工程可靠性分析方法及進(jìn)展.doc

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工程結(jié)構(gòu)可靠性分析方法及進(jìn)展 姓 名：劉兆廣 學(xué) 號(hào)：31406064 專 業(yè)：建筑與土木工程 指導(dǎo)老師：貢金鑫 摘要：本文對(duì)工程結(jié)構(gòu)的可靠性原理作了闡釋，對(duì)目前比較通用的結(jié)構(gòu)可靠性分析方法進(jìn)行了分類概括和評(píng)述，并對(duì)目前可靠度的研究現(xiàn)狀和可靠度理論的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：可靠性原理；可靠性分析方法；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向 1、 結(jié)構(gòu)可靠度和可靠性分析理論 工程結(jié)構(gòu)的安全性歷來(lái)是設(shè)計(jì)中的重大問(wèn)題，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程的建造耗資巨大，一旦失效不僅會(huì)造成結(jié)構(gòu)本身和人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，還往往產(chǎn)生難以估量的次生災(zāi)害和附加損失。因此保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠承受設(shè)計(jì)的各種作用，滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)使用功能及具有不需過(guò)多維護(hù)而能保持其自身工作性能的能力是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)定是一個(gè)涉及國(guó)家政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、社會(huì)文化背景、歷史傳統(tǒng)等多方面的問(wèn)題，在相當(dāng)程度上反映在一個(gè)國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范中。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范是眾多科技工作者智慧的結(jié)晶，代表著一個(gè)國(guó)家結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論發(fā)展的水平。作為標(biāo)準(zhǔn)它不是一成不變的而是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)客觀世界的新認(rèn)識(shí)，在繼承舊規(guī)范合理部分的同時(shí)不斷吸收新的研究成果逐步修訂和完善。結(jié)構(gòu)安全性控制方法的發(fā)展也是如此，先是由定值設(shè)計(jì)法發(fā)展為半概率法，目前正由半概率法逐步向概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（可靠度設(shè)計(jì)方法）過(guò)渡。同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展過(guò)程一樣，概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法本身也是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，需要不斷完善的過(guò)程。 結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史: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)安全度分析為標(biāo)志，在結(jié)構(gòu)可靠度理論發(fā)展初期，只有少數(shù)學(xué)者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利布達(dá)佩斯的卡欽奇就是提出用統(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)安全度分析的學(xué)者之一。1926~1929年，前蘇聯(lián)的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率設(shè)計(jì)的方法，但當(dāng)時(shí)方法不夠嚴(yán)格，因此并未付諸實(shí)施。1935年斯特列律斯基，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)安全度的研究逐漸開(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。值得提出的是弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時(shí)展開(kāi)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)安全度的基本問(wèn)題首次得到工程界的贊同和接受。1947他發(fā)表了“結(jié)構(gòu)安全度”一文奠定了結(jié)構(gòu)可靠的理論基礎(chǔ)。從20世紀(jì)40年代初期到60年代末期，是結(jié)構(gòu)可靠性理論發(fā)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發(fā)展，概率論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也逐漸被工程界所接受。 到了20世紀(jì)80年代后期，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)，并已出版許多專著，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進(jìn)的計(jì)算方法蓬勃發(fā)展。