桥梁结构可靠性研究综述

至于结构可靠性这门学科，自诞生以来也取得了长足的进步:从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性，以及近年来提出的非概率可靠性，使得这一理论日益丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。

一、结构可靠性理论的研究历史

长期以来，人们广泛使用“可靠性”的概念来定性地评价产品的质量。这种产品是靠人的经验判断可靠、相对可靠和不可靠，没有量化的标准来衡量。1939年，英国航空空委员会出版的《适航统计注释》一书中，首次提出飞机3小时故障率不超过10-5次，可视为飞机安全性和可靠性最早的量化指标[1]；二战末期，德国火箭专家R·吕瑟(R.Lusser)首次对产品的可靠性进行了定量表述。他提出了概率乘积法则，将系统的可靠度视为各子系统可靠度的乘积，从而得出V-II火箭诱导装置的可靠度为75% [2]。1942年，美国麻省理工学院的一个实验室开始对真空管的可靠性进行深入的调查和研究。二战期间，军用电子设备的故障让美国付出了沉重的代价。因此，美国军方非常重视可靠性问题，并率先对可靠性问题进行了系统研究。1952年，“电子设备可靠性咨询小组”成立，简称AGREE(电子设备可靠性咨询小组)。该组织在1957年发表了电子设备可靠性报告。报告提出了一整套评估产品可靠性的理论和方法。该报告被认为是可靠性研究的基础文件。1965年，国际电子技术委员会(IEC)制定了TC-56，协调了各国可靠性的术语和定义、数据测量方法和数据表示方法。自20世纪60年代以来，对可靠性的研究已经从电子、航空空、航天、核能等尖端工业部门扩展到电机与动力系统、机械设备、电力、土木建筑、冶金、化工等部门[3]。

20世纪初，概率论和数理统计在结构安全分析中的应用标志着结构可靠性理论的出现。在结构可靠性理论发展的早期，只有少数学者从事这方面的研究工作。例如，匈牙利布达佩斯的卡钦斯基在1911年提出用统计数学来研究载荷和材料强度。1926年，德国的迈耶提出了基于随机变量均值和方差的设计方法，是最早提出概率论分析结构安全度的学者之一。1926-1929年，前苏联的哈契诺夫和马耶罗夫制定了概率设计的方法，但当时的方法不够严格，没有付诸实施。1935年的Strelitsky，1947年的Erzanichin和Sura相继发表了这方面的文章，结构安全的研究逐渐开始进入应用概率论和数理统计的阶段。值得指出的是，Froy Dencher和Erran Nichin等人几乎同时开始了结构可靠性的研究工作。他提出的随机载荷下结构安全的基本问题首次被工程界认可和接受。1947年，他发表了《结构安全》一文[4]，奠定了结构可靠度的理论基础。

20世纪40年代初至60年代末，是结构可靠性理论发展的主要时期。经典结构可靠性理论的概念现在大致出现在这个时期。随着结构可靠性理论的发展，经典的结构可靠性理论得到了全面的发展。基于概率论的结构设计方法逐渐被工程界所接受。然而，在这一时期，结构可靠性理论并没有立即广泛应用于工程领域，原因如下[5]:

1.当时传统的确定性结构设计方法深入人心，认为没有必要改变所使用的结构设计方法。而且结构失效很少发生，即使发生了结构失效，也大多是人为失误造成的，而不是结构设计方法。

2.基于概率论的结构设计方法似乎比传统的确定性结构设计方法更麻烦，涉及到当时难以处理的统计和数学问题。

3.当时有用的统计数据很少，不足以定义重要载荷和强度的尾部分布。

除了上述阻碍结构可靠性理论应用的原因外，当时结构可靠性理论本身还面临两大问题:

(1)结构可靠性理论中使用的数学模型不足以全面准确地反映应用情况，即模型误差未知。

(2)即使是简单的结构，其失效模式也可能多得数不清，更不用说可靠性分析了。

因此，在20世纪60年代初，许多学者致力于克服上述困难。例如，Linde等人将标准化结构设计问题定义为寻找一组载荷和阻力系数的值。他们提出了一个迭代过程来确定结构的安全度和成本。C.A.Cornell等人提出了与Erran Nichin相同的一阶二阶矩方法，建立了系统实用的一阶二阶矩设计方法。用结构的可靠性指标β代替失效概率Pf作为结构可靠性的定量度量，提高了结构的可靠性。

