建筑结构可靠度研究进展

建筑结构可靠度研究进展

摘 要：自20世纪20年代以来，建筑结构可靠度理论的研究已经取得重大进展。经过无数工程人员的长期摸索和不懈努力，建筑结构的设计及其理论发展日趋成熟。尤其是将概率论成功引入之后，建筑结构可靠度设计也取得了质的变化和突破性的进展。本文对影响建筑结构可靠度的因素以及建筑结构可靠度目前的发展趋势和研究进展进行一定程度的分析和探讨，并针对建筑结构可靠度理论目前存在的一些问题提出一些自己的看法。

关键词：建筑结构 可靠度 结构设计

1．引言

结构的可靠度是指结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的概率。结构可靠度是对可靠性的定量描述，这是从数学观点出发的比较科学的定义，因为在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力只能用概率来度量。结构可靠度的这一定义，与其他各种从定值观点出发的定义是有本质区别的。建筑结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。结构在相当长的使用期内，需要安全可靠地承受设备、人群、车辆等使用荷载；经受风、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土压力、地震等环境的作用。它们安全可靠与否，不但影响工农业生产，而且还常常关系到人身安危。特别是一些重要的纪念性建筑物，作为一个时代的文化特征，将流传后世，对安全可靠、适用、美观、耐久等方面有更高的要求。在土木工程领域，结构可靠度的分析计算受到荷载作用、环境作用、材料内部作用以及可能出现的超重荷载等诸多因素影响制约，无法科学地协调结构安全、适用经济等各项指标之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。故建筑结构可靠度的研究显得尤为重要。近年来，可靠度理论日渐完善，计算方法也多种多样。选择合理的计算方法，也能使建筑结构可靠度的计算或者设计更精确。