主要有以下幾方面熱點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析。(2)對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改進(jìn)，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)、破壞安全極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量損耗極限狀態(tài)。(3)目標(biāo)可靠度的量化問(wèn)題。(4)人為差錯(cuò)的分析。(5)在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策問(wèn)題。(6)模糊隨即可靠度的研究。 實(shí)際的結(jié)構(gòu)在建造和使用過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算中的不確定性，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的可靠與不可靠是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知的，因此就有了結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度的概念。 為了保證不同設(shè)計(jì)狀況下、不同極限狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)滿足安全、適用、耐久和整體穩(wěn)定性的要求，需保證結(jié)構(gòu)具有一定的可靠性。按照我國(guó)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50153-2008）的定義，結(jié)構(gòu)可靠性為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力[1]。 按照結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定義，結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力，而相應(yīng)的概率為可靠度。規(guī)定的時(shí)間是指設(shè)計(jì)使用年限，即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不需要大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)間；規(guī)定的條件為“三個(gè)正?！?，即正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用；預(yù)定功能即安全性、適用性和耐久性。 可靠性分析的意義在于：一方面若某因素對(duì)結(jié)構(gòu)失效影響較大，則在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中就要嚴(yán)格加以控制，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的安全可靠性。反之，如某因素的變異性對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響不顯著，則在進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí)，就可把它當(dāng)作定值處理，以減少隨機(jī)變量的數(shù)目。這對(duì)提高結(jié)構(gòu)可靠性分析的效率很有價(jià)值。另一方面，如果結(jié)構(gòu)的可靠度或失效概率沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的水準(zhǔn)，則首先須變化對(duì)可靠度有重要影響的輸入變量。在結(jié)構(gòu)的可靠性和失效概率可以接受，輸出結(jié)果變量的分散程度較小時(shí)，可考慮在不影響可靠性和質(zhì)量的前提下如何節(jié)省經(jīng)費(fèi)。這種情況下應(yīng)首先變更那些影響程度較小的參數(shù)[2]。 二、結(jié)構(gòu)可靠性分析方法 工程設(shè)計(jì)的一個(gè)主要任務(wù)是保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)和在給定的荷載下安全地工作。然而，由于材料、荷載以及環(huán)境等一系列因素的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)人員很難保證絕對(duì)的安全。于是在40年代末期，F(xiàn)reudenthal首次提出了將統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的安全分析，并且在50-60年代期間發(fā)表了許多這方面的論文。Freudenthal的觀點(diǎn)很快得到土木工程師的認(rèn)可，然而它的理論的復(fù)雜性使其很難應(yīng)用于工程?？煽慷仁且愿怕收撆c數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，它的大量計(jì)算都與定積分計(jì)算密切相關(guān)。極限狀態(tài)方程將基本變量空間分成失效區(qū)和安全區(qū)兩部分。一般情況下，失效概率可表示為： 式中是n個(gè)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。若基本變量相互獨(dú)立式，有： 通常，除兩個(gè)變量外，上述兩式的求解是十分麻煩和困難的，因此國(guó)內(nèi)外從事可靠性分析的學(xué)者，相繼研究出一些計(jì)算方法[3]。