橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性試析論文

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　　對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性這一學(xué)科，從其誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了長足的發(fā)展：從基于概率論的隨機(jī)可靠性到基于模糊理論的模糊可靠性以及近年來提出的非概率可靠性，使得這一理論日臻豐富和完善，并深入滲透到各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。

橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性試析論文

　　一、結(jié)構(gòu)可靠性理論研究歷史

　　長期以來，人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評(píng)價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗(yàn)評(píng)定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。1939年，英國航空委員會(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10-5次3h，這可以認(rèn)為是最早的飛機(jī)安全性和可靠性定量指標(biāo)[1]；二戰(zhàn)后期，德國的火箭專家R.Lusser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則，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-Ⅱ型火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度為75%[2]；1942年，美國麻省理工學(xué)院一個(gè)研究室開始對(duì)真空管的可靠性進(jìn)行深入的調(diào)查研究工作。二戰(zhàn)期間，軍用電子設(shè)備的大量失效使美國付出了相當(dāng)慘重的代價(jià)。于是引起了美國軍方對(duì)可靠性問題的高度重視，同時(shí)率先對(duì)可靠性問題進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并于1952年成立了“電子設(shè)備可靠性咨詢組”，簡(jiǎn)稱AGREE(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment)。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)TC-56，協(xié)調(diào)了各國間可靠性術(shù)語和定義、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，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)展到電機(jī)與電力系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、動(dòng)力、土木建筑、冶金、化工等部門[3]。

　　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)度問題；1926年德國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，未付諸實(shí)施。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)安全度的研究逐漸開始進(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，弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時(shí)開展了結(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)安全度的基本問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)安全度”[4]一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(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。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，其原因如下[5]：

　　1．傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法當(dāng)時(shí)在人們頭腦中根深蒂固，認(rèn)為沒必要改變已用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，而且，結(jié)構(gòu)的失效很少發(fā)生，即使發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，絕大數(shù)是由于人為差錯(cuò)造成的，并非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法問題。

　　2．基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法似乎比傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法麻煩，涉及到當(dāng)時(shí)比較難處理的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)問題。

　　3．當(dāng)時(shí)有用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)極少，不足以定義重要的荷載、強(qiáng)度的尾部分布。

　　除上述妨礙結(jié)構(gòu)可靠性理論應(yīng)用的原因外，當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)可靠性理論本身也面臨兩大難題：

　�。�1）結(jié)構(gòu)可靠性理論所采用的數(shù)學(xué)模型不足以完全準(zhǔn)確地反映應(yīng)用情況，即模型誤差是未知的。

　�。�2）即使是對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其失效模式可能多到難以計(jì)數(shù)，更不用說進(jìn)行可靠度分析。

　　因此，二十世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者致力于克服上述困難的研究。例如林德等人把規(guī)范化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題定義為尋求一套荷載和抗力系數(shù)的最優(yōu)值問題，他們建議采用一種迭代過程確定結(jié)構(gòu)的安全度和造價(jià)，康奈爾（C.A.Cornell）等人提出了與爾然尼欽相同的一次二階矩法，并建立了比較系統(tǒng)實(shí)用的一次二階矩設(shè)計(jì)方法，利用結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β，而不是失效概率Pf，，作為結(jié)構(gòu)可靠性的一種量度量，使結(jié)構(gòu)的可靠性理論達(dá)到實(shí)用的目的。

　　二、國內(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規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)相繼采用時(shí)期，自從康奈爾（C.A.Cornell）提出了一次二階矩法之后，林德（N.C.Lind）根據(jù)康奈爾（C.A.Cornell）的可靠指標(biāo)，推證出一整套荷載和抗力安全系數(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。隨后，德國的拉克維茨（R.Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler），對(duì)基本變量為非正態(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)過系統(tǒng)改進(jìn)之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)（JCSS）的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國家規(guī)范所采納，我國的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ68-84）[6]也是以該方法作為可靠性校準(zhǔn)的基礎(chǔ)[7]。

　　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)要解決的問題是[8]：在結(jié)構(gòu)承受外荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征已知的條件下，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。實(shí)際上對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)做出正確的可靠性評(píng)估，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出其剩余壽命，才能保證結(jié)構(gòu)在壽命延續(xù)期內(nèi)的安全性，節(jié)省大量的維修加固資金。我國在橋梁設(shè)計(jì)過程中，存在著考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少;重視強(qiáng)度極限狀態(tài)不重視使用極限狀態(tài);重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而忽視其檢測(cè)和維護(hù)，使結(jié)構(gòu)安全性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來，國內(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(如結(jié)構(gòu)開裂、變形過大等)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。為了保證橋梁安全運(yùn)營、延長其使用壽命以及提高橋梁的安全性和耐久性，減少早期橋梁病害，從而節(jié)約后期橋梁的維修費(fèi)用，因而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究非常必要和迫切[9]。

　　四、工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究發(fā)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)，并已出版了許多專著，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。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)：

　　1．結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的非常復(fù)雜的`研究課題，許多學(xué)者對(duì)此從不同角度進(jìn)行了研究，提出了一些概念和方法。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為FerryBorgesCastanheta組合情況下的計(jì)算方法問題；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（Monte-Carlo）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)可靠度界限的問題�？傊到y(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富，難度較大。

　　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狀態(tài)等。

　　3．目標(biāo)可靠度的量化問題。雖然校準(zhǔn)法已經(jīng)部分解決了這個(gè)問題，但與實(shí)際情況相比，這方面的問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決。

　　4．人為差錯(cuò)的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強(qiáng)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)中人為差錯(cuò)造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點(diǎn)之一。

　　5．在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策問題。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)等基礎(chǔ)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。同時(shí)，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論，在在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估中也必將得到相應(yīng)的發(fā)展。

　　6．模糊隨機(jī)可靠度的研究[10]。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)一步完善和發(fā)展。

　　五、結(jié)語

　　橋梁工程問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題需要解決，而且，將其應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估及維修決策之中尚有許多細(xì)致的工作要做。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3]拓耀飛，李少宏．論結(jié)構(gòu)可靠性的發(fā)展[J]．榆林學(xué)院學(xué)報(bào)．2006,16(4):32-35．

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　　[5]劉玉彬．工程結(jié)構(gòu)可靠度理論研究綜述[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,19(2):41-43．

　　[6]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GBJ68－84)．北京,1985．

　　[7]貢金鑫，趙國藩．國外結(jié)構(gòu)可靠度理論的應(yīng)用與發(fā)展[J]．土木工程學(xué)院．2005,38(2):1-7．

　　[8]張建仁，劉揚(yáng)．結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M]．北京：人民交通出版社．2003．

　　[9]武芳飛，趙雷．橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]．工程結(jié)構(gòu)．2004,24(5):60-61．

　　[10]IanM.FriedlandandEdgarP.Small.Federalhighwayadministrationbridgeresearchandtechnologydevelopmentinitiatives.

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