工程結構可靠度綜述

關鍵詞：可靠度建筑結構影響因素矩法發(fā)展趨勢靠性的不確定因素分析、在役結構的檢驗、可靠性評定、維修決策、結構診斷專家系制等理論和技術多方面已經取得了重要的基礎研究成果并部分應用于工程實際。城市化的加速使得土木建筑業(yè)已成為國民經濟的支柱產業(yè)之一，各種高我國的工程結構質量問題仍然十分嚴重，如何實現(xiàn)結構的功能和保證結構體系安全可長期以來，人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評價產品的質量。這種戰(zhàn)后期，德國的火箭專家R?首次對產品的可靠性作出了定量表達。他提出用積法則，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個子系統(tǒng)可靠度的乘積，從而算得V2結構可靠性理論的產生，是以20世紀初期把概強度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設計方法，這是最繼發(fā)表了這方面的文章，結構安全度的研究逐漸開始進入了應用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學值得指出的是，弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時開展了結構可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結構安全度的基本問題首次得到工程界的贊同的經典結構可靠性理論概念大致就是這一時期出現(xiàn)的。隨著結構可靠性理論研究工作計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，結構可靠性理論還未能馬上被工程界結構的可靠度分析與設計理論，主要是基于構件可靠度設計和體系可靠度設計基于荷載和抗力隨機性的統(tǒng)計分析和模型化，構件的功能函數(shù)通常是隨機變量功能函數(shù)可以方便地刻畫構件的安全準則、極限狀態(tài)和失效準則，它們分別相結構的可靠度設計就是要在規(guī)定的條件下，合理地確定結構形式、構件材料和尺寸，使所有的結構，構件可靠度滿足期望的可靠度水平(或目標可靠度)=mz/i于是，結構的可靠度設計轉化為用可靠指標表示的設計表達式結構設計不僅要滿足構件的可靠度要求，更應該滿足結構整體或稱體系的可靠度要求，這是結構設計發(fā)展的必然趨勢。結構體系的可靠度分析是以結構的失效式多，搜索困難；其二是各失效模式相關，給可靠度計算帶來困難。目前，結定了結構設計要進行主要失效模式、失效路徑和冗余度分析和考慮，這在一定程度上4影響結構設計可靠度設計因素對于只有兩個基本變量一一荷載效應S和抗力R的構件功能函數(shù):標準》（68-84）和其它大多數(shù)國家的結構設計標準，目標可靠指標［B］在相同的目標可靠指標下，荷載設定的大小不同，結構設計可靠度水平截然不同在荷載水平的影響中，可變荷載占主導地位可變荷載大致可以分為兩類樓面活荷載；其二是自然環(huán)境荷載，包括諸如風載、雪載和地震作用等受值的大??；自然環(huán)境荷載的水平，主要與基準期長短有關，因為大多數(shù)自然環(huán)境荷載都是按年最大值統(tǒng)計確定的，基準期越長，荷載水平越高可變荷載概率分布參數(shù)確定的程度不同，結構實際的可靠度也將不同，可變荷載水平的影響因素類似。在校準載效應組合下（可變荷載基準期相同）具有相同的目標可靠指標，其實，兩響，構件的抗力將隨時間衰減，具體表現(xiàn)在抗力的均值和標準差是時間的函數(shù)，即（）（）5建筑結構可靠度的幾種主要的分析方法（2）驗算點法中心點法在本質上存在一個很大缺陷就是失效函數(shù)不具有唯一性。一般稱為可靠度指標，它與失效函數(shù)的選擇無關，是個不變量。利用這種方法定義的（3）法正態(tài)的變量當量正態(tài)化，替代的正態(tài)分布函數(shù)要求在設計驗算點處的累積概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù)值分別和原變量的值、值相等。當量正態(tài)化后，采用改線性程度不高的結構功能函數(shù)，其精度能滿足工程實際需要，并已為國際聯(lián)合委員會()所采用，故稱法。我閨《建筑結構設計統(tǒng)一標準》可靠指標，所對應的是在驗算點處線性化的極限狀態(tài)方程（或超切平面）的可靠指公式。