龙慧 杨堂坤 张慧媛
贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002
摘要：目前在结构可靠度的计算中，可以用概率统计理论来描述工程中的失效概率，如外荷载系数、材料强度和结构的实际承载力。然而,与其他工程结构设计相比,液压结构设计的特点是复杂性、特殊性和不稳定,等,所以有必要相关人员,不断优化和提高结构可靠性的理论和计算方法,从而提高设计质量的一个重要理论基础和水力结构设计的可行性。
关键词：水工结构；设计标准；可靠度校准；
结构的可靠性是指结构在规定的时间和条件下完成预定功能的概率。结构可靠度理论自作为一门基础科学研究以来得到了广泛的应用。水工建筑的质量受到设计、施工、使用和管理各个阶段不稳定因素的控制，使水工建筑在安全、可用性和耐久性方面不稳定。对于这些特点，一般需要结构可靠度理论进行直接或间接的合理表达，使工程师和用户对结构的可靠度有更直观的了解。
一、水工结构可靠度设计的重要意义
在水工结构设计过程中，应高度重视工程结构的稳定性和安全性。具体来说，水工建筑物建设在工程总消耗中占有重要地位。一旦发生结构设计错误，不仅会给施工方带来巨大的经济损失，还会威胁到施工方和用户的人身安全。因此，为了更好地预测和评价水工结构设计中的不稳定因素，各设计单位也开始发展和应用结构可靠度设计方法。从工程结构施工,影响整个结构的稳定性的原因包括加载力、材料参数、结构尺寸、边界条件和计算模型等,需要使用结构可靠性计算,设置项目不稳定因素作为随机变量,为了更好地计算程度的不同因素对整个项目的质量,并为进一步改进工程结构设计和优化提供重要的理论依据。
二、水工结构可靠度设计的研究现状
结构可靠度理论已发展成为一门具有重要应用价值的基础学科。在水利工程中，由于建筑材料、设备、技术等大量不稳定因素的存在，水工建筑物的安全性、适用性和耐久性都受到了严重的影响。应该使用可靠的分析方法来直接或间接地描述这些因素。现在,在中国液压结构的可靠性设计,数据采集效率不高,结构可靠性分析具有一定的局限性,需要进一步加强液压结构数据收集工作,建立健全村的液压结构数据存储库,迟到液压结构可靠性设计管理机制的建立和完善奠定坚实的基础。通过校验法计算水工结构可靠度设计指标，可全面调节水工结构设计，为结构可靠度目标的确立和局部调整提供重要的理论依据。但是，由于水工结构的复杂性和不稳定因素，相关人员也应该集中精力对校园校核算法进行持续优化。目前水工结构的可靠性设计多集中在单个部件和部件上，对工程整体可靠性的分析还处于不断完善的阶段。因此，应全面管理各结构的可靠性标准和计算方法。
三、结构可靠性理论在水工结构设计标准中的发展与运用
1.水工结构设计标准可靠性校准的原理和方法及目标可靠性指标的确定。众所周知，修订结构设计标准的第一项任务是规定适当的安全设置水平。新的安全标准应该更加合理，但不应该与当前的标准偏离太远。关于修订规格:“如果要做任何改变，它们必须是渐进的和轻微的，以免给规格的使用者造成不适和痛苦。规格变化超过10%，造成的安全水平变化往往太大，实际工人感到恐慌，拒绝接受。在可靠性校准过程中，分析或推导等效安全系数，也可以发现现行标准中某些部件的安全设定值过高或过低，可作为修订标准时局部调整部件安全设定值的依据。以《水工混凝土结构设计规范》为例，介绍了《水工混凝土结构设计规范》可靠性标定和目标可靠性指标确定的原理和方法。
当年《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》在编制过程中，曾选择《水工混凝土结构设计规范》和《混凝土重力坝设计规范》作为试点，论证结构可靠度理论在水工结构设计标准中推广应用的可行性。原《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SDJ 20—78)修订时作为《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》编制过程中按结构可靠度理论进行修编的试点，曾利用一次可靠度分析法，对SDJ 20—78规范进行了可靠度校准分析，有关研究成果已为《水利水电工程结构可靠度设计统一指标》和《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—1996)所采纳。可靠度校准分析时选取了水工混凝土结构中常用的轴拉、轴压、受弯、大偏压、小偏拉、梁受剪、小偏压共7种典型构件，考虑了5种不同的材料组合和5种不同的荷载组合及若干个常遇荷载效应的比值ρ;求可靠指标β的平均值时，还考虑了不同材料组合的加权系数;对于不同的荷载组合、不同的ρ值和延性、脆性破坏构件的平均β及7种典型构件的总平均β，则采用了简单的算术平均。
2.水工结构设计标准中作用分量系数的确定原则和方法。长期以来，水工结构设计的功能(荷载)值一般由各种水工结构设计标准规定，缺乏统一的取值标准和方法。依据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》规定的概率极限状态设计原则，《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077—1997)对适用于水工建筑物设计的作用取值标准和作用分项系数的取值作出了统一规定。将《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—1996)规定的作用分项系数取值方案作一简要介绍。DL/T 5057—1996规定的作用分项系数是在按超载系数的概念确定的作用分项系数取值的基础上，采用概率方法经优化计算并适当考虑工程经验优选确定的。优化作用分项系数时，选择了水工混凝土结构中常用的7种典型构件，考虑了5种不同的作用组合及若干个不同的作用效应比值ρ的影响。优化的目标有2种:其一是按所选定的γG，γQ进行设计时，各构件的计算可靠指标与规定的目标可靠指标之间总体上误差最小;其二是在确定γG，γQ的取值时，还应满足各构件在不同的作用组合下的结构系数γd尽可能地相等或相近。
3.水工结构设计标准结构系数的确定原则与方法。水工结构设计标准分项系数设计表达式中的结构系数γd是采用概率极限状态设计法时，为达到承载能力极限状态所规定的目标可靠指标βt而设置的分项系数。γd主要是用来涵盖下列不定性因素:荷载效应计算模式的不定性;结构构件抗力计算模式的不定性;荷载、材料性能分项系数等未能完全反映的其他各种变异性。水工结构设计标准分项系数设计表达式中的结构系数可采用按工程经验校准与按可靠度分析相结合的方法确定。按“工程经验校准法”确定结构系数的要点是:根据各基本变量变异性的大小，事先选定合适的荷载及材料性能等分项系数，按照分项系数设计表达式的相当安全系数与已选定的安全系数相等的原则，推求分项系数设计表达式中的最后一个分项系数γd。按“可靠度分析法”确定结构系数的要点是:根据可靠度校准分析所确定的目标可靠指标βt和各基本变量变异性的大小，事先选定合适的荷载及材料性能等分项系数，然后用概率方法(一次可靠度分析法)经优化计算并适当考虑工程经验，确定分项系数设计表达式中的最后一个分项系数γd。基于结构的综合分析系数值由两种方法,根据原则,前后的安全度设置水平标准的修订不波动太多是实用和方便,最优结构系数值后的水力结构设计标准确定适当的合并和整合。
总之，水力结构设计分项系数设计表达式结构标准校准系数可以采用根据工程经验和根据可靠性分析方法,在综合分析两种方法的组合来确定系数值结构的基础上,根据标准的安全级别设置过度波动之前和之后修改方便实用的原则,经过适当的合并和整数值来确定水工结构设计的系数标准、最优结构。
参考文献：
［1］赵红，水利水电工程结构可靠性设计理论与方法．2018.
［2］张建国，结构可靠度理论在水工结构设计标准中的运用研究.2019.