浅谈码头结构可靠度评估方法

浅谈码头结构可靠度评估方法

罗劭扬

罗劭扬

中国人民解放军91053部队北京丰台100070

摘要：近几十年以来，在经历了大规模港口建设期后，我国现阶段存在许多已长期服役的老旧码头，服役状况堪忧，结构耐久性不足将造成严重的经济财产损失，甚至造成人员伤亡。本文对码头结构可靠度评估理论进行了探讨，对构件可靠度和体系可靠度评估方法进行了梳理，对今后的发展方向进行了展望。

关键词：可靠度；码头结构；评估方法

近年来，随着国民经济的不断高速发展，港口码头的重要作用日益深远，码头的主要构件多为钢筋混凝土材料，且时刻处于潮湿环境当中，钢筋易锈蚀，构件易损坏，若破损情况严重，将导致使用寿命大大缩短。由此可见，对码头结构进行可靠度评估十分必要。当得到科学合理的可靠度评估结果后，可对其安全性、适用性、耐久性及剩余使用寿命进行评定，更可以为进一步的维修或升级提供重要参考。

一、结构可靠度与结构可靠度指标

工程结构的设计，应保证结构在其设计基准期内，能够满足以下四个方面的要求：①能承受在施工和正常使用中出现的各种荷载和变形；②正常使用时的良好工作性能；③具有足够的耐久性；④在遭遇突发事件时，能保持必要的整体稳定性[1]。安全性、适用性以及耐久性三者合称为结构的可靠性。当以概率来度量可靠性时，称为可靠度。即结构可靠度是指结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的概率。

结构的功能实现以“极限状态”为标志[2]。结构整体或部分在超过某状态时，结构就不能满足设计规定的某一功能的这种状态，称为结构的极限状态。当结构可靠度由n维随机变量组所左右时，结构的功能函数为

Z=g（x1，x2，x3，...，xn）

随机变量x1，x2，...，xn可以是各种影响结构状态的因素，比如构件几何尺寸、材料力学特性、结构边界条件等。

当Z=g（x1，x2，x3，...，xn）=0

称为极限状态方程。

当功能函数中有多个基本随机变量，或函数为非线性时，直接计算将很难求解。在工程计算中，多采用近似方法求解，下面以两个独立正态随机变量的简单情况为例，阐述结构可靠度与失效概率的计算方法。

设结构功能函数为

式中β为无因次系数，其与结构失效概率存在对应关系，则称其为结构可靠指标。β可以描述结构的可靠度，β越大，可靠度Pr越大，失效概率Pf越小。目前工程上一般采用可靠指标β表示结构的可靠度，只有需要时，再计算相应的失效概率。

二、构件可靠度评估方法

当前关于构件可靠度计算方法的研究已较为成熟，应用最为广泛的方法有：

（1）中心点法。在实际工程中，由于影响结构可靠度的因素即多又复杂，所以在早期的结构可靠度评估中，普遍利用随机变量的平均值和标准差的数学模型评估结构的可靠度[3]。所以中心点法又叫做一次二阶矩法。有学者提出改进一次二阶矩法，即把线性化点选在失效边界上，且选在与结构最大可能失效概率对应的设计验算点上，以克服一次二阶矩法所存在的问题[4]

（2）验算点法。尽管改进一次二阶矩法可以很好地描述结构的可靠度，但要求所有随机变量都服从正态分布，这与现实工程中所面对的实际情况往往是不相符的。验算点法可解决这一问题，该方法适用于随机变量为任意分布下结构可靠指标的求解，适用性强，运算方便，且对于非线性程度不高的功能函数计算精度能够满足实际工程需要。现已被国际结构安全度联合委员会（JCSS）所采用，故验算点法又称JC法。我国《建筑结构设计统一标准》、《铁路工程结构设计统一标准》中亦采用此法。

（3）几何法。用JC法计算时，迭代次数较多，且当极限状态方程为高阶非线性是，其误差较大。为此人们提出了几何法，该方法仍采用迭代求解，其基本思路是先假定验算点x*，将验算点值带入极限状态方程g（x*），沿着g（x）=g（x*）所表示的空间曲面在x*点处的梯度方向移动得到新的验算点，然后再进行迭代。几何法与上述几种算法相比具有迭代次数少，收敛快，精度高等优点。

三、结构体系可靠度评估方法

目前，构件以及结构点的可靠度计算方法已经日趋完善，在实际工程中，因为工程结构由许多构件组成，例如高桩码头结构或桥梁结构，若仅对结构构件可靠度进行研究有其局限性，往往不能满足实际需求。在这种情况下，结构的可靠度需从结构体系角度出发。

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，结构体系的失效区域由所有元件的失效区域并交混合而成。构件是构成工程结构的主体，构件的脆性或延性对于整个结构体系的失效模式和可靠度有重要影响。根据结构体系的失效模式，结构体系可分为三种基本类型：1、串联体系；2、并联体系；3、串—并联混合体系。

结构体系可靠度评估计算与构件可靠度相比更为复杂，由于结构体系具有多个截面，所以其功能函数大多不能以显示表达，而是要通过寻找主要失效路径等方法加以解决。目前较为成熟的可靠度近似算法有点估计法（S-M算法、PNET法）、界限范围估计法（一般界限法、窄界限法）、随机有限元法、Monte-carlo法等。

四、结语

通过对上述结构可靠度评估方法的综合评述，笔者有了如下几点体会：

1、长期以来，钢筋混凝土结构的设计过多强调荷载作用下结构的安全性，对于耐久性问题关注度不足，然而耐久性恰恰是支配着钢筋混凝土结构整个服役过程的。它们的可靠性将直接关系到国家和人民的生命财产安全，对其进行可靠度评估是十分有必要的。

2、对于大型复杂结构来讲，评估结构体系可靠度需从结构整体的角度出发，对其失效模式和影响因素进行综合评估。现行的各种评估方法均有其自身的不足，但是随着科技进步，其计算方法也必将不断地完善，具有远大的发展前景。

参考文献：

[1]赵国藩，曹居易，张宽权．工程结构可靠度[M]．北京：科学出版社，2011

[2]GB50158-2010，中华人民共和国国家标准[S]，港口工程结构可靠度设计统一标准，北京：中华计划出版社，2010．

[3]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．

[4]杨伟军，赵传智．土木工程结构可靠度理论与设计[M]．北京：人民交通出版社，1999