结构可靠度在水工结构设计中的具体实践

结构可靠度在水工结构设计中的具体实践

黄漫丽

安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司  安徽合肥 230088

摘要：水工结构设计需基于可靠的理论数据展开计算,以使各类抗力要素与荷载作用都能被综合进去,最大程度保证设计安全。过去在设计时,往往是应用单一安全系数等方式,虽然比较概念明确、操作简单,但其本质上是通过定数模型对不确定性问题进行处理,理论层面有所欠缺,无法真正有效评价水工结构的安全性和稳定性。结构可靠度主要是研究结构在各类随机因素影响下的相关安全表现,有利于解决结构在刚度、强度和稳定性等方面的问题。因此,重点对结构可靠度在水工结构设计中的运用进行分析,对于设计整体效果优化则具有极大现实意义。

关键词：结构可靠度；水工；结构设计；实践

水利工程结构的日渐复杂以及大众对事物认知的逐步深化,促使工程结构设计从原先的确定性设计方式转为了概率设计方式。其本质是将结构可靠度作为基本依据,求出可靠指标和失效概率,能在一定程度上保证工程设计的合理性。但目前在应用过程中还存在一定局限,比如统计参数与函数计算结果有所偏差等,还需继续进行优化,真正将该方式的设计优势充分发挥出来。

1水工结构中的可靠度设计分析

1.1可靠度设计的现实意义

在水工结构中,作业角度检验、防水材料选用、地基荷载、水地边界等都存在大量不确定因素,直接影响着水工结构的安全性、耐用性,应通过安全系数法或者概率统计方式使其数据更为直观,以便开展检测工作或者实现设计规避。可靠度设计属于非定值设计方式,能对工程作业中遇到的各类因素的随机性进行有效处理。将其应用在水工结构设计中,能使原先依靠工程经验的定性分析转为以概率统计学为基础的定量分析,能更好地对各类随机因素实现有效规避。

1.2水工结构可靠度设计的重要性

在水工结构设计过程中,需对工程结构的稳定性及安全性基于高度重视。具体而言,水工结构建设在工程总耗资量中占据着重要地位,一旦结构设计出现误差,不仅会为建设方带来巨大经济损失,更会威胁到施工及使用人员的人身安全。因此,为更好地预测及评估水工结构设计中的不稳定因素,设计单位也开始着手于结构可靠度设计方式的开发及应用。从工程结构施工角度的分析,影响结构整体稳定性的原因包括荷载力、材料参数、结构尺寸、边界条件及计算模型等,需利用结构可靠度计算方式,将工程不稳定因素设为随机变量,以更好地计算出不同因素对工程整体质量的影响程度,并为工程结构设计方案的进一步完善及优化提供重要理论依据。

1.3可靠度设计的现实状况

现阶段,无论是数据采集程度,还是整体应用率,和水工结构工程数量仍存在较大差距,导致在可靠度分析方面缺乏必要的样本内容,体现出了一定区域局限性,难以实现全面性的集成工作。所以还应根据实际情况,构建具有全国性的数据存储库,以给水工结构可靠度不定因素参考带来充分的数据信息支持,以在概率统计之下,基于可能性大小排列出可靠度设计指标,尽可能规避结构当中较为明显的缺陷,实现可靠度目标结合以及局部细节规整。但因为水工结构中不定因素的复合化现象越来越显著,有关人员便开始把工作重点放到了结构施工检验当中,更注重地基荷载、材料使用等因素的判断,同时在概率计算方式方面持续进行优化。当下,水工结构可靠度设计依然处在初始阶段,还需进一步研究和完善,尤其是标准优化和相关数据信息的管理。

2水工结构可靠度设计方法

2.1工程概况

以小湾水电站工程为例,该工程位于澜沧江下游的龙头水库,大坝为混凝土双曲结构。其中,工程最大坝高为290m,计算荷载力时需以拱坝结构自重、上下游水压力、淤泥压力、温度等参数数据为主。不仅如此,大坝中的正常蓄水位为1230m,尾水位为1000m,前淤沙高程为1090m,内摩擦角为25°。在结构可靠度计算时,需将工程中正常蓄水位的上下游水位、拱坝基扬压力为折减系数等作为定值处理。

