桥梁结构可靠性研究综述.docx

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1、桥梁结构可靠性研究综述 摘要：20世纪40年头以来，结构牢靠性理论有了长足的发展，尤其是很多国家起先探讨在结构设计规范中的应用，使结构牢靠性理论的应用进入一个新的时期。本文依据文献资料，从结构牢靠性理论探讨的历史、现状、桥梁结构牢靠性理论探讨现状、工程结构牢靠性发展趋势等方面对桥梁工程结构牢靠性理论探讨进行了综述。 关键词：工程结构牢靠度综述 对于结构牢靠性这一学科，从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机牢靠性到基于模糊理论的模糊牢靠性以及近年来提出的非概率牢靠性，使得这一理论日臻丰富和完善，并深化渗透到各个学科和领域。 一、结构牢靠性理论探讨历史 长期以来，人们就广泛采纳“牢靠

2、性”这一概念来定性评价产品的质量。这种靠人们阅历评定其产品牢靠、比较牢靠、不行靠，没有一个量的标准来衡量。1939年，英国航空委员会出版的适航性统计学注释一书中，首次提出飞机故障率不应超过10-5次3h，这可以认为是最早的飞机平安性和牢靠性定量指标1；二战后期，德国的火箭专家R.Lusser首次对产品的牢靠性作出了定量表达。他提出用概率乘积法则，将系统的牢靠度看成是各个子系统牢靠度的乘积，从而算得V-型火箭诱导装置的牢靠度为75%2；1942年，美国麻省理工学院一个探讨室起先对真空管的牢靠性进行深化的调查探讨工作。二战期间，军用电子设备的大量失效使美国付出了相当惨重的代价。于是引起了美国军方对

3、牢靠性问题的高度重视，同时领先对牢靠性问题进行了系统地探讨，并于1952年成立了“电子设备牢靠性询问组”，简称AGREE。该组织于1957年发表了闻名的电子设备牢靠性报告。报告中提出了一套完整的评估产品牢靠性的理论和方法。该报告被公认为是牢靠性探讨的奠基性文献。1965年，国际电子技术委员会设立了牢靠性技术委员会TC-56，协调了各国间牢靠性术语和定义、牢靠性的数据测定方法、数据表示方法等。上世纪60年头以来，牢靠性的探讨已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门3。 结构牢靠性理论的产生，是以20世纪初期把概率论及数理统计学应用

4、于结构平安度分析为标记，在结构牢靠度理论发展初期，只有少数学者从事这方面的探讨工作，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探讨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平安度分析的学者之一。19261929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，未付诸实施。1935年斯特列律茨基，1947年尔然尼钦和苏拉等人相继发表了这方面的文章，结构平安度的探讨渐渐起先进入了应用概率论和数理统计学的阶段。值得指出的是，弗罗伊登彻尔差不多和尔然尼钦等人同时开展了结构牢靠性的探讨工作。

5、他提出的在随机荷载作用下结构平安度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947年他发表了“结构平安度”4一文，奠定了结构牢靠性的理论基础。 从20世纪40年头初期到60年头末期，是结构牢靠性理论发展的主要时期。现在所说的经典结构牢靠性理论概念大致就是这一时期出现的。随着结构牢靠性理论探讨工作的深化，经典的结构牢靠性理论得到了全面的发展。基于概率论的结构设计方法渐渐被工程界所接受。但在这一时期，结构牢靠性理论还未能立刻被工程界广泛应用，其缘由如下5： 1.传统的确定性结构设计方法当时在人们头脑中根深蒂固，认为没必要变更已用的结构设计方法，而且，结构的失效很少发生，即使发生结构失效，绝大数是由于

6、人为差错造成的，并非结构设计方法问题。 2.基于概率理论的结构设计方法好像比传统的确定性结构设计方法麻烦，涉及到当时比较难处理的统计数学问题。 3.当时有用的统计数据极少，不足以定义重要的荷载、强度的尾部分布。 除上述阻碍结构牢靠性理论应用的缘由外，当时结构牢靠性理论本身也面临两大难题： 结构牢靠性理论所采纳的数学模型不足以完全精确地反映应用状况，即模型误差是未知的。 即使是对一个简洁的结构，其失效模式可能多到难以计数，更不用说进行牢靠度分析。 因此，二十世纪60年头初期，很多学者致力于克服上述困难的探讨。例如林德等人把规范化的结构设计问题定义为寻求一套荷载和抗力系数的最优值问题，他们建议采纳

7、一种迭代过程确定结构的平安度和造价，康奈尔等人提出了与尔然尼钦相同的一次二阶矩法，并建立了比较系统好用的一次二阶矩设计方法，利用结构的牢靠指标，而不是失效概率Pf，作为结构牢靠性的一种量度量，使结构的牢靠性理论达到好用的目的。 二、国内外工程结构牢靠性理论探讨现状 二十世纪73年头至80年头，是结构牢靠性理论完善并被各国规范、标准相继采纳时期，自从康奈尔提出了一次二阶矩法之后，林德依据康奈尔的牢靠指标，推证出一整套荷载和抗力平安系数，这次探讨使牢靠度分析与实际可接受的设计方法联系起来。随后，德国的拉克维茨和菲斯勒，对基本变量为非正态分布状况提出了一种等价正态变量求法，这种方法经过系统改进之后，

