橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究綜述
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
摘 要：20世紀(jì)40年代以來，結(jié)構(gòu)可靠性理論有了長足的發(fā)展，尤其是許多國家開始研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)可靠性理論的應(yīng)用進(jìn)入一個新的時期。本文根據(jù)文獻(xiàn)資料，從結(jié)構(gòu)可靠性理論研究的歷史、現(xiàn)狀、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀、工程結(jié)構(gòu)可靠性發(fā)展趨勢等方面對橋梁工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu) 可靠度 綜述
對于結(jié)構(gòu)可靠性這一學(xué)科，從其誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了長足的發(fā)展：從基于概率論的隨機(jī)可靠性到基于模糊理論的模糊可靠性以及近年來提出的非概率可靠性，使得這一理論日臻豐富和完善，并深入滲透到各個學(xué)科和領(lǐng)域。
一、結(jié)構(gòu)可靠性理論研究歷史
長期以來，人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評價產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗評定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。1939年，英國航空委員會出版的《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》一書中，首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過10-5次3h，這可以認(rèn)為是最早的飛機(jī)安全性和可靠性定量指標(biāo)[1]；二戰(zhàn)后期，德國的火箭專家R.Lusser首次對產(chǎn)品的可靠性作出了定量表達(dá)。他提出用概率乘積法則，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個子系統(tǒng)可靠度的乘積，從而算得V-Ⅱ型火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度為75%[2]；1942年，美國麻省理工學(xué)院一個研究室開始對真空管的可靠性進(jìn)行深入的調(diào)查研究工作。二戰(zhàn)期間，軍用電子設(shè)備的大量失效使美國付出了相當(dāng)慘重的代價。于是引起了美國軍方對可靠性問題的高度重視，同時率先對可靠性問題進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并于1952年成立了“電子設(shè)備可靠性咨詢組”，簡稱AGREE（Advisory Groupon Reliability of Electronic Equipment）。該組織于1957年發(fā)表了著名的《電子設(shè)備可靠性報告》。報告中提出了一套完整的評估產(chǎn)品可靠性的理論和方法。該報告被公認(rèn)為是可靠性研究的奠基性文獻(xiàn)。1965年，國際電子技術(shù)委員會（IEC）設(shè)立了可靠性技術(shù)委員會TC-56，協(xié)調(diào)了各國間可靠性術(shù)語和定義、可靠性的數(shù)據(jù)測定方法、數(shù)據(jù)表示方法等。上世紀(jì)60年代以來，可靠性的研究已經(jīng)從電子、航空、宇航、核能等尖端工業(yè)部門擴(kuò)展到電機(jī)與電力系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、動力、土木建筑、冶金、化工等部門[3].
結(jié)構(gòu)可靠性理論的產(chǎn)生，是以20世紀(jì)初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全度分析為標(biāo)志，在結(jié)構(gòu)可靠度理論發(fā)展初期，只有少數(shù)學(xué)者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利布達(dá)佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強(qiáng)度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機(jī)變量均值和方差的設(shè)計方法，這是最早提出應(yīng)用概率理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全度分析的學(xué)者之一。1926－1929年，前蘇聯(lián)的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率設(shè)計的方法，但當(dāng)時方法不夠嚴(yán)格，因此，未付諸實施。1935年斯特列律茨基，1947年爾然尼欽和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)安全度的研究逐漸開始進(jìn)入了應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的階段。值得指出的是，弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時開展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全度的基本問題首次得到工程界的贊同和接受。1947年他發(fā)表了“結(jié)構(gòu)安全度”[4]一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)。
從20世紀(jì)40年代初期到60年代末期，是結(jié)構(gòu)可靠性理論發(fā)展的主要時期。現(xiàn)在所說的經(jīng)典結(jié)構(gòu)可靠性理論概念大致就是這一時期出現(xiàn)的。隨著結(jié)構(gòu)可靠性理論研究工作的深入，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論得到了全面的發(fā)展。基于概率論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，結(jié)構(gòu)可靠性理論還未能馬上被工程界廣泛應(yīng)用，其原因如下[5]：
1.傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法當(dāng)時在人們頭腦中根深蒂固，認(rèn)為沒必要改變已用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，而且，結(jié)構(gòu)的失效很少發(fā)生，即使發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，絕大數(shù)是由于人為差錯造成的，并非結(jié)構(gòu)設(shè)計方法問題。
2.基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法似乎比傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法麻煩，涉及到當(dāng)時比較難處理的統(tǒng)計數(shù)學(xué)問題。
3.當(dāng)時有用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)極少，不足以定義重要的荷載、強(qiáng)度的尾部分布。
除上述妨礙結(jié)構(gòu)可靠性理論應(yīng)用的原因外，當(dāng)時結(jié)構(gòu)可靠性理論本身也面臨兩大難題：
（1）結(jié)構(gòu)可靠性理論所采用的數(shù)學(xué)模型不足以完全準(zhǔn)確地反映應(yīng)用情況，即模型誤差是未知的。
（2）即使是對一個簡單的結(jié)構(gòu)，其失效模式可能多到難以計數(shù)，更不用說進(jìn)行可靠度分析。
因此，二十世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者致力于克服上述困難的研究。例如林德等人把規(guī)范化的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題定義為尋求一套荷載和抗力系數(shù)的最優(yōu)值問題，他們建議采用一種迭代過程確定結(jié)構(gòu)的安全度和造價，康奈爾（C.A.Cornell）等人提出了與爾然尼欽相同的一次二階矩法，并建立了比較系統(tǒng)實用的一次二階矩設(shè)計方法，利用結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β，而不是失效概率Pf，作為結(jié)構(gòu)可靠性的一種量度量，使結(jié)構(gòu)的可靠性理論達(dá)到實用的目的。
二、國內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀
二十世紀(jì)70年代至80年代，是結(jié)構(gòu)可靠性理論完善并被各國規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)相繼采用時期，自從康奈爾（C.A.Cornell）提出了一次二階矩法之后，林德（N.C.Lind）根據(jù)康奈爾（C.A.Cornell）的可靠指標(biāo)，推證出一整套荷載和抗力安全系數(shù)，這次研究使可靠度分析與實際可接受的設(shè)計方法聯(lián)系起來。隨后，德國的拉克維茨（R.Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler），對基本變量為非正態(tài)分布情況提出了一種等價正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過系統(tǒng)改進(jìn)之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會（JCSS）的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國家規(guī)范所采納，我國的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 68-84）[6]也是以該方法作為可靠性校準(zhǔn)的基礎(chǔ)[7].