在水工结构设计中使用的响应面法,即通过输入及输入关系来模拟极限状态曲面。由于该工程案例中的大坝结构复杂,原有水工结构设计中的功能函数无法利用显示表达出来,为结构可靠度计算带来了一定难度。需相关工作人员采用响应面与有限元法相结合的手段,首先利用有限元分析法对坝体结构进行分析;其次,通过响应面法求得结构功能等函数数据,最后计算出坝体结构功能响应的最小值与最大值,从而获取到更加精准及全面的结构可靠度分析标准。

通过有限元分析软件建立起坝体结构功能模型,编写出接口优化程序,计算出结构可靠性指标。基于该机结构可靠性指标,发现工程上游坝体结构是整个工程抗拉可靠度较弱的部位,需在实际施工中对此部分结构进行加固处理,以更好地提升工程整体稳定性及全生命使用周期。

由此可见,在水工结构设计缺乏充足不稳定变量概率信息时,可通过结构可靠度分析法对坝体结构进行分析,且分析结构与工程理论规律相符,具有一定的实用价值。

2.2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。

2.3目标可靠度指标设定

目标可靠度也可以被称为设计可靠度,是结构应该达到的可靠度,其中βT（目标可靠指标）≤β（可靠指标）。在对目标可靠指标进行设定时,需对设计基准期、结构极限状态类别、概率模型与分析方法等进行考虑。其中设计基准期并非结构的实际寿命。

在实际设计当中,目标可靠度指标是最基本的依据,和工程造价、应用与后续维护等都具有极为密切的关系,甚至也与工程建设财产安全、投资风险大小等具有一定关联性,更是衡量结构整体安全性与经济性的关键指标。对此,必须对其进行合理确定。一般在确定时,往往需要设计者对可靠度本身具有一定认识,但也和社会环境、科技能力等有所关联,必须从整体着手进行充分把握。当前,最常见的确定方法有三类,即经济优化、经验校准和事故类比。并且还要将工程结构设计与设计理论都考虑进去,保证新规范和旧规范之间的衔接性,避免因为材料用量较大而引发一些不必要的问题。

其中,事故类比是应用日常所涉及的各类危及生命的风险进行分析比较；经济优化是综合权衡平衡结构失效后果以及所用措施降低失效概率的费用,尽可能减少结构在寿命周期内的总费用。其中前者的应用难度要高于经济优化,可以根据可靠度设计统一标准,运用经验校准的方式。该方式是指基于可靠度分析法对原结构设计规范实施反复推演分析,所以应用该方式时先对设计规范安全度进行校核,再经过充分计算之后找到原先设计规范当中隐藏在结构中的可靠指标,之后经过调整分析,确定出目标可靠度。但要使用该方式必须建立在两项基础之上：一是原结构设计规范已经在工程实践当中应用十年以上,并且出现问题的概率极低,其可靠度水准是可以接受和合理的；二是新旧结构设计规范需要具备基本的继承性,整体可靠度水准不能过于跳脱。所以,必须在综合设计经验的同时,基于当下的设计规范,从整体角度着手进行科学设计。经验校准在确定结构系数时,要先基于基本变量变异性的大小,选择适合的荷载与材料性能等分项系数,再以设计表达式的相当安全系数以及已经选择的安全系数相等的基本原则为基础,对γd进行推求。

2.4构建可靠度计算模型

(1)分项系数极限状态表达式。在水工结构可靠度设计中,可利用分项系数极限状态表达式,反映出可能在结构中存在的不稳因素。在使用此种方式时,应利用作用变异性明确水工结构可靠度分项系数r与材料性能等分项系数,以更好地对工程不稳定因素进行判断。

