工程結(jié)構(gòu)可靠度理論發(fā)展綜述

摘要：簡單總結(jié)了結(jié)構(gòu)可靠度理論的發(fā)展過程以及幾種結(jié)構(gòu)可靠度主要的研究方法，并針對(duì)性地對(duì)各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，從而進(jìn)一步闡述結(jié)構(gòu)可靠度理論未來在工程實(shí)踐中的發(fā)展趨勢(shì)和重要作用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠度理論；研究方法；綜述；

A summary of the Development of Reliability Theory for Engineering Structural Design

（author： Ren Hong. Unit： College of water conservancy and environment， Zhengzhou University. Major： Water Conservancy and hydropower engineering. Zip code： 450000）

Abstract： The development of reliability theory and several kinds of research methods of reliability theory are summarized briefly， and the advantages and the disadvantages of each method are compared definitely. As a result， the trend and the importance of the development of the reliability theory in the engi

neering is illustrated in development.

Keywords： reliability structural theory；research method； summary

一、結(jié)構(gòu)可靠度理論的由來

由鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建筑材料建造的工業(yè)與民用建筑的承重結(jié)構(gòu)，公路和鐵路的橋梁、涵洞，水利工程的堤壩、水閘，港口工程的碼頭，海洋采油平臺(tái)，給水排水構(gòu)筑物的水池、管道等，統(tǒng)稱為工程結(jié)構(gòu)。在長期施工和使用過程中，不僅需要承受各種可能出現(xiàn)的荷載作用還要承受設(shè)計(jì)狀況中允許出現(xiàn)的偶然荷載的作用（如地震）。在結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和使用過程中不可避免的各種誤差，以及結(jié)構(gòu)材料性能和荷載本身所固有的不確定性使結(jié)構(gòu)可靠只具有統(tǒng)計(jì)或概率意義。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求所涉及的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，力求在經(jīng)濟(jì)合理的前提下滿足下列各項(xiàng)功能要求：（1）能承受在施工和使用期內(nèi)可能出現(xiàn)的各種作用；（2）在正常使用是具有良好的工作性能；（3）具有足夠的耐久性；（4）在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，能保持必要的整體穩(wěn)定性。其中（1）、（4）項(xiàng)屬于結(jié)構(gòu)的安全性；（2）項(xiàng)屬于結(jié)構(gòu)的適用性；（3）項(xiàng)屬于結(jié)構(gòu)的耐久性，這三者統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的可靠性[1]。而可靠度則是衡量結(jié)構(gòu)的可靠性的指標(biāo)。工程結(jié)構(gòu)在施工建造及使用過程中，需要承受設(shè)備、人群、車輛等荷載的作用以及風(fēng)、雨、雪等自然環(huán)境的作用；同時(shí)，工程結(jié)構(gòu)還有建造費(fèi)用高和使用周期長的特點(diǎn)。因此，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)要求具有一定的可靠性，才能保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)使用功能。

二、結(jié)構(gòu)可靠度分析方法綜述

在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)往往為非線性，大多數(shù)隨機(jī)變量不服從正態(tài)分布或者對(duì)數(shù)正態(tài)分布，同時(shí)也不一定互相獨(dú)立，功能函數(shù)一般也不服從正態(tài)分布，因而不能直接計(jì)算可靠指標(biāo)，這是需研究結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)計(jì)算的一些近似方法。

（1）中心點(diǎn)法

在實(shí)際工程中，有些變量的概率分布很難確定，但它的均值和方差一般較易得到，在這種情況下可以用中心點(diǎn)法去近似求解結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)。該法首先將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)在隨機(jī)變量的平均值（中心點(diǎn)）處用泰勒級(jí)數(shù)展開并取線性項(xiàng)，然后近似計(jì)算功能函數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?？煽恐笜?biāo)直接用功能函數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之比表示。該法最大的特點(diǎn)是計(jì)算簡單，但不能考慮隨機(jī)變量的實(shí)際分布，只取用隨機(jī)變量的一階矩（均值）和二階矩（方差），因此計(jì)算結(jié)果比較粗糙。且將非線性功能函數(shù)在平均值處展開不合理，由于隨機(jī)變量的平均值不在極限狀態(tài)曲面上，展開后的線性極限狀態(tài)平面可能會(huì)較大程度地偏離原來的極限狀態(tài)曲面。

（2）驗(yàn)算點(diǎn)法（JC法）

驗(yàn)算點(diǎn)法[1]克服了中心點(diǎn)法的不足，能考慮隨機(jī)變量的實(shí)際分布類型，并通過“當(dāng)量正態(tài)化”途徑，把非正態(tài)變量當(dāng)量化為正態(tài)變量。此外，驗(yàn)算點(diǎn)法的線性化點(diǎn)不是選在平均值處，而是選在失效邊界上，并且該線性化點(diǎn)（設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)）是與結(jié)構(gòu)最大可能是小概率相對(duì)應(yīng)的?？梢钥紤]兩個(gè)正態(tài)隨機(jī)變量的情況、多個(gè)正態(tài)隨機(jī)變量的情況以及非正態(tài)隨機(jī)變量的情況。

（3）蒙特卡羅法

蒙特卡洛方法[2]是結(jié)構(gòu)可靠度分析的基本方法之一，又稱統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法或隨機(jī)模擬方法，是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展逐步發(fā)展起來的一種獨(dú)特?cái)?shù)值計(jì)算方法，在目前的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法中，它被認(rèn)為是一種相對(duì)精確的方法。蒙特卡洛法的基本思路是先對(duì)影響結(jié)構(gòu)可靠度的隨即便來那個(gè)進(jìn)行大量的隨機(jī)抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入結(jié)構(gòu)功能函數(shù)式，確定結(jié)構(gòu)失效與否，最后從中求得結(jié)構(gòu)的失效概率。該法回避了結(jié)構(gòu)可靠度分析中的數(shù)學(xué)困難，不需要考慮極限狀態(tài)曲面的復(fù)雜性，但是計(jì)算量大，且需要占用大量時(shí)間，需要借助于計(jì)算機(jī)才能完成。

三、工程結(jié)構(gòu)可靠度理論發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)如今，結(jié)構(gòu)可靠度理論已經(jīng)深入發(fā)展到工程結(jié)構(gòu)分析的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，例如，依據(jù)工程結(jié)構(gòu)可靠度理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析，配置鋼筋等。此外，在工程實(shí)踐中還可以依據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析、疲勞可靠性分析、已有結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估、耐久性可靠度等問題的研究。結(jié)構(gòu)可靠度分析在工程實(shí)際中也占據(jù)著越來越重要的地位，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)研究方法的改進(jìn)也使其發(fā)揮著越來越大的作用。

四、結(jié)語：

結(jié)構(gòu)可靠度分析在工程建設(shè)中的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段中的作用日益突出，工程結(jié)構(gòu)的安全可靠與否，不但影響著社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐，而且還關(guān)系到人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)可靠度理論日益完善，結(jié)構(gòu)可靠度分析方法也不斷取得進(jìn)步和發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的方法有著很大的科學(xué)性和優(yōu)越性，還需隨著科學(xué)技術(shù)理論不斷深入的研究不斷改進(jìn)，以將理論更好的應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王墩.阿肯江？托乎提：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度理論綜述[J].烏魯木齊：工業(yè)建筑，2008.6

作者簡介：

任洪，（1996.02.17-），女，漢族，黑龍江省伊春市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院；專業(yè)：水利水工程.