目前，結(jié)構(gòu)可靠度的理論和方法有了很大的發(fā)展，其主要分析計(jì)算方法有一次二階矩法、二次二階矩法、蒙特卡洛模擬方法、響應(yīng)面法和隨機(jī)有限元法等等[4]。 1、 一次二階矩法 一次二階矩法[5]是近似計(jì)算可靠度指標(biāo)最簡(jiǎn)單的方法，只需考慮隨機(jī)變量的前一階矩(均值)和二階矩(標(biāo)準(zhǔn)差)和功能函數(shù)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式的常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)，并以隨機(jī)變量相對(duì)獨(dú)立為前提，在笛卡爾空間內(nèi)建立求解可靠指標(biāo)的公式。因其計(jì)算簡(jiǎn)便，大多情況下計(jì)算精度又能滿足工程要求，所以已被工程界廣泛接受。基于一次二階矩的分析方法主要有以下3種: 1.1 中心點(diǎn)法 中心點(diǎn)法是結(jié)構(gòu)可靠度研究初期提出的一種方法，其基本思想是首先將非線性功能函數(shù)在隨機(jī)變量的平均值(中心點(diǎn))處進(jìn)行泰勒展開(kāi)并保留至一次項(xiàng)，然后近似計(jì)算功能函數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而求得可靠度指標(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)）算用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)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。 設(shè)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為，那么可以知道結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程，其中生成的空間記為，表示中的點(diǎn)。將功能函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可以得到如下表達(dá)式 取線性項(xiàng)，作線性化處理，可得，所以極限狀態(tài)方程為， 點(diǎn)，稱為的中心點(diǎn)，，它以各基本變量的均值為坐標(biāo)。極限狀態(tài)方程所對(duì)應(yīng)的曲面將空間分為結(jié)構(gòu)的可靠區(qū)和失效區(qū)，所對(duì)應(yīng)的曲面稱為失效邊界。中心點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)的可靠區(qū)內(nèi)，所以可靠指標(biāo) 該法的最大優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便，不需進(jìn)行過(guò)多的數(shù)值計(jì)算，但也存在明顯的缺陷:1)不能考慮隨機(jī)變量的分布概型，只是直接取用隨機(jī)變量的前一階矩和二階矩；2)將非線性功能函數(shù)在隨機(jī)變量均值處展開(kāi)不合理，展開(kāi)后的線性極限狀態(tài)平面可能較大程度地偏離原來(lái)的極限狀態(tài)曲面；3)可靠度指標(biāo)會(huì)因選擇不同的變量方程而發(fā)生變化；4)當(dāng)基本變量不服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布時(shí)，計(jì)算結(jié)果常與實(shí)際偏差較大。故該法適用于基本變量，服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，且結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)β=1～2的情況[6]。 1.2 驗(yàn)算點(diǎn)法(JC) 可靠指標(biāo)可以很好地描述結(jié)構(gòu)的可靠度，但它要求所有隨機(jī)變量都服從正態(tài)分布，這往往與實(shí)際情況不相符，因此要通過(guò)數(shù)學(xué)變換來(lái)解決。如果隨機(jī)變量之間不相關(guān)，常用的變換方法有三種:一是采用Rosenblatt變換，轉(zhuǎn)換為線性無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量；二是將非正態(tài)隨機(jī)變量按等概率原則映射為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量；三是按當(dāng)量正態(tài)化條件，將非正態(tài)隨機(jī)變量當(dāng)量為正態(tài)隨機(jī)變量。事實(shí)上，后兩種方法實(shí)質(zhì)上是一致的，但第二種方法較為直觀，易于為工程技術(shù)人員理解，被國(guó)際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合會(huì)(JCSS)推薦使用，通常稱為JC法[7]。 1.2.1 隨機(jī)變量服從正態(tài)分布 ?功能函數(shù)為線性函數(shù) 可靠指標(biāo)為 ②功能函數(shù)為非線性函數(shù) 展開(kāi)為線性函數(shù) 可靠指標(biāo)迭代計(jì)算公式 ? ? ? 迭代計(jì)算步驟：（1) 假定驗(yàn)算點(diǎn)初值（2）由?計(jì)算（3）由?計(jì)算（4）由?計(jì)算 （5）如果，停止迭代；否則，取，轉(zhuǎn)?繼續(xù)迭代。 1.2.2 隨機(jī)變量不隨從正態(tài)分布 研究隨機(jī)變量不服從正態(tài)分布時(shí)的可靠指標(biāo)計(jì)算方法，需要了解當(dāng)量正態(tài)化的概念。當(dāng)量正態(tài)化：將不服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量等效為正態(tài)隨機(jī)變量。