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1、水工结构设计的可靠度计算分析,水工结构论文构造可靠性是研究构造在各种随机因素作用下的安全问题。应用可靠性理论能够解决构造的强度、刚度、稳定性等问题。 该理论以概率论、数理统计方式方法和随机经过理论为基础，从系统角度出发，将构造系统的设计、分析、评价、检测和维护融为一体1. 随着计算机技术的发展， 构造可靠度已从科学理论研究发展到了广泛应用阶段2-3, 当前它已在水利、航空、机械、土建等领域得到应用。 在进行水工构造的设计时， 过去多采用单一安全系数等方式方法，具有简单、明了、概念明确的优点，在工程实际应用中也已积累了丰富的经历体验， 实践证明这一方式方法是基本可行的。 可是，这种设计方式方法实
2、际上是用定数模型来处理不确定性问题， 本身在理论上存在着缺乏， 这也就使得该方式方法不能较好地评价水工构造或边坡构造的稳定程度、真实的安全状态4. 水利工程中的坝体构造可靠或不可靠是受各种外界及本身内部随机因素影响的。 构造绝对可靠是不可能的， 只能讲其失效概率极小。 为了使构造设计更为可靠，国家先后公布了(水利水电工程构造可靠度设计统一标准GB 50199-94，及(水工混凝土构造设计规范SL/T 191-96等规范，以期打破过去水利水电技术标准采用传统的单一安全系数的做法，将可靠性理论得以推广5-6. 其后，发布了(水工混凝土构造设计规范SL 191-2008、(水利水电工程构造可靠性设计
3、统一标准GB 50199-2020等规范性文件，对旧的设计规范进行替换，可靠度理论在水利设计中逐步趋于方便与快速。 同时， 周新刚、Guo L、赵国藩等学者结合有限体积法FVM、蒙特卡罗等方式方法对构造耐久可靠度进行了模拟研究以及阐述了国外构造可靠性的研究进展7-9, 但是在研究经过中，多集中于某项实验分析，与当前国内采用的设计规范比照性缺乏， 因而本文结合我们国家现行规范对水工构造设计中的可靠度方式方法展开研究。 1 水利工程构造可靠度计算模型 根据(水利水电工程构造可靠性设计统一标准GB 50199-2020等规范性文件 ,当前水工构造可靠度的分析计算主要采用 作用效应-构造抗力 计算模型
4、或在其基础上进行变化的模型。 根据可靠性的定义，构造失效之后即不可靠。 因而，在明确构造功能和失效形式条件下， 构造可靠度就可定量地表示10:若构造抗力小于施加在它上面的作用效应，构造就失效，此事件发生的概率即为失效概率。 基于此，定义如下：作用效应用 S 表示，其为非负随机变量或随机经过；构造抗力用 R 表示，也为非负随机变量或随机经过； 当作用效应 S 不超过构造抗力 R 时，构造被以为是可靠的，否则，被以为是失效的。 用数学方程表示为： 1 构造处于可靠状态， 构造的工作状态未超过阈值，构造处于安全、实用状态，此时 R-S 2 构造处于极限状态， 构造的工作状态到达了极限承载能力状态，此
5、时 R-S=0;3 构造处于失效状态， 构造的工作状态超过阈值，构造会产生断裂、不安全变形等，此时 R-S 0. 可得到判定构造可靠性的功能函数， 水工构造设计的可靠性思维重点便是需知足此函数取值要求，这种设计思路也称为构造可靠度设计。在水工构造中，R 反映的是坝体材料本身的力学特性，S 反映的是整个坝体所遭到的外荷载作用。 2 水工构造的可靠度分析 以重力坝为例，在不同的工况下，其毁坏主要考虑两种方式，即强度毁坏和稳定毁坏，对应的可靠度则称为强度可靠度和稳定可靠度3. 1 水工构造的稳定性可靠度分析。 水工构造的抗滑稳定性计算是基于承载能力极限状态进行的。 以重力坝为例进行分析， 重力坝是依
6、靠本身重量产生的抗滑力来维持其稳定性。 重力坝计算中以为滑动面为胶结面，重力坝坝体为刚体3,11.此时滑动面上的滑动力作为效应函数，阻滑力为抗力函数。由此可得到坝基面抗滑稳定极限状态的方程： 但是我们在设计经过中不难发现水工构造的极限状态都较为复杂，使用不便，因而在 SL/T191-96中采用了以概率理论为基础的极限状态设计方式方法。 以可靠指标度量构造的可靠性， 进而建立起极限状态与构造可靠度之间的数学关系。 该可靠度方式方法引入了两种极限状态承载能力极限状态、正常使用极限状态、3 种荷载 永久荷载、 可变荷载、 偶尔荷载、3 种安全级别、5 种分项系数等。 分项系数的选择需考虑工程构造安全
