(gòu)件中有一個(gè)或一個(gè)以上的構(gòu)件失效，剩余的構(gòu)件或失效的延性構(gòu)件，仍能維持整體結(jié)構(gòu)的功能。其失效概率為各個(gè)構(gòu)件失效概率的乘積。并聯(lián)模型適用于所有超靜定結(jié)構(gòu)的失效分析，但水工系統(tǒng)十分復(fù)雜，也并不是簡(jiǎn)單的并聯(lián)模型，也只是具有一定的理論意義，可為工程作一定的參考依據(jù)。

3 串-并聯(lián)模型

該模型為前面兩種模型的綜合，是對(duì)串聯(lián)，并聯(lián)模型的很好補(bǔ)充。由于水工結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，整體的失效形式并不限于一種，可能是幾種失效形式的組合。串-并聯(lián)模型具有很好的理論意義，該模型的提出也十分切合工程實(shí)際問(wèn)題，只是水工系統(tǒng)的復(fù)雜性使得無(wú)法確定計(jì)算模式，工程實(shí)踐無(wú)法有效展開(kāi)，只能確定水工系統(tǒng)的可靠度范圍。

4 失效樹(shù)分析法

水工金屬結(jié)構(gòu)失效有多種原因，每種失效又有多種失效模式，失效樹(shù)分析法就是在整體系統(tǒng)可靠度分析中將這些原因和模式統(tǒng)一考慮，建立起整體系統(tǒng)分析模型[3]。根據(jù)失效原因，目前有主次圖、因果圖、層次分析法和失效樹(shù)分析法等幾種主流的建立失效模型分析的方法。

失效樹(shù)分析法的關(guān)鍵是確定系統(tǒng)失效原因的各種組合方式或發(fā)生概率，計(jì)算系統(tǒng)失效概率，并采取相應(yīng)措施，提高系統(tǒng)可靠性，相應(yīng)邏輯框圖則稱為失效樹(shù)。

該方法工程意義十分顯著，理論上只要知道構(gòu)件的可靠度，就能求得系統(tǒng)的可靠度。但實(shí)際上確定底事件的概率并不容易，其次也比較依賴專家經(jīng)驗(yàn)，缺乏足夠的理論支撐。

5 研究展望

可靠度是橫梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)簡(jiǎn)便而又重要的指標(biāo)。但就目前而言，可靠度的研究依然集中于構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的研究雖有進(jìn)展但遠(yuǎn)未達(dá)到工程需要的應(yīng)用階段。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度能更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率情況，所以必須加強(qiáng)水工金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的研究。其研究方向可以參考如下幾個(gè)方面。

參考其他行業(yè)的可靠度研究情況，從中借助適當(dāng)?shù)姆椒ㄩ_(kāi)展閘門(mén)鋼結(jié)構(gòu)研究，以及加快修訂鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)可靠度方面的規(guī)范，并逐漸以可靠度設(shè)計(jì)方法取代傳統(tǒng)的容許應(yīng)力法，加快可靠度設(shè)計(jì)方法在水工金屬方面的推廣與實(shí)踐。

加強(qiáng)對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)中各種參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，以便合理的確定影響結(jié)構(gòu)可靠性的基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與概率分布類型，從根本上解決水工金屬結(jié)構(gòu)可靠度分析缺乏基本參數(shù)的問(wèn)題。

串-并聯(lián)模型具有相當(dāng)?shù)睦碚撘饬x，只是在實(shí)踐工程中難于施展。但可以結(jié)合有限元分析方法，以及通過(guò)軟件的二次開(kāi)發(fā)將復(fù)雜串-并聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)化，找出系統(tǒng)與構(gòu)件之間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，數(shù)字化，并在在計(jì)算機(jī)上做精確的模擬計(jì)算，那么水工金屬結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠度研究可能會(huì)出現(xiàn)較大的突破。

可靠度的模糊化。使用失效樹(shù)分析對(duì)事件進(jìn)行定量評(píng)估，把失效分析與專家經(jīng)驗(yàn)考慮在內(nèi)，雖然帶有一定的經(jīng)驗(yàn)成分，但分析結(jié)果也更為接近真實(shí)情況。

水工金屬結(jié)構(gòu)研究之所以緩慢，主要是因?yàn)槠鋸?fù)雜性。比如對(duì)閘門(mén)性能其他方面的研究，都與系統(tǒng)可靠度研究相輔相成，在系統(tǒng)可靠度研究遇到瓶頸時(shí)，加快其他方面的研究，或許能起到意想不到的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李典慶，常曉林.水工鋼閘門(mén)可靠度分析研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007.

[2]王蛟，楊斌.水工鋼閘門(mén)系統(tǒng)可靠度研究綜述[J].水運(yùn)工程，2013.

[3]葉翔.水工金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的失效樹(shù)分析法[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.