當(dāng)量正態(tài)化的條件：在驗(yàn)算點(diǎn)處使非正態(tài)隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)值與當(dāng)量正態(tài)隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)值相等；非正態(tài)隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)值與非正態(tài)隨機(jī)變量非正態(tài)隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)值相等。然后再進(jìn)行相關(guān)的可靠度指標(biāo)迭代計(jì)算，具體步驟可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[8]。 1.3 映射變換法 對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠度分析中的非正態(tài)隨機(jī)變量，映射變換法和JC法類似，都首先將非正態(tài)隨機(jī)變量“正態(tài)化”。JC法是將非正態(tài)隨機(jī)變量“當(dāng)量化”為正態(tài)隨機(jī)變量，而映射變換法是通過(guò)數(shù)學(xué)變換的方法將非正態(tài)隨機(jī)變量變換為正態(tài)隨機(jī)變量。文獻(xiàn)[9]給出了映射變換法的有關(guān)變換公式和實(shí)例分析。從計(jì)算的過(guò)程上與JC法比較，映射變換法少了JC法的當(dāng)量化過(guò)程，但多了映射變換過(guò)程，因而二者的計(jì)算量基本相當(dāng)；JC法采用“當(dāng)量正態(tài)化”法，概念上比較直觀，而映射變換法在數(shù)學(xué)上更嚴(yán)密一些，所以結(jié)構(gòu)可靠度分析方法的進(jìn)一步發(fā)展就通過(guò)映射變換法將非正態(tài)隨機(jī)變量正態(tài)化(如用二次二階矩計(jì)算可靠度的方法)。 2、二次二階矩法 當(dāng)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)在驗(yàn)算點(diǎn)附近的非線性化程度較高時(shí)，一次二階矩法的計(jì)算精度就不能滿足一些特別重要結(jié)構(gòu)的要求了。國(guó)外早期的做法是將非線性功能函數(shù)在驗(yàn)算點(diǎn)處做二次展開(kāi)，此法雖能解決問(wèn)題，但因計(jì)算復(fù)雜而不便應(yīng)用。近年來(lái)，一些學(xué)者把數(shù)學(xué)逼近中的拉普拉斯?jié)u進(jìn)法用于可靠度研究中，取得了較好的效果。因該法用到了非線性功能函數(shù)的二階偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，故應(yīng)歸屬于二次二階矩法[10]。從公式的表達(dá)上可以看出，二次二階矩法的結(jié)果是在一次二階矩法結(jié)果的基礎(chǔ)上乘1個(gè)考慮功能函數(shù)二次非線性影響的系數(shù)，所以可以看作是對(duì)一次二階矩法結(jié)果的修正。需要強(qiáng)調(diào)的是，在廣義隨機(jī)空間中，對(duì)于隨機(jī)變量變換前后相關(guān)系數(shù)的取值依據(jù)的是變換前后的相關(guān)系數(shù)近似相等，這相當(dāng)于一次二階矩法隨機(jī)變量間的一次變換，對(duì)于二次二階矩法是否考慮隨機(jī)變量間的二次變換項(xiàng)，以及二次變換項(xiàng)如何考慮是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。 3、蒙特卡洛(Monte Carlo)法 蒙特卡洛法是結(jié)構(gòu)可靠度分析的基本方法之一，具有模擬的收斂速度與基本隨機(jī)向量的維數(shù)無(wú)關(guān)、極限狀態(tài)函數(shù)的復(fù)雜程度與模擬過(guò)程無(wú)關(guān)、無(wú)需將狀態(tài)函數(shù)線性化和隨機(jī)變量當(dāng)量正態(tài)化、能直接解決問(wèn)題、數(shù)值模擬的誤差可由模擬次數(shù)和精度較容易地加以確定的特點(diǎn)。但是，當(dāng)實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)破壞概率在10以下時(shí)，該法的模擬數(shù)目就會(huì)相當(dāng)大，進(jìn)而占用大量時(shí)間。該法既可用來(lái)分析確定性問(wèn)題，也可用來(lái)分析不確定問(wèn)題。由于具有相對(duì)精確的特點(diǎn)，除用于一些復(fù)雜情況的可靠度分析外，也常用于各種近似分析方法的計(jì)算結(jié)果校核。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)科技人員的努力，各種結(jié)合蒙特卡洛法降低方差的技巧應(yīng)運(yùn)而生，如對(duì)偶變量法、分層采樣法、重要抽樣法[11]等均盡可能地減少了模擬抽樣數(shù)，提高了計(jì)算效率，如圖解漸進(jìn)法和Monte Carlo遞進(jìn)法[12]。 4、響應(yīng)面法 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移一般要用有限元法進(jìn)行分析，這時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)上作用荷載之間的關(guān)系不能再用一個(gè)顯式表示。當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行可靠度分析時(shí)，所建立的極限狀態(tài)方程也不再是一個(gè)顯式，從而造成了迭代求解可靠度的困難。