土木工程结构可靠度理论的发展与实际应用

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1、土木工程结构可靠度理论的发展与实际应用摘要：由于影响工程结构可靠性的各种因素存在不确定性，而且这些影响具有随机性，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量，可靠度的概念也因此产生。随着实践经验的积累和工程力学、材料试验、设计理论等各种学科的发展而不断地演变并应用与实践之中。本文将介绍结构可靠度理论的发展及应用实例。关键词：可靠度理论发展实际应用1引言自公元前2250年巴比伦国王Hammurubi制定的结构安全度法典，到16世纪末意大利人Galileo制作的用来进行结构设计的结构试验机，乃至1773年Coulomb规定的安全系数等级无一不贯彻着可靠性设计的概

2、念。但在结构可靠度理论发展的早期阶段，由于数学和力学上的困难，很长一段时间内研究进展缓慢。19世纪时，由于材料力学、弹性力学和材料试验科学的发展,在Navier等的共同努力下，提出了基于弹性理论的容许应力设计法。自此可靠度理论的发展进入了一个新阶段，各种与之相关的理论不断提出，结构可靠度理论的发展有了大的跃进。美国的A.M.Fredenthal在20世纪40年代开创了美国结构安全度的研究工作，并在1951年提出破坏概率的选择原则为“应使结构建造费用与期望的破坏损失费的总和为最小”，奠定了结构可靠度理论的基础，标志着可靠度理论的建立。20世纪40年代到60年代是

3、结构可靠度理论发展的主要时期现在提到的经典可靠度理论大都是在这个时期形成的。大致在20世纪60年代和70年代，土木工程结构可靠度的研究工作广泛的开展并逐步进入实用阶段。2结构可靠度理论的发展土木工程结构可靠度理论发展早期大多根据实际经验，制定以经验为主的安全系数，这个阶段的可靠度理论仅为经验性的结论，并无科学严谨的定量分析理论产生。19世纪，容许应力设计法出现后，还有一大批可靠度理论及文献涌现。1938年，出现了国际上第一本，破损阶段设计的《钢筋混凝土结构设计标准及技术规范》（全苏标准OCT9003-38）。匈牙利卡钦奇在1911年最早提出用统计数学研究结构的

4、荷载及材料强度问题，首次向定值的结构安全度计算提出了挑战。后来不少苏联学者相继提出了一些类似的研究报告，于是开拓了一个新领域，这就是将概率论和数理统计学引入到结构安全度的研究中。后来苏联学者斯特列律茨基在1947年提出了将安全系数分享研究的方法，这个理论奠定了苏联50年代极限状态设计的基础。他引用了数理统计法进行了科学的而不是单凭经验的分析工作，这个工作具有划时代的意义。后来在计算理论方面苏联学者相继提出了一次二阶矩理论和三阶矩方法来计算结构失效概率。1950年前后又出现了结构极限状态的概念和计算方法，这一方法明确的提出了结构极限状态的概念，并规定了结构设计的

5、承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态。美国学者A.M.Fredenthal发表了论文“结构的安全度”，A.H-S.Ang提出了广义可靠性概率法。1996年美国学者C.A.Cornell提出与结构失效概率有直接联系的可靠度指标β值，作为衡量可靠度的数值指标，并建立了结构可靠度计算的一次二阶矩模式。1971年加拿大学者N.C.Lind在C.A.Cornell提出的计算模式基础上，采用分离函数方式，将可靠度指标β值表达成适用于设计规范的分项系数形式。一些国际专业组织共同成立了结构安全联合委员会（JCSS），编制了“结构统一标准规范的国际体系”。国际标准化学会（

6、ISO）于1973年提出了“检验结构安全度总则”（ISO2394），1980年改为“结构可靠性总则”，并于1986年完成其最新版本，对各国开展工程结构设计统一标准规范的改革起到了很好的促进作用。1974年美国学者A.H-S.Ang与C.A.Cornell联合写了“结构安全和设计的可靠性基础”文章，对结构可靠度设计作了详尽的系统论述。1976年美国学者R.Rackwitz在可靠度计算中，提出了各种非正态分布基本变量的当量正态分布模式，从而形成了结构可靠度分析与计算的一次二阶矩的整套理论和方法，使可靠性理论为基础的结构设计理论进入了实际应用阶段。可靠度计算方法从研

7、究对象来说，可分为点可靠度计算方法和体系可靠度计算方法。对于现阶段结构可靠度的发展现状来说，虽然由于可靠度研究本身的复杂性，目前对结构体系可靠度的研究还不成熟，仍处于探索阶段，而结构点可靠度的计算方法已较成熟。主要有一次二阶矩法、二次二阶矩法、二次四阶矩法、蒙特卡罗法、响应面法、帕罗黑莫法、随机有限元法等。其中一次二阶矩法是近似计算可靠度指标最简单的方法，只需考虑随机变量的前一阶矩、二阶矩和功能函数泰勒级数展开式的常数项和一次项，并以随机变量相对独立为前提，在笛卡尔空间内建立求解可靠度指标的公式。因其计算简单，大多情况下计算精度又能满足工程要求，已被工程界广泛

8、接受。基于一次二阶矩法的分析方法主要有