水工建筑物可靠性设计探究

'水工建筑物可靠性设计探究　　摘要：21世纪以来，伴随着现在科学技术的发展，我国的基础建筑正在飞速的发展，尤其是水上建筑物也正在越来越多的投入建设并使用。最近我国的水上建筑物相对于之前都有了很大的改进和提高，体现在无论是结构形式上还是数量规模上。于是水上建筑物的可靠性成为现在水上建筑作业的重中之重，逐渐的成为人们重点关注的焦点问题。本文介绍了结构的可靠性设计以及可靠度和安全系数的概念，通过对比两种分项系数极限状态方程的差异得到分项系数极限状态方法的内涵与特点。关键词：水工建筑；安全系数；分项系数极限状态方法；可靠性设计中图分类号：TU198文献标识码：A一、结构的可靠性设计7 任何工程结构的设计都要辩证地考虑安全和经济的平衡。其中安全是工程结构设计的首要前提，不安全就无从谈经济了。但安全的评价尺度需要与国情和结构的特性相关联，是一个相对的概念，涉及到对结构的可靠性估计，这实质上是工程结构的能力在其工作寿命期限内能满足规定的功能目标要求。工程结构的能力以其对施加于其上的各种作用的抗力表征;而功能目标的需求则以其作用效应表征。但无论是作用及结构的作用效应，或是结构的材料性能和抗力都存在着不确定性，因而设计中结构的能力总要较其需求有一定的安全裕度。结构通过可靠性设计衡量其能力大于需求的程度[1]。实际工程结构承受的作用及其材料性能都具有一定的随机变异性，而从作用到作用效应及从材料性能到结构抗力的了解和认识，是一个不断深化的过程，存在着相当的非随机不确定性，是不能统计的。在20世纪中期，基于概率理论的可靠度设计方法在工程结构设计中的应用，开始被提上研究和探索的日程。二、可靠度和安全系数工程结构的极限状态是区分其是否可靠的标志。与工程结构安全有关的是其承载力的极限状态。极限状态是通过功能函数描述的。虽然在实际工程中，功能函数常为复杂的非线性函数，且抗力Ｒ和作用效应S都含有多个随机变量，可靠度分析的计算相当复杂，为便于对基本概念进行描述，取功能函数最简单的线性表达式Z=Ｒ－S，其中Ｒ、S分别为结构的抗力和作用效应。这样的简化，并不影响对其本质的阐述[2]。7 基于概率理论的可靠度分析之所以得以兴起，主要在于对以随机不确定性为主的结构，能同时考虑抗力Ｒ和作用效应S的发生概率，给出功能函数Z＜0的真实失效概率。而传统的安全系数K只是基于工程实践经验的设计标准，并不能表征结构真实的安全裕度，且各类结构之间也难以比较。但实际上，目前对于多数工程结构，尤其是对大坝这种复杂的水工建筑物，其基于工程实践经验的非随机不确定性因素远不能被忽略，因而由于可靠度分析不能计入非随机性不确定性因素，实际也并不能给出真实的失效概率，其主要优势难以发挥。对随机变异性是设计中主要考虑因素的结构，可靠度设计方法具有综合考虑抗力Ｒ和作用效应S的发生概率、对各类结构给出以功能函数Z＜0标志的真实失效概率的优势，对其作为工程设计趋势的前景需要积极关注。因此，对待可靠度方法在水工建筑物设计中的实际应用，必须十分慎重，应当说，目前在水利水电工程中，直接推行可靠度设计尚不具备条件。但在水利水电工程中，采用笼统的单一安全系数的传统，也确有突破的必要。当前可行的途径是向采用分项系数极限状态的方式转轨，包括考虑作用效应和抗力随机性的分项系数，以及引入计入非随机性的不确定性因素影响的结构系数γd，这实际上是从单一的安全系数向多安全系数的转轨[3]。三、单一安全系数向分项系数的“转轨”3.1两种分项系数极限状态方程的本质差异7 虽然可靠度设计和转轨后的多安全系数法都是以分项系数极限状态方程表征的，但如上所述，两者间可归纳如下所列本质差异：(1)转轨后的分项系数中引入了考虑非随机不确定性因素影响的结构系数γd，而可靠度设计中只能考虑抗力和作用效应的随机不确定性，这是两者之间最为本质的差异。