结构可靠性理论与应用的国内外研究现状

结构可靠性理论与应用的国内外研究现状摘要：自20世纪20年代以来，工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。许多国家开始研究在结构设计规范中的应用。从结构可靠性理论的发展历史、国内外科学家对结构可靠性理论所做的工作及成果、与目前此问题存在的一些不足之处。关键词：工程结构可靠性理论发展结构可靠性理论是随着人们对工程中各种不确定性认识的发展建立并逐步完善起来的一门新兴学科，它对结构的分析与设计具有重要指导意义。自20世纪20年代以来，结构可靠性的理论和应用的研究取得了重大发展。本文从结构可靠性理论的发展历史、国内外科学家对结构可靠性理论所做的工作及成果、与目前此问题存在的一些不足之处这三方面进行了简单的总结。1结构可靠性理论的发展历史结构系统可靠性理论是一门新兴的边缘学科。它以概率论、数理统计方法和随机过程理论为基础，以结构分析的有限元法和网络分析技术为工具，从系统角度出发，将结构系统的设计、分析、评价、检测和维护等融为一体。作为一种科学分析方法和实用技术，狭义地讲，它研究结构系统在规定的使用条件与环境下，在给定的使用寿命期间，能有效地承受载荷和耐受环境影响而正常工作的概率。将概率论和数理统计方法应用于结构可靠性分析的最早尝试可以追溯到20世纪初Forsell和Mayer等人的工作。尽管这些早期研究工作富有创造性，但由于当时的科技发展水平和实际需要，结构系统可靠性作为一种新的设计思想和分析方法并未引起社会的足够重视。第二次世界大战期间及随后的岁月中，有关机电设备、船舶、压力容器、飞行装置和海上石油勘探平台等，在设计使用寿命期限内，在规定的荷载条件与环境下，不能预期正常工作的事例不断增多和日趋严重。这说明了以安全系数法为代表的传统设计方法对环境条件和结构特性的决定论假设是不适当的。必须从概率论的观点出发，对有关的设计参量进行统计分析，研究它们的分布规律和相关特性，从而制订出一整套新的合理的设计规范。因为采用全概率分析方法，研究了传统的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系，提出了考虑多种因素，主要是有初始损伤条件下的结构系统可靠性分析的数学模型。正是由于此项工作，才促成了结构系统可靠性分析理论由经典向现代的过渡。而后又有科学家建议根据失效面而不是失效函数定义失效模式的可靠指标β。对于同一失效面，这样定义的β不会由于选择不同的等价失效函数而发生变化。从而提出了一种有效的算法使得任何非正态随机变量都能够在设计点处转化为正态随机变量，从而使计算由非正态随机变量和非线性极限承载状态构成的失效模式的失效概率成为可能。弗罗伊登彻尔差不多和尔然尼钦等人同时展开了结构可靠性的研究工作。他提出的在随机荷载作用下结构安全度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947他发表了“结构安全度”一文奠定了结构可靠的理论基础。从20世纪40年代初期到60年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期。现在所说的经典结构可靠性理论概念大致就是这一时期出现的。随着结构可靠性理论研究工作的深入，经典的结构可靠性理论得到了全面的发展，概率论的结构设计方法也逐渐被工程界所接受。到了20世纪80年代后期，结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中的研究热点，并已出版许多专著，对于复杂的结构系统可靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。与有限元法、计算机应用技术和实用概率网络分析理论的迅猛发展潮流相呼应，以一次二阶矩方法为基础的现代结构可靠性分析理论和应用技术开始了由构件级水平向系统级水平的实质性过渡。从而产生了以下几方面热点：(1)结构系统的可靠性分析。(2)对结构极限状态分析的改进，除考虑强度极限状态外，还应考虑结构的正常使用极限状态、破坏安全极限状态，以及地震和其他特殊情况下考虑能量损耗极限状态。