水工结构设计中结构可靠度的应用剖析

水工结构设计中结构可靠度的应用剖析

南英尧

（惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东惠州516000）

摘要：近年来，结构可靠度理论及其应用研究已取得很大进展，并且在水工结构的设计和研究领域得到具体运用。本文主要对结构可靠度在水工结构设计领域的研究和应用现状进行了概括性总结，针对存在的问题提出了一些建议，为我国在水工结构可靠度的进一步研究提供了借鉴。

关键词：水工结构；可靠度；设计；运用

前言

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。

1水工结构可靠度设计研究现状

为进一步提高我国水利工程结构可靠度设计水平，建设部和原国家技术监督局于1994年颁布了《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199—94）（以下简称《水工统标》）。按照国家规定，今后各类水工建筑物结构设计规范均应按照《水工统标》的规定进行编制或修订。

1.1水工结构可靠度设计规范

目前，《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077—1997）、《水工建筑物抗震设计规范》（SL203—97）、《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—1996）、《混凝土重力坝设计规范》（DL5018—1999）等已按此规定修编完成并发布。其他水工建筑物结构设计规范也将按照《水工统标》的原则陆续进行修编和发布。这些规范的制定为水工建筑物的结构设计符合安全可靠、经济合理、使用耐久、技术先进的要求提供了很好的基础。

1.2水工结构可靠度设计研究

由于水工结构可靠度设计理论在分析方法、概率模型简化等方面还不够完善，使该理论还不能应用到水工结构设计的各个领域（如水工钢闸门、土石坝、水电站厂房等方面的设计依然按照过去的设计方法，这些设计方法不能定量准确地评价结构的安全性，落后于采用可靠度设计水工结构的总体设计水平），因此国内众多学者针对不同的领域，从结构抗力R和荷载效应S两个方面，采用校核法或其他方法对不同的水工结构进行了大量的可靠度设计研究，并取得了一些十分重要的结论。这为那些使用传统设计理论的领域早日过渡到采用水工结构可靠度设计理论奠定了基础。

目前，暂时还不具备统计资料的水工结构设计规范，可以按结构可靠度理论修编或“套改”，这种方法虽然只是形式上与可靠度设计相似，但这为以后设计方法向以可靠度理论为基础的极限状态设计法转化创造了条件，以便相关部门今后有意识地搜集和积累有关变量的统计资料。随着统计数据的积累和研究水平的提高，即可将原来尚不具备统计资料的变量及其分项系数逐步地赋予概率含义。现在使用的《溢洪道设计规范》（DL/T5166－2002）正是采用了这种修订方法，使溢洪道设计初步具有可靠度的含义，同时也为那些现在不能立刻修订为采用可靠度设计的规范提供了一条向可靠度设计靠近的方式。

2工程结构可靠度理论

在工程设计过程中，最重要的问题就是工程结构的安全性问题。原因在于，结构工程建设的耗资十分巨大，一旦其工程失效，不仅会威胁人民群众的生命安全，更会造成难以估量的损失和次生灾害。在人们对于结构工程不确定性进行认识的过程中，结构可靠性理论得以形成。在1911年，便有人用统计数学对荷载以及材料强度进行计算。

对结构可靠度产生影响的因素多种多样，从工程背景的角度来看，其影响因素主要包括：荷载、材料参数、几何尺寸、初始条件、边界条件、计算模型等。人们将影响结构可靠度的因素称之为随机变量，所有的参数都可以作为随机变量，或者还可以将当量作为随机变量。但是，为了给计算带来便利，人们将可以当做常量的量看作常量。