(2)转轨后的分项系数极限状态方程中，抗力的分项系数γＲ是考虑了从试件的标准值到现场实体的设计值之间在施工过程中的随机变异性，而作用效应的分项系数γS体现了作用与其设计值之间的随机变异性。(3)转轨后的抗力和作用效应的分项系数γＲ和γS是分别针对其以一定分位值表征的标准值和代表值的;而在可靠度分析方法中，作用效应的分项系数γＲ和γS是针对抗力和作用效应的均值的[4]。3.2向分项系数“转轨”的内涵7 由于从传统的单一安全系数K向以分项系数表征的多安全系数转轨，目前分项系数的取值仍需由安全系数套改，因此，实际上只是将安全系数K拆分为考虑抗力和作用效应从标准值到设计值的随机变异性的分项系数γＲ和γS、以及考虑非随机不确定性因素的结构系数γd三者的乘积。因而就安全标准的设置而言，两者并无本质差异。但分项系数使工程人员更清楚了解安全系数K的内涵中包含的各个因素的性质及其在总的安全裕度中所占有的比重，且能根据不同作用产生的作用效应及构成抗力的不同因素之间随机变异性的差异，对相应的分项系数进行适当调整[5]。3.3水工建筑物设计中作用分项系数的特点在重大的水工建筑物设计中，作为主要作用的水荷载，其在不同工况下的相应设计水位，就已经考虑了相应的洪水发生概率，可以通过工程具有的控制水位的可靠设施，加以人为调度，因而可以视为定值[6]。另一个主要作用是结构的自重荷载，对大体积坝体而言，其尺寸和容重的随机变异性也是很小的，同样可以视为定值。其余的具有一定随机变异性的作用，如坝基的渗透压力，由于坝基地质条件的复杂和系统观测数据资料所限，很难进行概率分布和统计参数的计算分析;又如温度作用，与气候条件、人工调度方式、库水中泥沙含量等因素有关，也很难用统计理论进行分析而提出准确的统计参数[7]。四、结语(1)水工建筑物的设计中，从传统的单一安全系数方法向以分项系数极限状态方程表达的多安全系数方法的“转轨”是更为合理、也完全可行的。目前通过两者的“套改”，在结构安全水准的设置上并无本质差异。(2)现行的分项系数极限状态方程方法实质上属于国际上广泛采用的多安全系数法，与目前尚不具备条件被采用的可靠度设计方法并不相同。7 (3)在现行的分项系数极限状态方程中，引入反映工程实践经验的非随机不确定性因素的结构系数γd，是其和可靠度设计方法中的分项系数极限方程之间最根本的差异。(4)澄清对现行向分项系数极限状态方程方法“转轨套改”中诸多概念上的混淆，有利于其推广应用和对可靠度设计方法作为工程设计趋势的发展前景的促进。参考文献：[1]朱伯芳.关于可靠度理论应用于混凝土坝设计的问题［J］.土木工程学报，1999(4):10-15.[2]龙腾锐,姜文超,何强.水资源承载力内涵的新认识［J］.水利学报，2004(1):38-45.[3]吴世伟.结构可靠度分析［M］.北京:人民交通出版社，1986.[4]陈肇元,杜拱辰.结构设计规范的可靠度设计方法质疑［J］.建筑结构，2002(4):64-69.[5]方红远，王浩，甘泓.区域水资源承载力增强措施浅议［J］.人民长江，2003，34(12):31-33[6]冯耀龙，练继建，王宏江等.用水资源承载力分析跨流域调水的合理性［J］.天津大学学报，2004，37(7):595-599.[7]汪党献，王浩，倪红珍等.水资源与环境经济协调发展模型及其应用研究［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.7 7'