8、作为结构平安度联合委员会的文件附录举荐给土模工程界。该方法也被很多国家规范所接受，我国的建筑结构设计统一标准6也是以该方法作为牢靠性校准的基础7。 三、桥梁结构牢靠性理论探讨现状 桥梁牢靠性设计要解决的问题是8：在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下，依据规定的目标牢靠指标，选择结构截面几何参数，使结构在规定的时间内，在规定的条件下，保证其牢靠度不低于预先给定的值。牢靠性的数量描述一般用牢靠度。我国对结构牢靠度的探讨只限于理论方面，且侧重于牢靠度设计方面，对结构耐久性方面的探讨，特殊是对耐久性评估理论的探讨还很落后。事实上对现有桥梁结构做出正确的牢靠性评估，精确预料出其剩余寿命，才能

9、保证结构在寿命持续期内的平安性，节约大量的修理加固资金。我国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态不重视运用极限状态；重视桥梁结构的建立而忽视其检测和维护，使结构平安性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲惫损坏所导致，从而严峻影响桥梁结构的承载实力和运用性能。为了保证桥梁平安运营、延长其运用寿命以及提高桥梁的平安性和耐久性，削减早期桥梁病害，从而节约后期桥梁的修理费用，因而对桥梁结构牢靠性探讨特别必要和迫切9。 四、工程结构牢靠性理论探讨发展趋势 进入二十世纪80年头后，结构系统的牢靠性理论探讨工作已经成为

10、结构工程中的探讨热点，并已出版了很多专著，对于困难的结构系统牢靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。概括而言，如下几方面是结构牢靠度理论探讨的热点： 1.结构系统的牢靠度分析。对于结构系统牢靠度分析的特别困难的探讨课题，很多学者对此从不同角度进行了探讨，提出了一些概念和方法。如结构牢靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合状况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统牢靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛法采纳重要抽样技术计算结构系统的牢靠度等，同时，一些学者还探讨了系统牢靠度界限的问题。总之，系统牢靠度分析探讨内容丰

11、富，难度较大。 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运用极状态、破坏平安极限状态，以及地震和其他特别状况下考虑能量耗损极限状态等。 3.目标牢靠度的量化问题。虽然校准法已经部分解决了这个问题，但与实际状况相比，这方面的问题还远远没有解决。 4.人为差错的分析。很多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成，而往往是设计、施工、运用等环节中人为差错造成的，这方面事例许多，已成为目前探讨热点之一。 5.在役结构的牢靠性评估与修理决策问题。对在役建筑结构的牢靠性评估与修理决策正成为建筑结构学的边缘学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论，

12、而且，与施工技术、检验手段、建筑物的修理运用状况等有亲密的关系。同时，经典的结构牢靠性理论，在在役结构的牢靠性评估中也必将得到相应的发展。 6.模糊随机牢靠度的探讨10。模糊随机牢靠度理论探讨是工程结构广义牢靠度理论探讨的重要内容，随着模糊数学理论与方法的完善，模糊随机牢靠度理论也必将进一步完善和发展。 五、结语 桥梁工程问题的解决总是理论与工程阅历的结合，驾驭的学问越多，主观阅历越少，桥梁结构的设计越合理，这也正是桥梁工程技术探讨追求的目标。桥梁结构牢靠度理论探讨是内容极其丰富且困难的重大探讨课题，不仅仅在理论上有很多重大问题须要解决，而且，将其应用到桥梁结构设计、评估及修理决策之中尚有很多

13、细致的工作要做。 参考文献 1 王超，王金等.机械牢靠性工程M.北京：冶金工业出版社.11012. 2 刘惟信.机械牢靠性设计M.第一版，北京：清华高校出版社.11015. 3 拓耀飞，李少宏.论结构牢靠性的发展J.榆林学院学报.2022，16：32-35. 4 A.M.Freudenthal，Safety of structures，Trans.ASCE，112 . 5 刘玉彬.工程结构牢靠度理论探讨综述J.吉林建筑工程学院学报，2002，19：41-43. 6 中华人民共和国国家标准.建筑结构设计统一标准.北京，11015. 7 贡金鑫，赵国藩.国外结构牢靠度理论的应用与发展J.土木工程学院.2022，38：1-7. 8张建仁，刘扬.结构牢靠度理论及其在桥梁工程中的应用M.北京：人民交通出版社.2003. 9 武芳飞，赵雷.桥梁结构牢靠性探讨的现状和发展J.工程结构.2004，24：60-61. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页