3水工结构可靠度设计的常用方法

3.1运用分项系数极限状态表达式

在水工结构设计的过程中，将分项系数表达极限状态作为设计方法，不仅得到了广泛的运用，成为当前水工结构可靠度设计的过程中所普遍运用的设计方法，更与确定性方法相适用。明确作用分项系数以及材料性能分项系数的物理概念，对可能会产生的不确定性和不确定因素进行反映，具有很强的降强概念和超载概念，而且其与结构类型无关。因此，从作用本身变异性来对作用分项系数进行准确地确定，运用材料试件变异性来对材料性能分项系数进行确定。在《统一标准》中，已经明确规定，水工结构结构系数主要对各种结构抗力计算不确定性进行综合考虑，还要对作用分项系数和材料性能分项系数中没有考虑的其他分项系数进行综合考虑，比如几何尺寸不确定性等。这些不确定性与水工结构的形式具有重要的关系，结构系数与结构构件的可靠度具有直接关系，结构安全等级的不同，导致其目标可靠指标也并不相同。所以，在《统一标准》里已经明确规定，将安全等级是II级结构作为前提和基础，对其他等级结构，结构系数将II级结构系数乘以对应重要性系数便可以得到。

3.2确定目标可靠指标

在水工结构可靠度的设计过程中，目标可靠指标是水工结构设计重要的根据，目标可靠指标与工程的使用维护费用、投资风险、造价、人民生活、财产等因素息息相关，目标可靠指标对水工结构经济性和安全性平衡进行体现，可以说，目标可靠指标代表水工结构设计所预期的结构可靠度。因此，对目标可靠指标值进行合理的明确，不仅要依靠设计人员水工结构可靠度的设计水平，还要依靠科技发展和社会经济，正因如此，目标可靠指标是一项需要对国家综合性技术和经济政策进行充分考虑的指标。通常情况下，人们通过经验校准法、经济优化法、事故类比法这三种方法来确定目标可靠指标。在确定目标可靠指标的过程中，不仅要对理论结果进行综合考虑，还要对水工结构设计的情况进行综合考虑，将旧规范和新规范衔接起来。在实际运用的过程中，如果采用经验校准法来确定目标可靠指标。要通过对现行的设计规范安全度进行校核，通过反演计算，将根据原规范设计在水工结构里隐含相应的可靠指标值找出来，通过对其进行分析和调整，进而对目标可靠指标进行制定，通过这样的方法和流程得出的目标可靠指标，是基于概率分析之上，属于可靠性设计目标可靠指标。

3.3计算水工结构可靠度

水工结构可靠度计算的常用方法多种多样，例如MonteCarlo抽样法、一次二阶矩方法、高次高阶矩方法、遗传算法。作为一个将适应度的函数作为根本的算法，遗传算法主要通过对各种群个体实施遗传操作，进而实现种群内个体结构重组。在这样的过程中，种群个体逐代得以优化，并且逐渐与最优解逼近。遗传算法属于智能搜索的算法，变异、交叉和选择是遗传算法所依赖的基本操作。遗传算法的流程如下图所示，遗传算法具有很强的全局最优性、自适应性、鲁棒性等特征，这些特性是其它算法缺少的。

通过运用遗传算法，能够规避传统算法的缺点，将决策变量编码作为运算的开展对象，遗传算法将决策变量某一种形式编码作为预算对象，这样能够为我们提供便利，我们便可以更好地运用遗传操作算子。此外，遗传算法还将目标函数值作为根本的搜索信息，对搜索范围和方向进行确定，遗传算法还适用于多个搜索点信息的搜索，其概率搜索技术得以广泛运用。

4结语

总之，当前形势下，工程结构越来越复杂，人们对于事物认知程度越来越深，正因如此，工程结构设计已经逐渐从确定性的设计方法转变成为概率设计方法。传统的水工结构设计方法，不能够真正保证水工结构的安全和可靠，也不利于深入理解设计安全性的内涵。因此，在水工结构的设计过程中，要将结构可靠度理论作为前提和基础，运用概率极限状态的设计方法，能够从本质上对水工结构设计过程中不定性的因素实施量化分析。

参考文献：

[1]王坤．水工结构可靠度设计方法[J]．中国水能及电气化，2014（11）

[2]刘岩，邓楠．结构可靠度理论在水工结构设计与工程管理中的应用[J]．才智，2012（06）

[3]李树山，李红梅，解伟．水工结构可靠度设计方法[J]．河南科技，2011（11）