(3)目标可靠度的量化问题。(4)人为差错的分析。(5)在役结构的可靠性评估与维修决策问题。(6)模糊随即可靠度的研究。2国内外对结构可靠性理论所做的工作及成果在结构可靠度理论发展初期，只有少数学者从事这方面的研究工作，如1911年匈牙利布达佩斯的卡钦奇就是提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题。1926年德国的迈耶提出了基于随机变量均值和方差的设计方法，这是最早提出应用概率理论进行结构安全度分析的学者之一。1926~1929年，前苏联的哈奇诺夫和马耶罗夫制定了概率设计的方法，但当时方法不够严格，因此并未付诸实施。1935年斯特列律斯基，1947年尔然尼钦和苏拉等人相继发表了这方面的文章，结构安全度的研究逐渐开始进入了应用概率论和数理统计学的阶段。1947年美国FreudenthalA.M.教授的论文“结构安全性”是结构可靠性理论系统研究的开始，在实用化方面，1969年美国Cornell,C.A.教授提出了结构可靠指标的概念。20世纪60-70年代，美国在发生了一些房屋安全事故后，引发了对建筑物安全问题的重新思考，认识到容许应力设计法的缺陷，以及为保证结构极端情况下安全性和正常使用情况下良好工作性能的重要性。结合当时可靠性理论的研究，探讨考虑荷载和材料性能随机性的可靠度设计方法。钢结构规范中荷载和抗力系数设计(LRFD)方法的提出是美国结构可靠度理论应用的开端。但随后意识到必须将荷载系数与结构材料有关的系数相分离，否则会出现因各规范编制组协调不好，不同材料结构中的同种荷载分项系数不同的不合理局面。在这种前提下，确立了美国国家标准委员会A58《建筑及其他结构最小设计荷载规范》的独特地位。1978年，在美国建筑技术中心结构分部工作的Ellingwood教授主持了基于概率的极限状态设计荷载要求的研究项目。研究工作的目标是:(1)提出一套适合于所有类型建筑的荷载系数与荷载组合系数;(2)提出一种供各材料规范选择与A58荷载要求和其性能目标协调的抗力准则。研究成果反映在1980年出版的NBS特别报告577“美国国家标准A58基于概率的荷载准则”中，随后的工作则是基于概率的设计理论在各种结构中的应用。在美国混凝土规范ACI31-02中，将抗力折减系数必由0.8提高到0.9，这将导致梁板等受弯构件的纵向受拉钢筋减少约10%。在解释这一变化时，该规范指出是基于过去和现在的可靠度分析、对材料性能的统计研究以及委员会的意见。丹麦按极限状态和分项系数的设计方法可追溯到20世纪50年代。1983年，丹麦所有的荷载、结构和土工设计规范都采用了统一的分项系数极限状态设计表达式。1996-1999年间，丹麦对结构规范(设计基础、作用和荷载、混凝土、钢、木、砌体和基础)进行了修订，并对旧的规范进行了可靠度校准。根据校准结果将目标可靠指标确定为βr=4.79，以此为基础，优化选定了新规范的分项系数。德国有一套非常完善和详细的国家标准，称为“国家工业标准(DIN)”。国家工业标准包括结构设计，而且非常成熟并包含了工程的各个方面。先前的规范采用综合安全系数法(荷载强度/FS)，类似于容许应力法，最新的德国荷载规范DIN1055(草案)和混凝土设计规范DIN1045(草案)采用了以可靠度为基础的分项系数方法。日本在结构安全和可靠性方面的研究已有40余年的历史。日本建设部曾试图将桥梁结构设计中的容许应力法改为极限状态设计法或荷载与抗力系数设计法，尽管做了很多努力，日本的桥梁设计仍采用容许应力设计法。日本土木工程师学会建议在混凝土结构中采用极限状态设计法。近年来，伴随WTO/TBT协定的生效，日本特别关注国际标准与欧洲标准的发展动向，用他们自己的话说，避免与国际标准的冲突，特别是ISO2394“结构可靠性总原则”1998年日本成立了一个由建筑和土木工程各领域专家组成的委员会和秘书委员会，编写包括各领域和结构类型的综合性规范《建筑及公共设施结构设计基础》[10]。目的是通过这一规范的基本原则将各领域规范纳入同一个框架中。