7、级别、设计状况、作用和材料性能的变异性、计算形式不定性等。进而对水工构造最终应到达的可靠度水平进行设计。对坝工而言，分项系数是根据坝体构造的重要性、坝高、失效后果、毁坏性质、 经济指标等因素以优化方式方法分析并结合工程经历体验而确定的11. 分项系数极限状态设计法概念明确、使用简便。 例如，对于承载能力极限状态，按作用效应基本组合，其设计表示出式为： 但是在使用经过中，仍有不少人反映 SL/T 191-96 分项系数太多，比拟繁琐，使用仍然存在不方便，希望采用更为简便的单一系数方式方法。 因而在 SL191-2008 中将 0、 dn、 合并为一个系数 K,也即承载力安全系数 K, 则可将承载
8、能力极限状态简化成为 KS R,此时传统的单一安全系数设计法与考虑分项系数的可靠度方式方法得到了较好的结合， 实现了由复杂到简单的进化12. 2 水工构造的强度可靠度计算。 仍然以重力坝为例， 混凝土重力坝的材料强度对保证大坝安全特别重要。混凝土具有的抗压强度高的特点，重力坝正是充分利用这个特点发挥其效益。基于强度可靠性方式方法，以计算重力坝上游、下游边缘的垂直应力为例，可得到： 通过这种计算方式方法，可得到坝体材料应力值，但其应力值需知足 DL 5108-1999(混凝土重力坝设计规范规定的强度指标。 此时则知足 R S. 同理， 考虑分项系数的可靠度理论设计方式方法表示出式为： 据此，同样
9、能够根据概率极限状态设计法，计算得到设计值。 3 可靠度计算中的系数取值 如前文所述， 由于过去分项系数太多， 新规范SL191-2008 中采用了多系数分析，安全系数表示出的方式方法，各系数的选取如下13: 1 设计状况系数 。 新规范 SL 191.2008 中考虑到施工阶段发生事故的概率较高，对基本组合，取设计状况系数 为 1.0;对偶尔组合，取为 0.85. 2 构造重要性系数 0.SL/T 191-96 将水工构造的安全级别分为、级，构造的重要性系数取为 1.1、1.0、0.9.对于四五级建筑物，在大中型水利水电工程的 4、5 级水工建筑物构造重要性系数取0.9 显然偏低，故提高至
10、0.95. 在 SL 191-2008 中，计算承载力安全系数 K 值时， 将 4、5 级建筑物的构造重要性系数 0取 0.95,1、2、3 级建筑物的构造重要性系数仍取为 1.1 和 1.0. 3 构造系数 d. 配筋混凝土的构造系数 d取为 1.2; 素混凝土的构造系数 d按受拉毁坏和受压毁坏分别取为 2.0 和 1.3.将以上系数 、 0、 d代入 K= 0 d中， 则能够得到 K 值，取整后得到规范 SL 191-2008 文献12 中表 3.2.4 混凝土构造构件的承载力安全系数取值表。 4 结论及建议 1 本文根据(水利水电工程构造可靠性设计统一标准GB 50199-2020等规范
11、性文件，对当前水工构造可靠度的 作用效应-构造抗力 分析计算模型进行分析； 基于对坝基面抗滑稳定分析及混凝土重力坝的材料强度极限状态分析， 发现采用以概率理论为基础的极限状态设计方式方法更为简便。 基于此， 对照规范 (水工混凝土构造设计规范SL/T191-96及SL 191-2008将可靠度理论应用于水工构造稳定性计算。 基于设计规范， 对可靠度方式方法中各系数取值进行研究， 使传统的单一安全系数设计法与考虑分项系数的可靠度方式方法得到了较好的结合，将复杂计算方式方法简单化。 2 考虑可靠度理论的设计方式方法已成为现代国际工程构造领域的发展趋势， 可靠度理论在水工设计中的应用关键在于合理地确
12、定分项系数， 我们国家当前使用的设计规范中系数取值多按经历体验选取， 并未按统计学方式方法取值。 建议完善荷载和材料等参数数据库， 加强对参数均值及变异系数等原始数据的整合，进而使分项系数取值更为合理。 3 传统的单一安全系数法和可靠度设计中的分项系数法各有优缺点， 建议进一步研究两种表示出系数之间的关系，进而建立一种表示出式简单、概念明确的概率极限状态设计法。 参 考 文 献 1 吴世伟。 构造安全度与可靠度分析论文集 C. 江苏： 河海大学出版社，1988. 2 A. M. Freudenthal, J. M. Garrelts, et al. The analysis ofstructural safetyJ. ASCE, 1947,112：267-325. 3 王婷。 混凝土重力坝的可靠性分析D.阜新 :辽宁工程技术大学，2005. 4 李清富 ,高建磊 ,乐金朝。工程可靠性原理 M.郑州 :黄河水利出版社，1995. 5 GB 50199-94.水利水电工程构造可靠度设计统一标准S.北京：中国计划出版社，1994. 6 SL/T 191-96.水工混凝土构造设计规范S.北京 :中国水利水电出版社，1996.