響應(yīng)面方法[13]是近十年發(fā)展起來(lái)處理此類問(wèn)題的一種有效方法，其基本思路是選用一個(gè)適當(dāng)?shù)挠忻鞔_表達(dá)式的函數(shù)來(lái)近似替代一個(gè)不能明確表達(dá)的函數(shù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠度分析來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)盡可能少的一系列確定性試驗(yàn)，用有限元數(shù)值計(jì)算來(lái)擬合一個(gè)響應(yīng)面以替代未知的真實(shí)極限狀態(tài)曲面，再利用前述各種方法進(jìn)行可靠度分析[14]。 5、隨機(jī)有限元法(SFEM) 有限元法(FEM)作為一種非常有效的數(shù)值方法，已廣泛用于工程領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)工程中也發(fā)揮著尤為重要的作用。從理論上講，確定性物理模型的有限元分析可達(dá)到任意要求的精度。但在實(shí)際工程中，由于各類結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的物理特性、幾何參數(shù)等具有一定程度的不確定性。這種不確定性將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的不確定，對(duì)結(jié)構(gòu)的臨界性能和可靠性有較大影響，尤其是在隨機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，結(jié)構(gòu)參數(shù)的變異可能引起結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的大幅變化，甚至超過(guò)外激勵(lì)隨機(jī)性對(duì)動(dòng)響應(yīng)的影響。因此，20多年來(lái)，人們廣泛關(guān)注確定性FEM推廣用于隨機(jī)力學(xué)問(wèn)題的分析及FEM和結(jié)構(gòu)可靠性分析的結(jié)合。SFEM[15]是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的處理隨機(jī)現(xiàn)象的分析工具，它采用確定性分析與概率統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，綜合考慮了各物理量的隨機(jī)性。該法先求出結(jié)構(gòu)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征量，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的可靠性分析。與FEM比較，SFEM在物理建模上更符合客觀實(shí)際，也更合理，尤其是當(dāng)有關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性可知時(shí)，SFEM可提供較精確的分析結(jié)果。但由于有限元法本身全離散的特性，使問(wèn)題求解的未知數(shù)大大增加，因而無(wú)論是基于攝動(dòng)解或一次二階矩的隨機(jī)有限元，還是基于統(tǒng)計(jì)方法的隨機(jī)有限元，都不可避免地存在著計(jì)算量過(guò)大和精度不易控制的問(wèn)題。鑒于此，SFEM和模糊FEM與反優(yōu)化模型的結(jié)合必將是今后的研究方向。 三、結(jié)構(gòu)可靠性研究進(jìn)展 1、目前工程結(jié)構(gòu)可靠度的研究現(xiàn)狀 1.1 在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估和維修決策問(wèn)題 對(duì)在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策已成為建筑結(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)等基礎(chǔ)理論，而且與施工技術(shù)、檢測(cè)手段和建筑物的維修使用情況等有密切的關(guān)系[16]。對(duì)已有結(jié)構(gòu)可靠度的評(píng)估采用的方法屬于“實(shí)用分析法”，是在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代檢測(cè)手段和計(jì)算技術(shù)的一種評(píng)估方法。目前，對(duì)已有結(jié)構(gòu)的可靠度分析方法，是以當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和構(gòu)件截面尺寸為依據(jù)的，沒(méi)有考慮腐蝕環(huán)境中材料性能的變化。同時(shí)，如何根據(jù)已有結(jié)構(gòu)本身材料性能的實(shí)測(cè)結(jié)果，來(lái)推斷該結(jié)構(gòu)的抗力隨時(shí)間的變化而變化的規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算該結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用期內(nèi)的可靠度或評(píng)估該結(jié)構(gòu)的使用壽命，是已有結(jié)構(gòu)可靠度研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著使用年限的增長(zhǎng)，混凝土的老化問(wèn)題日益突出。對(duì)于耐久性不足或老化的結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)最佳維修決策的問(wèn)題。在目前的研究中，有些內(nèi)容過(guò)于理論化，與實(shí)際工程問(wèn)題相差較遠(yuǎn)。