淺談結(jié)構(gòu)可靠度在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用

況建國

摘要：結(jié)構(gòu)可靠度理論是目前水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍采用的數(shù)理基礎(chǔ)，它適應(yīng)了水工結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性特征，為水工結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)水平提供了科學(xué)的量化手段。本文著眼于水工結(jié)構(gòu)當(dāng)下的理論依據(jù)，通過對研究設(shè)計情況的結(jié)構(gòu)，來探討不同的可靠度設(shè)計方法在水工結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠度 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計 道路設(shè)計

引言：由于道路自主設(shè)計和設(shè)計結(jié)構(gòu)科學(xué)精確度的嚴(yán)格要求，相關(guān)單位對于各類不穩(wěn)定的變動結(jié)構(gòu)因子的把控更加嚴(yán)格，可靠度理論范圍被應(yīng)用化擴(kuò)大到水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個方面。安全系數(shù)方法和概率計算法是水工結(jié)構(gòu)設(shè)計兩種最常用的設(shè)計方法，由于現(xiàn)階段水工結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性、特殊性及不穩(wěn)定性特征的凸顯，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)由傳統(tǒng)的安全系數(shù)方法向概率計算法轉(zhuǎn)變，不斷完善和加強(qiáng)可靠度的理論及實際概率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和計算，提高水工工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和其水平的高穩(wěn)定性。

一、可靠度設(shè)計在水工結(jié)構(gòu)中的功能概述

（一）可靠度設(shè)計在水工結(jié)構(gòu)中的重要性。可靠度設(shè)計對水工結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)架構(gòu)的穩(wěn)定性、整體的安全性有決定性的維持作用。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，工程總耗資中水工結(jié)構(gòu)的投入系數(shù)比重較大，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)偏差，很可能會導(dǎo)致工程工期延長，建設(shè)方經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重，工程停擺;從工程本身出發(fā)，它不但會威脅到施工單位人員的人身安全和日后的公共安全，而且會加大水工結(jié)構(gòu)更新的設(shè)計難度，對施工周邊范圍的自然生態(tài)造成二次或多次損害，對后續(xù)的設(shè)備調(diào)控部署產(chǎn)生重大影響。因而要求，施工設(shè)計單位從上到下貫徹落實檢驗水工結(jié)構(gòu)可靠度方式方法，包括水工結(jié)構(gòu)的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構(gòu)合理性、水地邊界條件及計算模型等，將動態(tài)因素設(shè)為隨機(jī)變量，以數(shù)理方式地推算不定因素對整體施工完工質(zhì)量的影響，用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度為完善和優(yōu)化總體效果提供最基本的理論指導(dǎo)。

（二）可靠度設(shè)計方法在水工結(jié)構(gòu)中的意義?？煽慷鹊幕A(chǔ)數(shù)理理論在當(dāng)下工科課程中，已經(jīng)成長為一門理論與應(yīng)用并重的學(xué)科，水工結(jié)構(gòu)的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構(gòu)合理性、水地邊界等多個不定因素，對水工結(jié)構(gòu)自身的耐適性、安全性及后續(xù)可發(fā)展性產(chǎn)生不良影響，需利用安全系數(shù)法或概率統(tǒng)計法將它們數(shù)據(jù)直觀化，方便施工人員對相關(guān)的部門單位進(jìn)行檢測或設(shè)計規(guī)避。

（三）可靠度設(shè)計數(shù)據(jù)在水工結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。從當(dāng)前可靠性的數(shù)據(jù)應(yīng)用情況來看，數(shù)據(jù)采集及整理應(yīng)用效率與全國整體的水工結(jié)構(gòu)工程數(shù)量相比較低下，使水工結(jié)構(gòu)可靠度分析缺乏廣譜的樣本內(nèi)容，呈現(xiàn)出區(qū)域的局限性，無法在全國推廣應(yīng)用集成工作，因此建立全國性質(zhì)水工結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)村存儲總庫和地方分庫，能為日后全國乃至地方的水工結(jié)構(gòu)可靠度不定因素參考提供較為全面和切實的理論資料基礎(chǔ)，通過概率統(tǒng)計法可按可能性大小排列出水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計指數(shù)，能夠有效規(guī)避水工結(jié)構(gòu)中的明顯設(shè)計缺陷，有利于集合結(jié)構(gòu)可靠度目標(biāo)及局部細(xì)節(jié)規(guī)整。但由于水工結(jié)構(gòu)不定因子日漸復(fù)合化，相關(guān)工作人員也應(yīng)將工作重點放水工結(jié)構(gòu)的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構(gòu)合理性、水地邊界條件等因子的判斷，并在概率計算法上不斷優(yōu)化組合，爭取形成以部位聯(lián)系整體的可靠新形勢。我國目前水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計仍處在對單個構(gòu)件或關(guān)鍵部位的單向階段，對整體可靠度的分析還停留在初始的階段，需要建構(gòu)各結(jié)構(gòu)可靠度標(biāo)準(zhǔn)及計算方式進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。

