橋梁結(jié)構(gòu)可靠性初探

1、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性初探 橋梁結(jié)構(gòu)可靠性初探 摘 要：20世紀(jì)40年代以來(lái)，許多國(guó)家開(kāi)始研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)可靠性理論的應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。本文根據(jù)文獻(xiàn)資料，從結(jié)構(gòu)可靠性理論研究的歷史、現(xiàn)狀、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀、工程結(jié)構(gòu)可靠性開(kāi)展趨勢(shì)等方面對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究進(jìn)行了綜述。 關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu) 可靠度 綜述 中圖分類號(hào)： N945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 一、結(jié)構(gòu)可靠性理論研究歷史 1939年，英國(guó)航空委員會(huì)出版的?適航性統(tǒng)計(jì)學(xué)注釋?一書中，首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過(guò)10-5次3h，這可以認(rèn)為是最早的飛機(jī)平安性和可靠性定量指標(biāo)；二戰(zhàn)后期，德國(guó)的火箭專家R.Lusse

2、r首次對(duì)產(chǎn)品的可靠性作出了定量表達(dá)。他提出用概率乘積法那么，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個(gè)子系統(tǒng)可靠度的乘積，從而算得V-型火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度為75%；1942年，美國(guó)麻省理工學(xué)院一個(gè)研究室開(kāi)始對(duì)真空管的可靠性進(jìn)行深入的調(diào)查研究工作。1952年成立的“電子設(shè)備可靠性咨詢組，簡(jiǎn)稱AGREE(Advisory Groupon Reliability of Electronic Equipment)。該組織于1957年發(fā)表了著名的?電子設(shè)備可靠性報(bào)告?。報(bào)告中提出了一套完整的評(píng)估產(chǎn)品可靠性的理論和方法。該報(bào)告被公認(rèn)為是可靠性研究的奠基性文獻(xiàn)。1965年，國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)設(shè)立了可靠性技術(shù)委員會(huì)

3、TC-56，協(xié)調(diào)了各國(guó)間可靠性術(shù)語(yǔ)和定義、可靠性的數(shù)據(jù)測(cè)定方法、數(shù)據(jù)表示方法等。上世紀(jì)60年代以來(lái)，可靠性的研究已經(jīng)從電子、航空、宇航、核能等尖端工業(yè)部門擴(kuò)展到其他多個(gè)部門。 結(jié)構(gòu)可靠性理論的產(chǎn)生，是以20世紀(jì)初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)平安度分析為標(biāo)志，在結(jié)構(gòu)可靠度理論開(kāi)展初期，只有少數(shù)學(xué)者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利的卡欽奇提出用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強(qiáng)度問(wèn)題；1926年德國(guó)的邁耶提出了基于隨機(jī)變量均值和方差的設(shè)計(jì)方法，這是最早提出應(yīng)用概率理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)平安度分析的學(xué)者之一。1935年斯特列律茨基，1947年?duì)柸荒釟J和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)平安度的研究逐

4、漸開(kāi)始進(jìn)入了應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的階段。值得指出的是，弗羅伊登徹爾和爾然尼欽等人同時(shí)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)平安度的根本問(wèn)題首次得到工程界的贊同和接受。1947年他發(fā)表了“結(jié)構(gòu)平安度一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論根底。 從20世紀(jì)40年代初期到60年代末期，是結(jié)構(gòu)可靠性理論開(kāi)展的主要時(shí)期?，F(xiàn)在所說(shuō)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)可靠性理論概念大致就是這一時(shí)期出現(xiàn)的。隨著結(jié)構(gòu)可靠性理論研究工作的深入，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論得到了全面的開(kāi)展。基于概率論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法逐漸被工程界所接受。但在這一時(shí)期，結(jié)構(gòu)可靠性理論還未能馬上被工程界廣泛應(yīng)用。因此，二十世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者致力于克服上述