具體分析時，首先根據(jù)計算可靠指標時得到的靈敏系數(shù)（或方向余弦）向量，應用?標準正交化方法產生正交矩陣，然后對隨機變量進行正交變換線性極限狀態(tài)方程在驗算點處展開并保留至二次項時，得到的是一個橢圓或后坐標系中的極限狀態(tài)曲面垂直的坐標軸)變量的二次項略去。將得到一個拋物面方大。為此人們提出了幾何法，該方法仍采用迭代求解，其基本思路是先假定驗算點處的梯度方向前進(或后退)，得到新的驗算點，然后再進行迭代。幾何法與一般的一次二階矩法相比，具有迭代次數(shù)少，收斂快，精度高的優(yōu)點，但其結果亦為近似對于復雜結構而言，常難以寫出功能函數(shù)的顯式，而直接的數(shù)值模擬工作量太大，為此一些學者提出用響應面法確定結構功能函數(shù)。該方法的基本思想是假設一個插值方法來確定表達式中的未知參量，關鍵在于確定響應面函數(shù)的系數(shù)。多項式系數(shù)的確定一般以試驗設計為基礎，應用二水平因子設計或中心復合設計回歸得到特定因驗中該事件發(fā)生的頻率來估算。因此，可以先對影響其可靠度的隨機變量進行大量隨機抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入功能函數(shù)式，確定結構的失效與否最后求得結構的失效概率，失效概率即結構失效次數(shù)占總抽樣數(shù)的頻率。這就是蒙特的次數(shù)往往多達幾萬甚至幾十萬次，計算時間太長，因此，人們很少直接利用它計算結構的破壞概率。為克服這一缺點，人們已通過各種途徑尋找模擬次數(shù)基本保持在某一定值的方法，從而產生了改進蒙特卡羅法。該方法通過把X空間劃分為球內和球外兩部分，由于縮小了抽樣區(qū)間，不需再對位于可靠區(qū)中的m維球體內部進行抽樣，從而使抽樣效益大大提高。蒙特卡羅法回避了結構可靠度分析中的數(shù)學困缺點是計算量大，效率低。但隨著抽樣技術的改進和計算機硬件水平的提高，該方法在有限元計算中引入不確定性因素，形成的隨機有限元法與確定性有限元法相的分析結果。隨機有限元最初的思路是蒙特卡羅法與有限元相結合，嚴格來說，這并不是真正的隨機有限元，它的基本思路是對隨機變量的樣本使用有限元程序反復計 ()、攝動隨機有限元法、展開蒙特卡羅法隨機有限元法。這幾種方法都是圍繞隨靠度研究的國家之一。鋼結構規(guī)范中荷載和抗力系數(shù)設計方法的提出是美國結基于概率的設計理論在各種結構中的應用。特別報告577的概率荷載準則首次在1982年版的美國國家標準A58中得到應用,1985年開始由美國土木工程師學會()新一代美國和加拿大的公路橋梁規(guī)范都采用了基于概率的荷載與抗力系數(shù)設計規(guī)在美國，公路管理聯(lián)合會（）重視支持長遠技術項目的研究，其中之一是貫徹荷載與抗力系數(shù)設計方法。美國州公路與運輸官員協(xié)會制定了一個過渡時間表，1998年日本成立了一個由建筑和土木工程各領域專限狀態(tài)和可恢復極限狀態(tài)，這是因為日本是多地震國家，震后受損結構的修復是重要的。為適應國際經濟發(fā)展一體化的要求，在亞太地區(qū)，國與國在結構設計標準方展問題進行過聯(lián)合研究，其中的一個重要方面是研究和理解國際標準和歐洲標準及7結構可靠度理論研究發(fā)展趨勢構系統(tǒng)的可靠度分析。對于結構系統(tǒng)可靠度分析是非常復雜的研究課題,許多學者對此從不同角度進行了研究，提出了一些概念和方法。如結構可靠度分析的一階矩概念及荷為組合情況下的計算方法問題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對結構用蒙特卡洛法采用重要抽樣技術計算結構系統(tǒng)的可靠度等，同時，一些學者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊到y(tǒng)2）對結構極限狀態(tài)分析的改進，除考慮強度極限狀態(tài)外，還應考慮結構的正常使用極限狀態(tài)、破壞安全極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限量化問題。雖然校準法已經部分解決了這個問題4）人為差錯的分析。許多結構的失效并非由荷載、強度的不確定性造成，而往5）模糊隨機可靠度的研究。模糊隨機可靠度理論研究是工程結構可靠度理論研究的重要內容，隨著模糊數(shù)學理論與方法的完善，模糊隨機可靠度理論也必將進一還有許多值得研究的課題。工程問題的解決是理論與工程經驗的結合,掌握的知識越多，主觀經驗越少，結構的設計也就越合理，這也正是工程技術研究追