影响工程结构可靠性的事物不确定性国内外研究综述

　　1 引言

　　建筑结构的可靠性是工程设计的关键因素，特别是对于大型工程设计，其结构的安全性尤显重要。自 20 世纪 30 年代起，国际上初步开始了结构可靠性基本理论的研究，并逐步扩展到建筑结构分析和设计领域。我国对结构可靠性理论的研究始于 20 世纪 50 年代，虽然目前在结构可靠性方面的理论研究有了很大的进展，但相比国际发达国家的研究还有一定的差距。因此，从结构可靠性理论的发展中寻找有益于我国建筑结构可靠性发展的对策和方向成为迫切需要解决的问题之一。

　　2 结构可靠度的研究现状

　　2.1 在役结构的可靠性评估和维修决策问题

　　对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策已成为建筑结构学的边缘学科。目前对已有结构可靠度的评估采用的方法属于实用分析法，这是在传统经验方法的基础上，结合现代检测手段和计算技术的一种评估方法。而如何根据已有结构本身材料性能的实测结果，来推断该结构的抗力随时间的变化而变化的规律来计算该结构继续使用期内的可靠度或评估该结构的使用寿命，是已有结构可靠度研究的一项重要内容。

　　对处于不同环境下建筑物使用寿命的安全性评估问题，在结构设计的工作寿命期如何通过正常使用和必要的维护保证结构应有的可靠度，超过正常使用年限后如何安全地继续服役等都应该是可靠度研究的重要方面。

　　2.2 腐蚀环境下结构可靠度的分析

　　目前，国内外的研究多数集中在氯离子侵蚀环境中钢筋混凝土结构可靠度的变化，对硫酸盐腐蚀地下混凝土结构使混凝土体积膨胀的研究还不是很多。在现今的这些研究中，有的并未考虑结构设计参数对混凝土中钢筋腐蚀起始时间和钢筋锈蚀速度的影响，有的虽做了考虑，但并没有考虑二者之间的相关性。

　　2.3 结构体系可靠度分析方法

　　对于结构体系来说，体系可靠度由组成该结构的所有元件的极限状态面决定，结构体系失效区域由所有元件的失效区域并交混合而成，而此时结构点可靠度的可靠指标已无确切意义。由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因，所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题，正确地进行网壳结构，尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳安全性的关键。

　　3 影响工程结构可靠性的事物不确定性的研究现状

　　3.1 影响工程结构可靠性的事物不确定的分类

　　工程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。这些不确定性有以下几个方面 ：

　　1）事物的随机性。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。研究事物随机性问题的数学方法主要有概率论、随机过程和数理统计。

　　2）事物的模糊性。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”。研究和处理模糊性的数学方法主要有L·A.Zadeh 教授开创的“模糊数学”。

　　3）事物认识的不完善性。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。

　　3.2 影响工程结构可靠性的事物不确定性的研究现状

　　结构工程中的随机性包括物理不确定性、统计不确定性和模型不确定性。传统的结构可靠度理论属于随机可靠度理论，因为它处理的主要是物理不确定性问题 ；而经典可靠度理论则更多地考虑统计和模型不确定性问题。

　　对于模型不确定性对结构可靠度的影响，目前国内外结构设计规范的统一处理方法是在考虑材料性能和几何参数随机性的抗力模型基础上，考虑计算模式随机性的随机变量，以考虑模型不确定性的影响，这种方法属于经典的随机可靠度理论范畴。Ditlevsen 首先提出了采用 Bayes 统计理论研究模型不确定性的方法 ；Maes 研究了承受模型不确定性时设计荷载准则的规范化问题 ；Zhang 和 Mahadevan 研究了基于可靠度的检测理论中的模型不确定性和 Bayes 修正技术 ；Mahadevan 等采用 Bayes 概率网络技术，系统地研究了模型不确定性的分析与验证方法 ；Igusa 等采用 Bayes 分析技术较系统地研究了结构工程中的不确定性，特别是模型不确定性；Der Kiureghian 等深入研究了在不完全知识状态下结构安全性的各种测度，并提出了考虑模型不确定性的结构地震易损性分析方法。

　　对于考虑统计不确定性的结构可靠度问题，目前国内外研究较少。Greimann 等采用经典统计学中的区间估计方法对统计不确定性进行定量化，提出带有一定置信度的可靠度计算方法，并对某一桁架结构进行了概率可靠性分析，Le-maire等对统计数据不确定性对结构可靠度的影响进行了初步研究，Igusa 等采用 Bayes 分析技术较系统地研究了结构工程中的不确定性，Der Kiureghian 等深入研究了在不完全知识状态下结构安全性的各种测度，研究了基于主观认识上的统计不确定性对系统可靠度和时变可靠度的影响。Faber等在工程概率决策分析中考虑了统计不确定性的影响，并采用 Bayes 技术对统计数据进行更新。从目前发展趋势看，对于统计可靠度问题，Bayes 统计学大有代替经典统计学的趋势，特别是随着马尔可夫链蒙特卡洛（Markov Chain MonteCarlo，MCMC）模拟法的快速发展，后验统计量和预测分布的计算已不存在困难。

　　哈尔滨工业大学土木工程学院的吕大刚等人为了充分研究统计不确定性对结构可靠度的影响，综合考虑物理不确定性和统计不确定性，以 Bayes 理论为数学工具，对结构的统计可靠度问题进行研究，对 Bayes 理论进行概括和总结，采用该理论对结构工程中的统计不确定性进行建模和分析，然后研究考虑统计不确定性的结构可靠度分析方法，给出考虑统计不确定性的各种结构可靠性测度，并研究综合考虑主观不确定性与客观不确定性的整体式与分离式可靠度计算方法。通过算例分析表明，统计不确定性对只考虑客观不确定性的随机可靠度有很大影响。预计统计可靠度理论将会被广泛应用于结构的安全评定、健康监测和寿命预测中。

　　同时，吕大刚等人还以 Bayes 理论为数学工具，系统研究了考虑模型不确定性的结构统计可靠度理论，给出考虑模型不确定性的各种结构可靠性测度，并研究了综合考虑主观与客观不确定性的整体式与分离式可靠度计算方法。分析表明，这种主观的模型不确定性对只考虑客观不确定性的随机可靠度有很大影响。

　　4 结语

　　传统的经验安全系数设计法不免要以过大的材料浪费和潜在的巨大经济利益、生命损失为代价。用理性的方法逐步取代经验性的方法，或逐步减少经验性的成分，是科学技术发展的必然结果。工程结构可靠度作为一种处理和分析工程结构中随机性的理论和方法，除了在理论上尚需提出新的问题并不断深入研究外，还需根据工程结构的特点，并考虑以往的工程设计和使用经验对可靠性设计方法加以论证，逐步改进其中的不完善之处。

　　参考文献
　　
　　[1] 赵国藩 . 工程结构可靠性理论与应用 [M]. 大连 ：大连理工大学出版社，1996.
　　[2] 贡金鑫，仲秋伟 . 工程结构可靠性基本理论的发展与应用 [J]. 建筑结构学报，2002，23（4）：229.
　　[3] 仲秋伟，赵国藩 . 多种腐蚀因素作用下钢筋混凝土结构的可靠度分析 [J]. 土木工程学报，2003，（11）：125.
　　[4] 李国强，李继华 . 二阶矩矩阵法关于相关随机向量的结构可靠度计算 [J]. 重庆建筑工程学院学报，1987.