橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性試析論文

　　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(zhǎng)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(lái)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。

　　一、結(jié)構(gòu)可靠性理論研究歷史

　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來(lái)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(lái)衡量。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)安全性和可靠性定量指標(biāo)[1]；二戰(zhàn)后期，德國(guó)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(guó)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(guó)付出了相當(dāng)慘重的代價(jià)。于是引起了美國(guó)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(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)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(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，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(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�；�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(shuō)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(guò)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(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)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(lái)。隨后，德國(guó)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(guò)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(guó)家規(guī)范所采納，我國(guó)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(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。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(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(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(如結(jié)構(gòu)開裂、變形過(guò)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(yíng)、延長(zhǎng)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�，系統(tǒng)可靠度分析研究?jī)?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(yǔ)

　　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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