5、困難的研究。例如林德等人把標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題定義為尋求一套荷載和抗力系數(shù)的最優(yōu)值問(wèn)題，他們建議采用一種迭代過(guò)程確定結(jié)構(gòu)的平安度和造價(jià)，康奈爾等人提出了與爾然尼欽相同的一次二階矩法，并建立了比擬系統(tǒng)實(shí)用的一次二階矩設(shè)計(jì)方法。 二、國(guó)內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀 二十世紀(jì)70年代至80年代，是結(jié)構(gòu)可靠性理論完善并被各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)相繼采用時(shí)期，自從康奈爾提出了一次二階矩法之后，林德根據(jù)康奈爾的可靠指標(biāo)，推證出一整套荷載和抗力平安系數(shù)，這次研究使可靠度分析與實(shí)際可接受的設(shè)計(jì)方法聯(lián)系起來(lái)。隨后，德國(guó)的拉克維茨和菲斯勒，對(duì)根本變量為非正態(tài)分布情況提出了一種等價(jià)正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過(guò)系統(tǒng)改良之后，作

6、為結(jié)構(gòu)平安度聯(lián)合委員會(huì)的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采納，我國(guó)的?建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?也是以該方法作為可靠性校準(zhǔn)的根底。 三、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀 橋梁可靠性設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題是：在結(jié)構(gòu)承受外荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征的條件下，根據(jù)規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)，選擇結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)截面幾何參數(shù),使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，保證其可靠度不低于預(yù)先給定的值?？煽啃缘臄?shù)量描述一般用可靠度。我國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的研究只限于理論方面，且側(cè)重于可靠度設(shè)計(jì)方面，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，特別是對(duì)耐久性評(píng)估理論的研究還很落后。我國(guó)在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在著考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少;重視強(qiáng)度極限狀

7、態(tài)不重視使用極限狀態(tài);重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而無(wú)視其檢測(cè)和維護(hù)，使結(jié)構(gòu)平安性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構(gòu)件疲勞損壞所導(dǎo)致，從而嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能。為了保證橋梁平安運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)其使用壽命以及提高橋梁的平安性和耐久性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究非常必要和迫切。 四、工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究開(kāi)展趨勢(shì) 進(jìn)入二十世紀(jì)80年代后，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點(diǎn)，并出版了許多專著。概括而言，如下幾方面是結(jié)構(gòu)可靠度理論研究的熱點(diǎn)： 4.1結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為Ferry Borge

8、s Castanheta組合情況下的計(jì)算方法問(wèn)題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)各種破壞水平所對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)不同，計(jì)算系統(tǒng)可靠度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；利用蒙特卡洛法采用重要抽樣技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時(shí)，一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問(wèn)題?？傊?，系統(tǒng)可靠度分析研究?jī)?nèi)容豐富，難度較大。 4.2對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改良，除考慮強(qiáng)度極限狀態(tài)外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)、破壞平安極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限狀態(tài)等。 4.3目標(biāo)可靠度的量化問(wèn)題。雖然校準(zhǔn)法已經(jīng)局部解決了這個(gè)問(wèn)題，但與實(shí)際情況相比，這方面的問(wèn)題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決。 4.4人為過(guò)失的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強(qiáng)

9、度的不確定性造成，而往往是設(shè)計(jì)、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為過(guò)失造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點(diǎn)之一。 4.5在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策問(wèn)題。對(duì)在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策正成為建筑結(jié)構(gòu)學(xué)的邊緣學(xué)科，它不僅涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、建筑材料科學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等根底理論，而且，與施工技術(shù)、檢驗(yàn)手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。 4.6模糊隨機(jī)可靠度的研究。模糊隨機(jī)可靠度理論研究是工程結(jié)構(gòu)廣義可靠度理論研究的重要內(nèi)容，隨著模糊數(shù)學(xué)理論與方法的完善，模糊隨機(jī)可靠度理論也必將進(jìn)一步完善和開(kāi)展。五、結(jié)語(yǔ)橋梁工程問(wèn)題的解決總是理論與工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，掌握的知識(shí)越多，主觀經(jīng)驗(yàn)越少，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越合理，這也正是橋梁工程技術(shù)研究追求的目標(biāo)。橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論研究是內(nèi)容極其豐富且復(fù)雜的重大研究課題，不僅僅在理論上有許多重大問(wèn)題需要解決，而且，將其應(yīng)