工程结构普遍可信度策划与评估方法

1绪论

1.1工程结构可靠性设计方法的演变
科学试验和工程力学分析理论的发展使土木工程由完全依靠工程经验逐步走向了科学与经验相结合的道路。工程结构的设计理论从力学分析理论的发展历程来看,经历了容许应力设计法、破损阶段设计法和极限状态设计法;从概率理论的应用过程来看,经历了定值设计法(经验法)、半概率设计法及近似概率设计法。国际上的结构设计理论的发展趋势是概率极限状态设计法,图1.1为可靠性设计方法的分类。

1.1.1定值设计法(经验法)
在将科学方法应用于建筑设计之前,设计准则主要依据传统经验和仿生原理建立。随着线弹性理论的发展,在17世纪进行了一些着眼于应用的材料和结构构件的实验研究,物理学家穆申布洛依克(Mosschenbroek)第一次做了柱的压屈试验,所得结论(压屈荷载与压杆长度的平方成反比)与用弹性曲线进行数学分析得出的结论相同"穆申布洛依克还进行了梁的试验,从而提出了梁的极限荷载的计算方法。
18世纪末和19世纪初由于在使用中发现铸铁构件(柱、梁)会引起脆性破坏,因此在破坏设计中采用了较大的安全系数,如英国于1840年规定房屋建筑的安全系数为4,桥梁为6。
19世纪伴随着工业革命的兴起,各种工程结构(铁路桥梁、公共建筑、工业厂房等)大量出现,由于大多采用具有明显线弹性特征的建筑材料(铸铁等),故当时的结构分析着重于材料弹性阶段的工作状况。1826年,纳维埃(Navier)在其材料力学著作中,认为重要的是要寻求结构完全弹性而不产生永久变形的极限,建议用线弹性状态导出的计算公式来校核既有的认为足够安全的结构物,从而确定各种材料的安全应力,据此来设计和选定构件的尺寸"所谓安全应力就是容许应力,因而这时兴起的设计方法可以称为容许应力法,即由名义设计荷载引起的应力不超过容许应力或极限应力,
自20世纪30年代起,由于考虑混凝土等材料在弹性极限以后的工作性能,设计人员转而对结构进行最终的破坏分析"苏联首先在钢筋混凝土结构中采用了破损阶段设计法,而美国在五十年代后期,与容许应力法并行,在设计中开始采用这种方法。
无论是破损阶段还是容许应力的设计方法,在可靠性方面都是通过经验规定的单一的安全系数来考虑,故其属于定值设计法。

1.1.2半概率设计方法
苏联首先在1954年颁布的建筑法规和1955年颁布的各类结构设计规范中开始采用分项系数表达的极限状态设计法,但限于条件,仅在材料强度和风、雪荷载上应用了统计分析方法。不久美国混凝土学会(ACI)、欧洲混凝土协会(CER)都公布了类似的分项系数设计表达式。我国在60年代公布的第一批设计规范中也采用了分项系数表达式。我国20世纪70年代修订的各种建筑结构设计规范,实质采用的都是半概率法。
半概率设计法并不要求必须保证结构以规定的小概率进入极限状态,而只要求极限状态设计表达式中的各项设计值都应在概率的意义上取值。例如,对荷载效应项,以一个较小的超载概率取其设计值;对抗力项,以一个较小的低强概率(下分位值)取其设计值。在半概率法中,常常使人误认为只要设计中采用了某一给定的安全系数,结构就能百分之百的可靠,将设计安全系数与结构可靠度简单地等同起来"尽管材料强度和荷载的标准值是根据概率方法确定的,但抗力、荷载的分项系数仍然是凭据经验确定的,结构的失效概率是未知的,所以在结构安全性的控制方面其本质仍属于经验方法。

2不确定性及可靠度设计基本方法

在结构可靠度的分析过程中影响分析结果的不仅有随机因素,还包括诸如人类认识水平等其它不确定因素。全面考察这些不确定因素,对于分析和理解结构的可靠度都是非常重要的。
目前对不确定现象的研究已经超出传统概率论!数理统计的范围,形成了证据理论、模糊数学、灰色系统理论等新的学科分支。对工程结构中涉及的主观不确定现象以及考虑主观不确定性的可靠度分析方法做重点论述,并介绍目前概率设计方法的最新进展,如1502394推荐的设计值法。
目前以概率理论为基础的极限状态设计方法是以结构失效概率来定义结构可靠度,并以与结构失效概率相对应的可靠指标尽来度量结构可靠度,能较好地反映结构可靠度的本质"世界各国采用的均是以分项系数法为基本形式的近似概率极限状态设计与评定方法,但是相对土木工程领域的发展以及建设方需求的多样性,该方法仍存在诸多不足之处:
(l)对于新型结构、新材料结构,其材料性能、几何尺寸的概率特.性以及抗力计算模式的不确定性,可能与设计公式建立时所考虑的情况存在较大差.别,按给定的分项系数和标准值取值原则进行设计时,难以判定其可靠度水平是否满足要求。
(2)可变作用的概率特性,特别是楼面、屋面活荷载的概率特性,并不是一成不变的。随着自然界运动规律和人类活动方式的变化,未来作用的概率特性也可能与设计公式建立时所考虑的情况存在较大差别。
(3)目前的设计方法主要是通过结构重要性系数来选择不同的目标可靠指标,这种方式是间接的,选择的范围有限,缺乏应有的灵活性,不能满足建设方需求的多样性。
(4)拟建结构的设计与既有结构的评定本质上是相通的,但目前的设计方法并不能直接用于既有结构的评定,因为在作用效应、材料性能、几何尺寸等的概率特性方面,人类认识的不确定性方面,以及目标可靠指标和目标使用期的取值方面,既有结构与拟建结构都可能存在较大差别,难以实现拟建结构设计与既有结构评定