二、水工結(jié)構(gòu)可靠度具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

從經(jīng)濟(jì)投資回報、公共資源、公共安全效益、地區(qū)資源生態(tài)保護(hù)、社會人文建造價值利益等方面綜合考量，對水工結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計方法模式進(jìn)行地區(qū)性式篩選和地區(qū)性淘汰，從現(xiàn)實出發(fā)，因地制宜。

（一）解析水工結(jié)構(gòu)可靠度計算模型

1.構(gòu)建水工結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)表達(dá)式。在水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計中，把多個不同累動因子列成多項式，根據(jù)影響大小設(shè)置分項系數(shù)，這樣一套的分項表達(dá)式，在數(shù)理上描述結(jié)構(gòu)中存在的累動因素對水工結(jié)構(gòu)的影響。在使用此種方式時，應(yīng)交錯明確變異性水工結(jié)構(gòu)不同的可靠度分項系數(shù)，水工結(jié)構(gòu)的施工角度校驗，工程地基的荷載力、防水材料的選用、地形建構(gòu)合理性、水地邊界條件都應(yīng)該協(xié)同進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，以更好地對水工結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定因素進(jìn)行判斷。2.設(shè)立量化的可靠指標(biāo)。在解析水工結(jié)構(gòu)可靠度計算模型構(gòu)建的階段中，相關(guān)部門施工測算人員還應(yīng)建立明確的量化指標(biāo)。舉例，工程目標(biāo)可靠指標(biāo)要同工程維修維護(hù)成本、投資風(fēng)險、工程周期排布、施工測算環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償金等現(xiàn)實量化指標(biāo)相結(jié)合，從現(xiàn)實意義的角度反映出水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的經(jīng)濟(jì)投資回報效益，地區(qū)分布經(jīng)濟(jì)效益、地區(qū)資源生態(tài)及安全效益，還應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗校準(zhǔn)法、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法及事故類比法能夠聯(lián)系附近水工結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，量化明確可靠指標(biāo)。3.試算水工結(jié)構(gòu)可靠度。以抽樣法、一次二階矩法、高次高階矩、遺傳算法等測算方式對水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部可靠性進(jìn)行系統(tǒng)功能系數(shù)測算?？煽慷仍O(shè)計遺傳測算法能夠在水工結(jié)構(gòu)種群個體中表現(xiàn)為遺傳操作，對相似種群個體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平統(tǒng)一的數(shù)測調(diào)整，以極限方式最大地優(yōu)化排除該類別種群中不穩(wěn)定的累動因子，促使結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到計劃理論最優(yōu)解。

（二）結(jié)構(gòu)可靠度的現(xiàn)實原因架構(gòu)

可靠度理論在水工設(shè)計的不定因素排除分析、概率模型建構(gòu)等方面存在其理論和現(xiàn)實的局限性，在與水利工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的單位及施工部門沒有得到人手及人員的配備，也就相應(yīng)阻礙了提升水工結(jié)構(gòu)現(xiàn)實結(jié)構(gòu)的整體可能性，如工程鋼閘門、土石壩、水電站廠房等西北荒漠地區(qū)，落后于沿海江浙地區(qū)的實際水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論總體水平。水工結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計結(jié)構(gòu)抗力荷載效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用校核法及其他研究方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度設(shè)計。

結(jié)束語：由于現(xiàn)階段水工結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性、特殊性及不穩(wěn)定性特征的地區(qū)局面的差異性大，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要不斷完善和加強(qiáng)可靠度的理論及實際概率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和計算，提高水工工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和其水平的高穩(wěn)定性。