摘要：相关结构工程的实践证明，结构几何尺寸、结构所受载荷、结构强度等均属于随机变量。在土建工程、水利工程、道路工程、矿山工程、机械工程、电力工程、航空工程、电子工程、通信工程等诸多领域中，均在广泛运用结构可靠度设计。特别是水工结构的设计过程中，传统的结构设计方法，例如混凝土标准强度设计、大坝水荷载设计等的取值，均要对随机性概率进行充分考虑，因此，必须要将结构可靠度运用到水工结构设计过程中，以便对水工结构设计质量进行保证，进而保证整个工程的质量。
关键词：水工结构；可靠度设计；可靠指标；应用
0、引言
在水工结构设计过程中，运用可靠度设计方法，必须要注重对抗力要素、材料性质要素、荷载作用等诸多设计要素实施数理统计和分析，尤其是要对近些年积累的设计资料实施统计和分析。与此同时，还要分析已经建成工程大量原型结构观测资料，以及已有实验研究成果的分析。从本质上做好设计推广的工作，使水工结构的设计人员可以接受和理解结构可靠度理论。下面，笔者就对结构可靠度在水工结构设计中的应用进行浅谈。
1、水工结构可靠度理论概述
1.1、结构可靠度理论基本概念
结构可靠度是指在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。由于结构可靠度理论合理的考虑了荷载和抗力的随机性，以及在概率的水平上平衡了安全和经济的关系。它是一门近二十年来发展起来的边缘、交叉学科。它采用力学、不确定性数学及其它现代理论相结合的方法，研究结构可靠性分析方法及基于可靠度的结构设计方法。
1.2、水工结构的特点
工程涉及的荷载、材料力学参数、几何尺寸等设计变量多，而设计变量均不同程度地存在不确定性和变异性。在设计中合理地反映这种不确定性、变异性，对于结构的安全与经济是至关重要的。
1.3、影响工程结构可靠性的三种不确定性
从数学角度来分类，这些不确定性大致有以下几个方面：
图1 影响水工结构可靠性的不确定性因素
（1）事物的随机性
所谓事物的随机性，是事件发生的条件不充分，使得在条件与事件之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性，这种不确定性称为随机性。研究事物随机性问题的数学方法：主要有概率论、数理统计和随机过程。
（2）事物的模糊性
事物本身的概念是模糊的，即一个对象是否符合这个概念是难以确定的，也就是说一个集合到底包含哪些事物是模糊的，而非明确的，主要表现在客观事物差异的中间过渡中的 “不分明性”，也即“模糊性”。如工程结构中的“正常与不正常”、“适用与不适用”、“耐久与不耐久”、“安全与危险”等也都没有客观和明确的界限。研究和处理模糊性的数学方法：主要是1965年美国控制论专家扎德 （L.A.Zadeh）教授创始的“模糊数学（FUZZY）”。
（3）事物知识的不完善性
所谓事物知识的不完善性是指由于信息、数据的不全面、不完整而导致的不确定性。对知识不完善性的描述还没有成熟的数学方法，但在工程实践中必须考虑时，目前大多只能根据工程经验（由经验丰富的工程师及专家）对这种不确定性进行评估，引入经验参数加以考虑。
2、水工结构可靠度设计方法应用中存在的问题
2.1、变量不确定
在可靠度分析、抗力、作用效应和极限状态方程中，均存在不确定性因素。不确定性问题是应用可靠度设计方法中的首要障碍。抗力和作用等不确定性因素，主要特点为模糊性、随机性和未认知性。
2.2、可靠度理论度量结构安全局限性问题
评价水工结构的结构安全性，可靠度理论较为先进，但在应用时仍有局限性。可靠度理论某些问题尚未解决，如结构可靠度约束问题，受抗力与作用效应、随机过程为随机变量等因素的制约。随着认识的加深，这些约束条件均受到质疑。
大量数据统计中如用概率可靠度理论，抗力与荷载统计，均存在很大问题。而从设计规范较短看，荷载变化导致概率可靠度理论简化，忽略理论因素，比如在一定程度上忽略社会因素、经济因素。水工地下结构荷载与作用效应的耦合，其不确定性比荷载要大，构件和荷载不确定性之和难以估算。
在安全性评价中应用可靠度理论，包括作用效应与抗力因素两个内容，可靠度指标联合概率用样本统计方法得到。水工结构安全评价中的认知性、模糊性等指标，为非随机性不确定性因素，通过数学方法无法计算，应按照工程经验来解决。
3、水工结构可靠度分析方法
3.1、水工结构目标可靠指标的确定
在水工结构可靠度设计中，可靠度指标是设计的主要依据，与工程造价、使用以及后期的维护等密切相关，关系投资风险大小、财产安全等，因此也是体现结构安全和经济性的重要指标。因此要求合理确定结构设计的可靠指标。 
现阶段，水工结构目标可靠指标确定方法有三种： 一是经济优化法，二是经验校准法，三是事故类比法。而确定目标可靠性指标时，工程结构设计、设计理论均要考虑在内，确保新旧设计规范之间的衔接，防止由于材料用量过大而导致出现问题。
在设计过程中，事故类比法与经济优化法应用困难，可按可靠度设计统一标准，采用经验校准法。经验校准法是指先行校核设计规范安全度，通过反复计算，寻找原有设计规范中隐含在结构中的可靠指标，通过分析与调整，给予概率基础上的目标可靠度。
3.2、结构可靠性分析的基本步骤
结构可靠性分析大致可以分成以下四个步骤：
（1）对不确定性设计变量X1、X2、…Xn进行观测或试验，通过概率统计分析，确定各基本变量的概率模型（包括概率分布形式和统计参数）。结构可靠性所涉及的随机因素主要来自三个方面：作用、材料性能和结构
论文作者:石新
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
标签：结构论文; 可靠论文; 水工论文; 不确定性论文; 荷载论文; 工程论文; 方法论文; 《基层建设》2018年第19期论文;