2．建筑结构可靠度理论的发展

2.1结构可靠度理论的发展史

可靠度理论是在20世纪40年代开始提出的。最早源于军事需要用来提高电子

元件的可靠度。将可靠度理论引入建筑结构工程并加以发展无疑是结构工程学科

的重大进展之一，并在许多方面得到成功应用。

建筑结构可靠度的发展与建筑结构设计理论的发展是密切相关的。○119世

纪Navier在其材料力学著作中，认为最重要的是要寻求结构保持完全弹性不产生

永久变形的极限，他建议用弹性状态导出的计算公式来校核现存的认为足够坚固

的结构物，从而确定出各种材料的安全应力，据此来设计和选定构件的尺寸，这

种方法称为容许应力法。○2本世纪30年代起，由于考虑设计的经济合理性，注

意到材料在弹性极限以后的工作性能，转而对结构进行最终的破坏分析。这种方

法称为破损阶段设计方法。○3美国在50年代后期，与容许应力法并行，在设计

中开始采用这种方法。无论是容许应力还是破损阶段的设计方法，在可靠性方面

都是通过按经验规定的单一的安全系数来考虑。○4本世纪50年代以后，用分项

系数代替了单一的安全系数。结构安全度的基本概念有了相当大的进展。

我国对结构可靠度理论的研究工作开展得较晚。在1976年和1978年由原国家

建委先后下达了“建筑结构安全度及荷载组合”课题研究和《建筑结构设计统一

标准》的编制任务。在中国建筑科学研究院的协调组织下，曾成立了设计、荷载

和材料三个研究组和《建筑结构设计统一标准》编委会，开展了较大规模的结构

可靠度理论研究和各种有关参数的调查、测试和统计分析工作，于1982年完成了

该标准的编制工作，以此作为各种材料的结构设计规范修订的依据。

2.2结构可靠度基本理论的研究方法

结构可靠度的基本理论和方法是结构可靠度分析和设计的前提，它包括结

构可靠度的基本定义、概念和基本算法。一次二阶矩方法是目前常用的结构可靠

度分析方法，尽管计算简便，但并不能适应所有情况，需要根据不同问题的特点

和要求，作进一步的研究。

（1）目前结构可靠度分析方法仅局限于结构随机变量不相关的情形，而实

际工程中有些情况下随机变量可能是相关的。因此提出了广义随机空间的概念，

建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法，扩大了

现有可靠度分析方法的适用范围。而且不需进行正交变换，计算方便。

（2）目前结构可靠度指标的计算是针对线性极限状态方程或线性化极限状

态方程而言的，它只适用于结构极限状态方程非线性程度不高的情况，而实际工

程中有些情况下的结构极限状态方程非线性程度可能很高，这就需要考虑极限状

态方程的非线性项。因此提出了基于拉普拉斯逼近原理的渐进可靠度分析方法，

考虑了极限状态方程的二次非线性的影响，从而提高了精度。

（3）传统的结构可靠度分析都是在正态空间进行的，当随机变量不服从正

态分布时，则需映射变换为正态随机变量，若非正态随机变量的概率分布函数不

存在显式，上述变换较为困难。因此提出了原始随机空间内可靠度分析的一次和

二次方法，这种方法不使用随机变量的概率分布函数而只使用概率密度函数，降

低了对初始条件的要求，避免了传统的结构可靠度分析方法遇到的困难。

（4）对大型复杂结构进行可靠度分析时，所建立的极限状态方程也不再是

一个显式。从而造成了迭代求解可靠指标的困难。应用响应面的概念，提出了与

结构可靠度几何法相结合的响应面方法，给出了新的计算迭代格式。此方法便于

与通用的有限元软件联接，以求解大型复杂结构的可靠度。

3．建筑结构可靠度发展的性质

3.1结构可靠度发展的随机性

结构可靠度分析是建立在多数变量都是随机变量的基础上的。因此，随机变

量的统计能否反映实际情况，将直接影响到可靠度分析结果的精度。近年来。我

国在建筑结构的荷载、材料强度等资料的积累与统计方面做了广不少工作。但是

随着结构使用功能的变化以及新材料的出现，相应的随机变量的调查实测和统计

分析工作还需要进一步的深入。分析结构体系的可靠度，首先要寻找结构可能会

出现的各种失效模式。一般情况下，即使是一个非常简单的结构体系，其失效模

式也是非常多，全部搜寻出来计算量会很大甚至是不可能的。虽然在结构体系可

靠度研究方面已做了大量的工作，但由于问题的复杂性还不能用于工程实际。目

前规范均是基于结构构件的可靠度进行设计的。在实际工程中往往是采用构造措

施以期得到整体性能良好的结构体系。总之，结构体系可靠度仍是一个需要深入

研究的问题，这种研究不只是对现有方法的进一步发展，更重要的可能是要改变

研究的角度和采用新的研究方法。

3.2结构可靠度发展的不确定性

结构要求具有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中具

有种种影响其安全、适用、耐久的不确定性。这些不确定性大致有以下几个方面：

1）事物的随机性，所谓事物的随机性，是由于事件发生的条件不充分，使得在

条件与结果之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定

性，这种不确定性称为随机性；2）事物的模糊性，事物本身的概念是模糊的，

即一个对象是否符合这个概念是难以确定的，也就是说一个集合到底包含哪些事

物是模糊的，非明确的。主要表现在客观事物差异的中间过渡中的不分明性，即

模糊性；3)事物知识的不完善性，事物是由若干相互联系、相互作用的要素所构

成的具有特定功能的有机整体。对知识的不完善性处理还没有成熟的数学方法，

在工程实践中只能由有经验的专家对这种不确定性进行评估，引入经验参数，作

为一种权宜的处理方法。

4．建筑结构可靠度理论应用中的困难和问题

4.1近似处理与工程实际差距较大

可靠度理论是分析和度量结构安全性的一种先进手段，根据现阶段的研究水

平，在应用上还有其局限性，如规范仍以截面的可靠度为出发点，作为相对比较

的尺度，代替尚未进入实用阶段的结构体系可靠度，以随机变量最大值的随机变

量模型偏安全地代替随机过程模型。概率可靠度理论会有意或无意地简化、忽略

本应考虑但又无法应用这一理论处理的因素，如一定程度的人为失误以及社会、