二、国内外工程结构可靠性理论的研究现状

从20世纪70年代到80年代，结构可靠度理论不断完善，并相继被各国规范和标准所采用。自从C.A.Cornell提出第一个二阶矩法后，N.C.Lind根据C.A.Cornell的可靠指标推导出了一整套荷载和抗力安全系数。该研究使得可靠性分析和实践是可接受的。接着，德国的拉克维茨(R.Rackwitz)和费斯勒(B.Fiessler)针对非正态分布的基本变量提出了一种等效正态变量法。经过系统的改进，该方法作为结构安全联合委员会(JCSS)的附录被推荐给土壤模型工程领域。这种方法也被很多国家规范采用，我国《建筑结构设计统一标准》(GBJ 68-84)[6]也以此方法作为可靠度标定的依据[7]。

三、桥梁结构可靠性理论的研究现状

桥梁可靠性设计要解决的问题是[8]:在结构的外荷载和结构抗力统计特性已知的情况下，应根据规定的目标可靠指标选取结构(构件)截面的几何参数，使结构的可靠度在规定的时间和规定的条件下保证不低于预设值。可靠性一般用来描述可靠的数量。我国对结构可靠性的研究只是理论性的，主要集中在可靠性设计方面。对结构耐久性的研究，尤其是耐久性评估理论的研究还比较滞后。事实上，对既有桥梁结构进行正确的可靠性评估和准确的剩余寿命预测，可以保证结构在延寿期内的安全性，节省大量的维修加固资金。在我国桥梁设计过程中，对强度的考虑较多，对耐久性的考虑较少；注意强度极限状态而不注意服役极限状态；重视桥梁结构的建设而忽视其检测和维护，导致不同程度的结构安全隐患和缺陷。近年来，国内发生的几起桥梁倒塌或局部损坏事故，很大程度上都是由于构件的疲劳损坏(如结构开裂、过度变形等)造成的。)，严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁的安全运营，延长其使用寿命，提高桥梁的安全性和耐久性，减少桥梁的早期病害，从而节省桥梁的后期维护费用，对桥梁结构的可靠性进行研究是十分必要和迫切的[9]。

四。工程结构可靠性理论研究的发展趋势

自20世纪80年代以来，结构系统可靠性理论的研究已成为结构工程领域的研究热点，并出版了许多专著。复杂结构系统的可靠性分析和先进计算方法蓬勃发展。总之，以下几个方面是结构可靠性理论研究的热点:

1.结构系统的可靠性分析。许多学者从不同的角度研究了结构系统可靠性分析这一非常复杂的研究课题，提出了一些概念和方法。比如结构可靠度分析中的一阶矩概念和荷载为Ferry Borges Castanheta组合时的计算方法；利用系统系数计算系统可靠度并根据结构各种损伤水平对应的不同极限状态进行结构设计的方法；蒙特卡罗方法是利用重要抽样技术计算结构系统的可靠度。同时，一些学者也研究了系统可靠性极限的问题。总之，系统可靠性分析的研究内容丰富，难度较大。

2.对于结构极限状态分析的改进，除了强度极限状态外，还应考虑正常使用状态、损伤安全极限状态、地震等特殊情况下的耗能极限状态。

3.目标可靠性的量化。虽然标定方法已经部分解决了这个问题，但是与实际情况相比，这个问题还远远没有解决。

4.人为失误分析。许多结构失效不是由于荷载和强度的不确定性造成的，而往往是由于设计、施工和使用中的人为失误造成的。这方面的例子很多，已经成为目前的研究热点之一。

5.既有结构的可靠性评估与维修决策。既有建筑结构的可靠性评估和维修决策正成为建筑结构科学的前沿学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料学、工程地质学等基础理论，而且与建筑的施工工艺、检测手段、维修和使用等有着密切的关系。同时，经典的结构可靠性理论将在现有结构的可靠性评估中得到相应的发展。

6.模糊随机可靠性研究。模糊随机可靠性理论的研究是工程结构广义可靠性理论的重要组成部分。随着模糊数学理论和方法的完善，模糊随机可靠性理论将得到进一步的完善和发展。

动词 （verb的缩写）结论。

桥梁工程问题的解决总是理论和工程经验的结合。知识越多，主观经验越少，桥梁结构设计越合理，这是桥梁工程技术研究追求的目标。桥梁可靠性理论研究是一个重要的研究课题，内容极其丰富和复杂。将其应用于桥梁结构设计、评估和维修决策，不仅在理论上有许多重要问题需要解决，而且还有大量细致的工作要做。