关于水工结构可靠度设计策略探究

关于水工结构可靠度设计策略探究

冯天平

长江重庆航道工程局 重庆市渝中区 400011

摘要：由于国家水资源的分布非常不平衡，所以如何有效地运用水资源进行防洪排涝、农田灌溉是我国经济发展的一个重大课题。在传统的水工结构设计中一般采用安全系数K=R/S来衡量结构的安全性这种方法在作用、材料性能、作用效应求解方法和安全评估指标之间是相互配合的，因此在工程领域中得到了广泛的应用。在常规的水荷载、混凝土强度等设计中虽然采用了概率论的随机性，但是，从整体上来说，它还是一个确定的，不能给出因为它与物质属性的随机结合而造成的失效几率。一般的安全系数综合反映了各类不确定因素，难以准确地区分出各个因素在总体评价中的比例和不确定性，进而影响到人们对设计安全的理解和改进。

关键词:水工结构;可靠度;设计策略

引言

近几年我国的经济发展迅速，而水利工程作为区域工业发展的基础特别是对区域农业和水利事业的发展起着举足轻重的作用。随着科学技术的迅速发展，水利水电建设正朝着规模化、多样化方向发展。由于我国地域辽阔，不同的地质情况需要因地制宜进行水力设计从宏观上着眼于大中型灌区的配套改造，以水利为主，加速农村技术设施的建设，所以在工程结构设计时，应抛弃传统的安全系数和概率计算方法，重视理论数据的统计和运用，提高工程的稳定性。随着工程结构的日益复杂，从确定性到概率的认识，已有了更多的认识。概率设计是一种以结构可靠性为基础的设计方法，它在结构的性能和抗弯性上提出了一种更具随机性的非定值概念，即从广义的安全系数到对各种行为和抗力的独立考虑，并根据它的组合概率统计原理给出了在某一基准周期中结构的失效概率及相应的可比较的统一可靠指数。目前在工程设计中概率设计是一种新的设计方法，并被越来越多的国家规范和标准所采纳。随着社会、经济和科学技术的飞速发展各种工程设计中的不稳定因素的评价与防范越来越受到政府和相关部门的重视，使其在工程设计、施工、管理等各个环节得到了广泛的应用。目前在结构可靠度的计算中可以运用概率统计的方法对结构的外部荷载、材料强度和实际承载能力等进行分析。

一、水工结构可靠度设计的特征

水利工程中水工结构投入占了很大比重，若设计过程中出现问题将导致工程延误、返工不但会增加施工费用，而且会危及施工人员的生命安全并会对未来的使用产生二次干扰对整个工程的规划产生深远的影响。可靠性设计是影响水工结构安全性和稳定性的重要因素，因此必须本着科学、审慎的态度,从地基承载力、防水材料的选择、地形建设的合理性等方面进行全面的理论推导既可以保证工程的安全性，又可以保证工程的安全性并能保证工程的顺利进行。结构安全是结构设计的首要目标而水利工程的安全问题一直是一个颇具争议的问题。我国基本建设已取得重大成果随着社会经济的发展和工程规模的不断扩大水利事业正处在大规模的基础设施建设中安全、稳定是国家现代化的关键。在早期的水工结构设计中由于缺少对安全度的认识，所以在数值上采取了折中的方法但实际应用证明它的有效性并不是很好，而结构的可靠性设计可以有效地解决这些问题为安全问题的解决提供了一个重要的参考。水工结构长期处于水中其结构和材料受多种因素的影响需要对其进行合理的分析并制订相应的方案，所以必须满足国家有关规范并结合当地的特征进行系统的分析。水工结构是水利工程中的一个重要环节，其设计要从宏观上考虑而现行的水工结构可靠性设计还停留在个别部件或关键部件没有形成整体可靠度的设计模型。