(2)明确目标可靠指标。在水工结构可靠度计算模型构建的过程中,相关工作人员还应明确目标可靠指标。具体来说,工程目标可靠指标与维护成本、投资风险等有关,能够从根本上反映出水工结构可靠度设计的经济效益及安全效益。不仅如此,通过经验校准法、经济优化法及事故类比法能够联系原有水工结构设计规范,明确目标可靠指标。

(3)计算水工结构可靠度。在水工结构可靠度设计中,可通过抽样法、一次二阶矩法、高次高阶矩、遗传算法等方式对系统功能系数进行计算。其中,水工结构可靠度设计遗传算法就是在水利工程种群个体中实施遗传操作,从而对种群个体结构进行调整,以更好地优化种群中存在的不稳定因素,并将结构可靠度接近最优解。

2.5进行结构可靠度分析

由于水工结构设计的可靠度理论在分析方式、概率模型等方面依然存在一定的不完善性,因此在工程钢闸门、土石坝及水电站厂房中尚未得到完全普及,较落后于采用水工结构设计的总体水平。对比,国内外学者针对水工结构可靠度设计结构抗力荷载效应进行了系统研究,并采用校核法及其他研究方式对结构进行可靠度设计,更好地提升了传统结构可靠度分析质量及效率。举例而言,部分学者对水工钢闸门结构可靠设计进行了深入分析及总结,并提出可用于钢闸门设计的可靠度指标,为钢闸门可靠度设计提供了有利的支持。

现阶段我国水利工程还缺乏水工结构设计规范,需依照结构可靠理论对水工结构设计进行修改及完善,为日后水工结构设计可靠度理论分析朝向极限状态设计法转型提供重要基础。同时,相关管理部门也应该有意识地收集水工结构随机变量资料,设置具有可满足水工结构可靠度设计需求的数据库及软件系统,进一步推动水工结构可靠度设计智能化发展进程。随着统计数据积累及深入研究,原有不具备统计资料的随机变量及分项系数有了更加完善的概念,所使用水工结构设计规范也得到了不断的完善。

由此可见,在未来水工结构设计中,结构可靠度理论具有更为广阔的应用前景,为更好满足社会对水工结构设计安全性、经济性及可靠性提出的要求做好了万全准备工作。

3水工结构可靠度设计的主要障碍

3.1变量难以确定

可靠度分析过程中,难免存在各类不确定因素,因此不确定性成为可靠度设计当中最突出的问题。无论是可靠度分析,还是抗力、作用效应以及极限状态方程,都存在一定不确定因素,而后者一般具有随机性、模糊性,和未认知性等突出特点。由于不确定因素发生的时间与状态都无法把握,它们并不会出现在每次实验中,偶然性与随机性比较突出,同时概率也不大,所以在可靠度设计时往往无法精准掌控。另外,可靠度计算结果也会受到抗力、材料性质等随机样本的影响。

3.2可靠度量结构安全局限

在水工结构安全性中,可靠度理论虽然比较先进,但在实际应用时难免存在局限。这主要在于该理论中依然有问题未解决,例如结构可靠度约束,受作用效应、抗力、随机变量等因素的影响较大。另外,概率可靠度理论,其荷载和抗力统计也都存在一定问题。比如荷载变化会使得概率可靠度理论被简化,理论因素被忽略,比如忽视经济因素、社会因素等。水工结构安全评价时,一方面会应用作用效应和抗力因素,具体指标的获取主要依靠对各种样本的统计分析,概率的获取也是如此；另一方面,有些安全评价指标则具有模糊性和认知性,属于非随机不确定因素,因此利用数学方式难以计算,只能根据工程经验予以解决。

结论

总而言之,现阶段结构可靠度理论在水工结构设计中依然存在着诸多局限性,如统计参数与函数运算结果存在偏差、失效概率受分布概率参数应用严重等,需相关工作人员能够针对非概率可靠度理论分析法中对不稳定信息要求低、实用性强等特征,对水工结构可靠度设计流程进行不断的细化,弥补原有结构可靠度的不足之处,切实发挥出结构可靠度在水工结构设计的积极作用。

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