该规范明确提出，“可靠度设计的概念是校核功能要求的基础”，“用可靠度的概念作为设计基础”的目的是“考虑外部作用和抗力的不确定性，在设计使用年限内，将超过所考虑极限状态的概率限定在允许的目标值内”。“将《结构设计基础》置于可靠度设计的概念上，保证了日本标准与国际标准的协调。”与IS02394:1998和EN1990不同的是，在日本的《结构设计基础》中，极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和可恢复极限状态，这是因为日本是多地震国家，震后受损结构的修复是重要的。（我国只考虑“承载力和正常使用”两种极限状态）为适应国际经济发展一体化的要求，在亚太地区，国与国在结构设计标准方面的协作也日益加强。以IS02394:1998为基础，澳大利亚和新西兰共同起草了一份关于一般设计要求的标准“DR99309,1999:结构设计—一般要求和设计作用，第0部分:一般要求”，目的是协调亚太地区发展和发展中国家设计标准的不同要求。2002年在亚太平洋地区征求意见，并探讨用ISO2394的分项系数模式取代现行荷载和抗力系数模式的可行性。根据结构类型、对公众团体的重要性和减少风险所付费用，该标准提出一个确定设计作用的新方法，目的是提供一个适合于不同经济发展水平国家不同要求的标准模式。另外，中国、日本和韩国就港口工程技术标准的协调和发展问题进行过联合研究，其中的一个重要方面是研究和理解国际标准和欧洲标准及基于可靠度的分项系数设计法。在韩国，结构标准分为设计标准和附属技术标准两类，根据相关的法律，设计标准作为国家标准。大多数混凝土结构和钢结构采用了极限状态设计原理，而土工结构(如基础和挡土墙)仍使用容许应力设计法。但是，目前修订的“结构基础设计规范”采用了极限状态设计法，也允许使用容许应力设计法。韩国表示，韩国是WTO的成员国之一，如果颁布了ISO标准，韩国政府要用它作为国家标准。应用结构可靠性理论全面修订工程结构规范是国际上的一种共同发展趋势，是结构规范的一次带有根本性的变革，由此以建立新的统一的规范体系和模式，1985年以来我国全面开展了此项工作，并取得了很好的成绩。在我国，将可靠性理论应用于工程结构规范是在国家计委的领导和组织下，于1976年首先在建工系统展开的。并于1981年编制完成了建筑结构设计统一标准，为建筑系统全面采用结构概率设计法打下了良好的基础。之后，在1985年国家计委又组织了建工，铁路，公路，港工，水工等五个系统一起编制工程结构可靠度设计统一标准，作为我国各类结构规范制定和修订的共同依据，与此同时还安排了个系统编制相应的本系统可靠度设计统一标准。我国的工程结构可靠度设计统一标准以及建筑结构、港口工程结构，水利水电工程结构，铁路工程结构的可靠度设计统一标准也编制完成，与之相应的结构设计规范有的也开始颁布和实施，有的正在加紧修订，这些工作对各设计规范的统一协调，国际间技术合作与交流以及结构可靠性理论的发展起到了积极的推动作用。3目前有待加强的方面对目前尚缺乏系统统计资料的荷载和抗力开展调查实测和统计分析结构可靠性理论是以各基本变量的统计参数为基础的，而工程的结构又不能像某些工业产品那样在较短的时间内就能取得足够的统计数据，因而需要进行长期的大量的工作。进一步研究结构构件在正常使用极限下地设计方法目前，国内外对结构构件承载力极限状态下的可靠度分析，研究地比较多，但对于正常使用极限状态下的可靠度分析研究的少，有待加强。结构在动力荷载和重复荷载下的可靠度分析设计方法目前，对结构可靠性的研究，主要集中在静力随机荷载的范围内。可是作用在实际工程结构上的荷载，除了静载外还可能有动载。在动载作用下，结构会发生随机振动。因此，使结构在随机振动中发生破坏的概率足够小，对于保证结构的安全十分重要。随着动力可靠性研究工作的展开，结构动力可靠性理论正在形成，它是用结构动力学和概率论相结合的方法研究结构的可靠性。当结构在使用期内承受等幅重复荷载作用时，结构的破坏主要由材料的疲劳引起，因而尚应研究疲劳破坏的可靠度问题。结构在偶然作用下的可靠度分析及其设计方法当发生强烈地震爆炸等偶然事件时，结构将受到特大的荷载。设计时如果要求结构能直接承担这种荷载的作用显然是不可能的不经济的，因此允许结构在遭受偶然作用时产生局部破坏，但不允