二、水工结构可靠度设计的概述

从结构施工的观点来看结构的稳定性受荷载、材料参数、结构尺寸、边界条件和计算模式等方面的影响必须采用结构可靠性的方法把不稳定因子作为一个随机变量，以便更好地反映各种因素对结构的影响从而为进一步改进和优化结构的设计提供了理论基础。结构可靠性是一门非常重要的基础科学，由于水利结构中存在着许多不确定的因素如材料、设备、技术等，这些因素对结构的安全性、适用性和耐久性造成了很大的负面影响，因此必须采用可靠度分析方法来直接或间接地描述这些因素。在现有的水工结构可靠性设计中由于资料收集的效率较低，对其进行可靠性分析也有一定的限制需要进一步加大对其的收集力度建立健全完善的水工结构数据村存储库为后期水工结构可靠度设计管理机制的建立健全奠定坚实基础。采用该方法可以得到结构的可靠度设计指标可以对其进行比较完整的规范，从而为确定结构的可靠性目标和进行局部的调整提供了理论基础。随着我国水利水电工程的发展和不稳定因素的日益复杂化有关部门应该把工作重心放在对计算方法的不断优化上。目前的水工结构可靠性设计大多侧重于单一的构件和部件对整个工程的可靠性分析仍处在一个较高的水平需要综合考虑各个结构的可靠性指标和计算方法^[1]。

三、水工结构可靠度设计存在的问题

由于采用的材料和不可控的外部环境等因素对可靠性的分析也不能完全确定，因此在可靠性设计中存在一定的困难。从总体上看可靠度理论是比较成熟的,但在实际应用中也有一定的缺陷这主要是因为一些理论上的问题还没有完全解决。在结构安全性评估中采用的可靠性理论通常包含了影响和抵抗两方面的影响，而不是随机不确定性中包含了识别和模糊两个方面这两个指标是不能用计算得到的通常都是根据过去的经验来进行的。在安全评估过程中由于存在着不确定性、模糊等不确定因素,无法用统计学和数理方法对其进行分析必须依靠工程实践来做出正确的判断

^[2]。

四、水工结构可靠度设计的措施

(一)制定水工结构标准化等级

在确定结构规范级别的基础上采用分级标准不仅要根据现有资料进行分析，而且要根据当地的水文地质条件根据建设规模、施工环境、施工质量等因素及时调整防止出现漏洞并以合理的设计划分为基准。随着我国经济体制改革的深入基础设施的建设是国家长远发展的重点，而且水利结构对改善自然资源和农业发展起着举足轻重的作用，制定结构规范级别是行业发展的需要，并以科学的、规范化的等级来管理水工结构的造价，从而为以后的工程建设提供依据。由于受外部因素的影响，水工建筑物的安全性问题较为复杂，一些因素无法准确地确定其具体值，但可将其归为多项式，并根据其结构特征区分其作用的范围和大小，以提高其整体性能^[3]。

(二)目标可靠指标的确定方法

水工结构的可靠性理论在分析方法、概率模型等方面还不够成熟，因而在工程上还没有完全推广应用与水工结构整体设计水平相去甚远。在此基础上我国的许多学者都比较系统地探讨了结构的抗力荷载作用并运用校验法等方法对其进行可靠性设计有效的提高了计算的质量和工作效率。目前我国的水利工程尚缺少水工结构的设计标准需要根据结构可靠性的基本原理来修正和完善水工结构的设计，从而为以后的水工结构设计从可靠性理论到极限状态的转变奠定了基础。通过大量的统计数据和深入的研究使得原本没有统计的随机变量和分项系数的概念更为完备，同时对所采用的水工结构设计规范进行了进一步的改进^[4]。

结语

由于我国是基础设施建设大国在某些方面尚处在摸索阶段，水工结构设计的特殊性和复杂性特别是一些特殊的地区需要考虑的因素也比较多。总之目前结构可靠性理论在水工结构设计中仍存在许多缺陷，例如:计算结果与计算结果存在偏差失效概率受概率因素影响较大等问题需要有关人员根据其不稳定信息要求低、实用性强等特点，然后进行改进以弥补原有结构可靠性的缺陷充分发挥了结构可靠度在水工结构设计中的积极作用。

参考文献

[1]冯起超.关于水工结构可靠度设计策略探究[J].现代农机,2021(6):123-124.

[2]侯建国,安旭文.结构可靠度理论在水工结构设计标准中的应用[J].长江科学院院报,2019,36(8):1-9.

[3]董育坚.水工结构可靠度设计的简化及条件概率的应用[J].水力发电,2006,32(8):68-70.

[4]罗聪.结构可靠度在水工结构设计中的应用研究[J].建筑工程技术与设计,2017(32):1600—1600.