另外，對(duì)處于不同環(huán)境下建筑物使用壽命的安全性評(píng)估問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作壽命期如何通過(guò)正常使用和必要的維護(hù)保證結(jié)構(gòu)應(yīng)有的可靠度，超過(guò)正常使用年限后如何安全地繼續(xù)服役等都應(yīng)該是可靠度研究的重要方面。 1.2 腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)可靠度的分析 對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其常見(jiàn)的腐蝕失效模式為:混凝土的碳化作用引起鋼筋腐蝕、氯離子侵蝕引起鋼筋局部腐蝕、硫酸鹽或硫酸溶液對(duì)混凝土的腐蝕破壞。對(duì)腐蝕環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度分析，目前國(guó)內(nèi)外的研究多數(shù)集中在氯離子侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的變化，對(duì)硫酸鹽腐蝕地下混凝土結(jié)構(gòu)使混凝土體積膨脹，從而使其瓦解方面的研究還不是很多。在現(xiàn)今的這些研究中，有的并未考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕起始時(shí)間和鋼筋銹蝕速度的影響，有的雖做了考慮，但并沒(méi)有考慮二者之間的相關(guān)性[17]。，因此，結(jié)果不盡合理。 1.3 基于時(shí)變抗力的結(jié)構(gòu)可靠度分析 結(jié)構(gòu)在進(jìn)入老化期后，抗力隨時(shí)間是不斷衰減的?？煽慷确治鲋斜仨毧紤]結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間的變化，這屬于時(shí)變可靠度的范疇。文獻(xiàn)[18]對(duì)結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)隨時(shí)間變化時(shí)結(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[19]用蒙特卡洛的重要抽樣法研究了時(shí)變結(jié)構(gòu)的體系可靠度問(wèn)題，專著[20]對(duì)結(jié)構(gòu)考慮抗力隨時(shí)間變化的可靠度進(jìn)行了詳細(xì)地分析。許多學(xué)者也做了很多的工作，主要有多維積分的拉普拉斯?jié)u進(jìn)法、蒙特卡洛法、隨機(jī)過(guò)程的上跨閾理論等。但是這些方法不僅在工程應(yīng)用中比較困難，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，而且當(dāng)考慮抗力隨時(shí)間變化，結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法應(yīng)與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采用的可靠度分析方法有較好的協(xié)調(diào)性時(shí)，上述方法都不具備這樣的特點(diǎn)[21]。 2、今后應(yīng)重視的研究方向 自20世紀(jì)40年代末以來(lái)工程結(jié)構(gòu)可靠度理論得到了快速發(fā)展，到70年代末期已取得了豐碩成果。概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法作為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法在國(guó)內(nèi)外開(kāi)始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。但是，直到目前應(yīng)用的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(水準(zhǔn)二)仍作了若干與實(shí)際情況不相符合的假設(shè)。且以構(gòu)件的可靠性來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)體系的可靠性，也還有一些未加考慮的因素。因此今后還要對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行大力研究，并應(yīng)重視以下幾方面課題的研究。 1) 作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間變化的規(guī)律研究。目前假設(shè)作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力都是穩(wěn)態(tài)過(guò)程 實(shí)際上它們是與時(shí)間有關(guān)的隨機(jī)過(guò)程。 2) 結(jié)構(gòu)體系的可靠度研究。目前以控制構(gòu)件截面的可靠性計(jì)算代替對(duì)結(jié)構(gòu)體系的可靠性評(píng)定 顯然是不合理的。 3) 人為錯(cuò)誤的總誤差和管理工作失誤的誤差對(duì)可靠性的影響研究。 4) 如何以經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的研究。新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)雖然提出了考慮壽命期總費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問(wèn)題，但是至今尚無(wú)可供實(shí)際操作的方法。 5) 由于偶然作用造成結(jié)構(gòu)部分損壞或倒塌后剩余體系的可靠性研究。 參考文獻(xiàn)： [1]貢金鑫，魏巍巍.工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007：60. 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