橋梁結構可靠性研究綜述
發布時間：2010-01-14 共2頁
摘 要：20世紀40年代以來，結構可靠性理論有了長足的發展，尤其是許多國家開始研究在結構設計規范中的應用，使結構可靠性理論的應用進入一個新的時期。本文根據文獻資料，從結構可靠性理論研究的歷史、現狀、橋梁結構可靠性理論研究現狀、工程結構可靠性發展趨勢等方面對橋梁工程結構可靠性理論研究進行了綜述。
關鍵詞：工程結構 可靠度 綜述
對于結構可靠性這一學科，從其誕生到現在已經有了長足的發展：從基于概率論的隨機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科和領域。
一、結構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品的質量。這種靠人們經驗評定其產品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個量的標準來衡量。1939年，英國航空委員會出版的《適航性統計學注釋》一書中，首次提出飛機故障率不應超過10-5次3h，這可以認為是最早的飛機安全性和可靠性定量指標[1]；二戰后期，德國的火箭專家R.Lusser首次對產品的可靠性作出了定量表達。他提出用概率乘積法則，將系統的可靠度看成是各個子系統可靠度的乘積，從而算得V-Ⅱ型火箭誘導裝置的可靠度為75%[2]；1942年，美國麻省理工學院一個研究室開始對真空管的可靠性進行深入的調查研究工作。二戰期間，軍用電子設備的大量失效使美國付出了相當慘重的代價。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行了系統地研究，并于1952年成立了“電子設備可靠性咨詢組”，簡稱AGREE（Advisory Groupon Reliability of Electronic Equipment）。該組織于1957年發表了著名的《電子設備可靠性報告》。報告中提出了一套完整的評估產品可靠性的理論和方法。該報告被公認為是可靠性研究的奠基性文獻。1965年，國際電子技術委員會（IEC）設立了可靠性技術委員會TC-56，協調了各國間可靠性術語和定義、可靠性的數據測定方法、數據表示方法等。上世紀60年代以來，可靠性的研究已經從電子、航空、宇航、核能等尖端工業部門擴展到電機與電力系統、機械設備、動力、土木建筑、冶金、化工等部門[3].
結構可靠性理論的產生，是以20世紀初期把概率論及數理統計學應用于結構安全度分析為標志，在結構可靠度理論發展初期，只有少數學者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統計數學的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設計方法，這是最早提出應用概率理論進行結構安全度分析的學者之一。1926－1929年，前蘇聯的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率設計的方法，但當時方法不夠嚴格，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表了這方面的文章，結構安全度的研究逐漸開始進入了應用概率論和數理統計學的階段。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構可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結構安全度的基本問題首次得到工程界的贊同和接受。1947年他發表了“結構安全度”[4]一文，奠定了結構可靠性的理論基礎。
從20世紀40年代初期到60年代末期，是結構可靠性理論發展的主要時期。現在所說的經典結構可靠性理論概念大致就是這一時期出現的。隨著結構可靠性理論研究工作的深入，經典的結構可靠性理論得到了全面的發展。基于概率論的結構設計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，結構可靠性理論還未能馬上被工程界廣泛應用，其原因如下[5]：
1.傳統的確定性結構設計方法當時在人們頭腦中根深蒂固，認為沒必要改變已用的結構設計方法，而且，結構的失效很少發生，即使發生結構失效，絕大數是由于人為差錯造成的，并非結構設計方法問題。
2.基于概率理論的結構設計方法似乎比傳統的確定性結構設計方法麻煩，涉及到當時比較難處理的統計數學問題。
3.當時有用的統計數據極少，不足以定義重要的荷載、強度的尾部分布。
除上述妨礙結構可靠性理論應用的原因外，當時結構可靠性理論本身也面臨兩大難題：
（1）結構可靠性理論所采用的數學模型不足以完全準確地反映應用情況，即模型誤差是未知的。
（2）即使是對一個簡單的結構，其失效模式可能多到難以計數，更不用說進行可靠度分析。
因此，二十世紀60年代初期，許多學者致力于克服上述困難的研究。例如林德等人把規范化的結構設計問題定義為尋求一套荷載和抗力系數的最優值問題，他們建議采用一種迭代過程確定結構的安全度和造價，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，并建立了比較系統實用的一次二階矩設計方法，利用結構的可靠指標β，而不是失效概率Pf，作為結構可靠性的一種量度量，使結構的可靠性理論達到實用的目的。
二、國內外工程結構可靠性理論研究現狀
二十世紀70年代至80年代，是結構可靠性理論完善并被各國規范、標準相繼采用時期，自從康奈爾（C.A.Cornell）提出了一次二階矩法之后，林德（N.C.Lind）根據康奈爾（C.A.Cornell）的可靠指標，推證出一整套荷載和抗力安全系數，這次研究使可靠度分析與實際可接受的設計方法聯系起來。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分布情況提出了一種等價正態變量求法，這種方法經過系統改進之后，作為結構安全度聯合委員會（JCSS）的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國家規范所采納，我國的《建筑結構設計統一標準》（GBJ 68-84）[6]也是以該方法作為可靠性校準的基礎[7].
