工程结构可靠度理论的研究现状与展望刘玉彬(大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁大连　116605)摘　要:对结构可靠度理论及应用的国内外研究现状进行了概括性总结;简要叙述了可靠度理论在我国工程结构设计规范的发展中所起的推动作用;提出结构可靠度理论将朝着正常使用极限状态结构的可靠度、结构的疲劳可靠度、结构的模糊可靠度、结构的动力可靠度、结构的体系可靠度等方向进行研究,以期为我国在这方面研究的进一步发展提供参考1关键词:工程结构;可靠度;研究现状;设计标准;发展趋势中图分类号:T U3文献标识码:A 文章编号:1009-315X (2006)05-0001-03 工程结构可靠度是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力1“规定的时间”,是指分析结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的时间参数,即设计基准期;“规定的条件”是指结构设计时所确定的正常设计、正常施工和正常使用的条件,即不考虑人为过失的影响;“预定功能”是指以下4种功能:(1)能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(荷载);(2)在正常使用时,结构及其组成构件具有良好的工作性能;(3)在正常维护下具有足够的耐久性;(4)在发生规定的偶然事件情况下,结构能保持必要的整体稳定性11　工程结构可靠度的研究现状111　在役结构的可靠度评估和维修决策问题对在役建筑结构的可靠度评估与维修决策已成为建筑结构学的边缘学科1它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论,而且与施工技术、检测手段和建筑物的维修使用情况等有着密切的关系[1]1对已有结构可靠度的评估采用的方法属于“实用分析法”,是在传统经验方法的基础上,结合现代检测手段和计算技术的一种评估方法1目前,对已有结构的可靠度分析方法,是以当时实测的结构材料强度和构件截面尺寸为依据,没有考虑腐蚀环境中材料性能的变化1如何根据已有结构本身材料性能的实测结果,来推断该结构的抗力随时间的变化而变化的规律,进而计算该结构继续使用期内的可靠度或评估该结构的使用寿命,是已有结构可靠度研究的一项重要内容1随着使用年限的增长,混凝土的老化问题日益突出1对于耐久性不足或老化的结构,存在一个最佳维修决策的问题1在目前的研究中,有些内容过于理论化,与实际工程问题相差较远1另外,对处于不同环境下建筑物使用寿命的安全性评估问题,在结构设计的工作寿命期如何通过正常使用和必要的维护保证结构应有的可靠度,超过正常使用年限后如何安全地继续服役等都应是可靠度研究的重要方面1112　腐蚀环境下结构可靠度的分析对于钢筋混凝土结构,其常见的腐蚀失效模式为:混凝土的碳化作用引起钢筋腐蚀、氯离子侵蚀引起钢筋局部腐蚀、硫酸盐或硫酸溶液对混凝土的腐蚀破坏1对腐蚀环境中混凝土结构的可靠度分析,目前国内外的研究多数集中在氯离子侵蚀环境中钢筋混凝土结构可靠度的变化,对硫酸盐腐蚀地下混凝土结构使混凝土体积膨胀,从而使其瓦解方面的研究还不是很多1在现今的这些研究中,有的并未考虑结构设计参数对混凝土中钢筋腐蚀起始时间和钢筋锈蚀速度的影响,有的虽做了考虑,但并没有考虑二者之间的相关性[2]1因此,结果不尽合理1・1・收稿日期:2006-06-251作者简介:刘玉彬(1964-),男,吉林通榆人,大连民族学院土木建筑工程学院教授,博士,学校优秀学科带头人1研究方向:工程结构广义可靠性理论、工程结构设备理论12006年第5期(总第34期)刘玉彬:工程结构可靠度理论的研究现状与展望9月15日出版113　基于时变抗力的结构可靠度分析结构在进入老化期后,抗力随时间不断衰减,因此结构的可靠度分析必须考虑抗力随时间变化的情况1文献[1]对这一问题进行了详细地分析1许多学者也做了很多的工作,主要有多维积分的拉普拉斯渐进法、蒙特卡洛法、随机过程的上跨阈理论等1但是这些方法不仅在工程应用中比较困难,计算过程复杂,而且当考虑抗力随时间变化,结构可靠度的分析方法应与现行结构可靠度设计统一标准采用的可靠度分析方法有较好的协调性时,上述方法都不具备这样的特点[3]12　我国工程结构设计标准和规范的变革我国在工程结构可靠度研究的发展过程中,开展了大量的理论研究、资料收集和数据实测工作,总结了我国工程实践的经验,并借鉴了国际标准《结构可靠性总原则》(IS O2394),在征求了全国有关单位意见的基础上,先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》(G B50153—92)等6本统一标准[4-9]1主要采用以随机可靠性理论为基础,以分项系数表达的概率极限状态设计方法作为我国土木、建筑、水利等专业结构设计规范改革、修订的准则1全国土木、建筑、水利各专业直接为工程技术人员使用的结构设计规范在“统一标准”的统一指导下,进行了大规模的修订或编制,工程界形象地称之为规范的“转轨”,意即从原规范的以经验为主的安全系数法转为以概率分析为基础的极限状态设计法1这项工作的规模和深度已超过了世界上一些先进国家,大大提高了我国结构设计规范的科学水平,使我国工程结构设计规范跻身于世界先进行列13　工程结构可靠度理论研究的发展趋势311　正常使用极限状态可靠度的研究比起承载力破坏,结构在正常使用极限状态中出现的裂缝、变形等问题要广泛的多,对人民的正常生活影响也更为直接1因此,对于正常使用极限状态的研究应加以深化1如使用状态的失效应明确界定;对影响使用的各种因素应进行研究,并以概率和可靠度形式加以探讨等1312　结构疲劳可靠度的研究结构疲劳可靠度的分析包括结构或结构材料的疲劳性能、反复荷载的统计技术、疲劳累积损伤准则和可靠度分析方法等几个方面1混凝土结构疲劳问题的研究要比钢结构的研究相应晚一些,但是其发展速度较快,并且已经成为系统的分析计算理论1随着计算机技术的提高,重大工程和特殊建筑结构的疲劳可靠度设计得到了发展1通过计算机,可以测试结构构件荷载效应谱和进行统计分析1同时,在进行结构疲劳可靠度设计时,为了求得结构构件关键部位材料的应力谱,需要了解材料在变幅重复应力下的变形性能,为此应加强对结构材料疲劳性能和材料本构关系的研究[10]1313　