经济因素等。而人为因素很难处理，人为错误和其他人的因素即使不是引起风险

的全部因素，也是主要原因，尽管有一些定量的人为系数，但是这些结果通常并

不太可靠。我国建筑结构可靠度设计统一标准规定如下：“本标准规定的结构可

靠度是以正常设计、正常施工、正常使用为条件的，不考虑人为过失的影响。人

为过失应通过其他措施予以避免。”可靠度规范强调的三个正常，即正常设计、

正常施工和正常使用，但正常和不正常有时不易界定。

4.2计算失效概率不等同于实际概率

用可靠度理论计算的失效概率决不能同直接从实际观察得来的统计概率做

比较。两者的意思完全不同，计算概率通常是从极限模型得到，并没有考虑所有

可能导致失效的诱因，理论计算的pf只是失效概率的运算值，并不等同于结构

构件实际发生的失效概率。Brown指出计算出的结构的典型失效概率是10-6数量

级，而观察的实际失效概率在10-2到10-4之间。可靠度理论计算失效概率的价值

在于：○1作分析比较，计算可靠度作为各种结构可靠度相互比较的一个尺度。

虽然可靠指标β与失效概率pf有一一对应关系，但是β=3.2是一个概念上的数

字，其主要用于发展一套协调的设计规则，而不是用于给出结构真实的失效发生

概率。○2在没有统计数据时，评估小概率失效事件发生的可能性。

4.3统计和计算上面临许多困难

用概率可靠度理论需要进行大量数据统计，统计时往往很难获得变量的分布

和参数。为了计算失效概率，要获得一个系统的基本变量的概率数据，数据通常

用概率分布的参数来表示，大多数情况下，一般不易判断合适的分布及其参数，

而仅仅依赖统计是难以获得正确的分布，除非有一些物理上的依据，否则，仅依

赖统计选择某个变量定会有些武断。不幸的是，可靠性分析使用的变量通常对分

布的选择比较敏感，因为极限状态超越概率主要依赖分布的尾部特征。由于超越

事件发生少，分布参数也难以判断。当可获得的数据很少时，这些问题就混在了

一起，决不仅仅是收集更多统计数据就能解决的问题。目前的规范不论荷载统计

或抗力统计都还存在一些问题，规范安全度还需考虑将来可能出现的荷载变化。 计算问题限制了理论的应用。尽管可靠度理论在原理上令人满意，当计算上的困

难限制了其在实践中的应用，例如：通过数值积分计算失效概率在包含几个变量的超空间中就难以处理；一次二阶矩方法对非常简单的公式都会出现数值上得不稳定。而对于可靠度分析中的复杂问题尤其要谨慎。

系统和时间效应很难处理。由于系统分析的复杂性和构件之间的高度相关性，如果不求助于大量近似，通常情况下，可靠度理论不可能解决这些复杂问题。此外，如果系统随时间变化，可靠度理论也不易解决这些问题，除非作整体简化。结构在地震中的响应就是一个重要的例子，大多数简化假设为便于应用随机震动理论，而系统的静态和线性假设就与现实的风险模型不相符。

4.4用风险衡量结构安全还有待发展

以性能为基础的可靠度设计方法，是以风险为基础来衡量结构行为。基于风险的现代决策工具能更好地支持灾后反应、对设施评估和重建、进行资源分配、配合保险业务和公共政策的实施。

目前难以定义可接受的风险。设计规范通常采用校准的方法来判断要达到或超越的目标可靠度值。对于主要工程的统一的可接受的风险水平至今没有建立，缺乏一致的标准限制其在可靠度理论中的应用。

风险衡量方法没有很好地发展。在风险管理中的两个基本问题在结构可靠度理论应用中还需要深入的研究，其一是对于一个给定的成本如何获得最大的可靠度，其二是要得到一个给定的可靠度值而需要支出的最低的成本是多少。

4.5要保证结构安全须采取多方措施

结构设计的首要任务是选用经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠指标以保证结构的安全性。结构的安全度通常指安全系数或可靠指标，实际上只是对结构截面强度安全的一种度量，与此相关的还有荷载和材料强度标准值的取值；影响结构安全性的因素太多，安全度是保证结构安全性的重要方面但不是全部。

只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，如果忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性、以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性将难以保证结构安全。如：

有的结构整体性和延性不足，抗偶然作用和防倒塌能力差；或者计算图形和受力路线不明确，造成局部受力过大；或者混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄，消弱了结构耐久性。

5．建筑结构可靠度需要进一步研究的主要问题

1当前的可靠度分析主要还是针对随机可靠性，模糊可靠性和不完善可靠○

性，目前还是处于研究阶段，还无法运用到工程实践中。因此，需要发展可以运用到工程实践中的模糊可靠性和不完善可靠性计算方法，从而使可靠性分析更加全面、可信。○2目前能运用到实际工程中的可靠度分析方法范围还十分有限，并且由于计算精度和计算规模之间的相互制约，要想在工程实际中得到准确的可靠度分析结果还是比较困难的。因此，扩展可靠度分析的范围，一方面必须发展新的可以适用于工程运用的可靠度分析方法，一方面要完善现有的可靠度方法，提高计算精度、减小计算规模。○3随机有限元方法和普通的可靠度方法相比可以直接计算出结构的可靠性指标，因此近年来有了很大的发展。但是目前的运用都是针对具体问题发展的特定的软件程序，还没有通用的商业化软件程序，这使得解决问题的时间长、花费高，成功的运用还是比较少见的。因此，开发通用的商业化软件，可以扩展随机有限元的运用范围，是有积极意义的。

6．结论

建筑结构可靠度理论的发展日趋成熟，应用也越来越广，但是由于房屋建筑结构的复杂性，一些关键的问题依然没有获得有效的解决方法，所以在应用中还得仔细考虑和保守估计。同时建筑结构可靠度理论的发展也综合反映了一个国家的建材水平、工程设计以及施工技术能力、社会资源配置、财富积累乃至国民经济水准。提高结构的可靠度，不仅是为了结构的安全性，也降低了以后可能出现的维护费用。所以建筑结构可靠度理论是在经济与安全中寻求平衡点，它的发展还需更多科研工作者的继续努力。