结构模糊可靠度的研究结构的模糊可靠度就是应用模糊概率分析研究结构的可靠度1模糊性是由于边界的不清晰引起的,它是工程实际设计中两种不确定性中的一种1由于使用年限的增长,现有结构的安全性能越来越低1因此对结构随机模糊性的研究,对现有结构可靠度的评估具有重要的现实意义1314　结构动力可靠度的研究结构动力可靠度的研究包括抗风结构可靠度的分析和抗震结构可靠度的研究1对抗风结构可靠度的研究,主要从安全度和舒适度来分析,其中安全度是重点1抗风结构的动力可靠度是指结构在强风作用下的安全度1对其的分析要涉及到风荷载的统计、结构动力特性的计算、结构静力及动力反应的统计、结构破坏的机理等,每个方面都十分复杂,需要认真地研究1315　结构体系可靠度的研究对结构体系可靠度的分析主要包括选取失效模式和计算失效概率两个方面1寻找失效模式,主要是找失效概率值较大的,即主要失效模式1但是对于一个工程结构通常存在很多的失效模式,很难鉴别哪一个是主要的,寻找起来也比较困难1由于问题的复杂性,无论是理论上还是在应用上,都与工程要求有较大的差距1所以它是一个需要深入研究的问题,这种研究不只是对现有方法的进一步发展,更重要的是可能要改变研究的角度和采用性的研究方法14　结束语不确定性是工程结构设计、施工和使用中存・2・学报大连民族学院Number 5(G eneral N o 134)JOURNA L OF DA LIAN NATIONA LITIES UNIVERSITYSeptember ,2006在的客观现象,对这种客观现象的认识由来已久,但真正用理论的方法加以研究,并努力用于结构设计规范才是近几十年的事情1传统的经验安全系数设计法已使用了多年,对其中所蕴含的安全度不能给予科学的解释,对安全系数大小的取值,则是根据工程事故率的高低来不断调整的,这不免要以过大的材料浪费和潜在的巨大经济利益、生命损失为代价1用理性的方法逐步取代经验性的方法,或逐步减少经验性的成分,是科学技术发展的必然结果,也是事物发展的基本规律,但事物的发展要有一个过程1工程结构可靠度作为一种处理和分析工程结构中随机性的理论和方法,正处在这样一个发展的过程之中,除了在理论上尚需提出新的问题并不断深入研究外,在规范应用中,还需根据工程结构的特点,并考虑以往的工程设计和使用经验对可靠性设计方法加以论证,逐步改进其中的不完善之处1本文对工程结构可靠度的国内外研究现状进行了概括性介绍,其目的是使我国在工程结构可靠度的理论研究和应用方面有新的发展,从而推进我国结构设计理论的不断改革1参考文献:[1]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M].大连:大连理工大学出版社,1996.[2]胡春宇,管昌生.基于时变抗力的抗震结构动力可靠度分析[J ].广西工学院学报,1998,(5):16-19.[3]贡金鑫,仲秋伟.工程结构可靠性基本理论的发展与应用[J ].建筑结构学报,2002,23(4):229.[4]G B50153—92,工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1992.[5]G B J 68—84,建筑结构设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1984.[6]G B50158—92,港口工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1992.[7]G B50199—94,水利水电工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1994.[8]G B50216—94,[S].北京:中国计划出版社,1994.[9]G B ΠT 50283—1999,公路工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1999.[10]仲秋伟,赵国藩.多种腐蚀因素作用下钢筋混凝土结构的可靠度分析[J ].土木工程学报,2003,(11):125.Present R esearch and Future Development of E ngineeringStructures R eliability TheoryLIU Yu -bin(School of Architecture &Civil Engineering ,Dalian Nationalities University ,Dalian Liaoning 116605,China )Abstract :The structural reliability theory and its present research at home or abroad are summarized up.The role of the structural reliability theory in prom oting the standardization of China ’s engineering structure design is stated.It is suggested that the future study on structural reliability theory concentrate on the structure reliability in normal lim 2iting state ,structure endurance reliability ,structure fuzziness reliability ,structure dynamic reliability ,structure system reliability ,etc ,for the purpose of providing references for the future research.K ey w ords :engineering structure ;reliability ;present research ;design standardization ;future development(责任编辑邹永红)・3・2006年第5期(总第34期)刘玉彬:工程结构可靠度理论的研究现状与展望9月15日出版。