結構可靠度

工程結構可靠性，是指在規定時間和條件下，工程結構具有的滿足預期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由於影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計算模型的不完善，製作質量的差異等，而且這些影響因素是隨機的，因而工程結構完成預定功能的能力只能用概率度量。結構能夠完成預定功能的概率，稱為可靠概率；結構不能完成預定功能的概率，稱為失效概率。工程結構設計的目的，就是力求最佳的經濟效益，將失效概率限制在人們實踐所能接受的適當程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，兩者是互補的。

現在使用的規範為《工程結構可靠度設計統一標準》。

適用於房屋建築、鐵路、公路、港口、水利水電工程結構可靠度分析。也適用於整個結構、組成整個結構的構件以及地基基礎，適用於結構的施工階段和使用階段。

一、工程結構必須滿足下列功能要求：

1、安全性 在正常施工和正常使用時，結構應能承受可能出現的各種荷載作用和變形而不發生破壞；

在設計規定的偶然事件發生時和發生后，結構仍能保持必要的整體穩定性；

2、適用性 在正常使用時，結構應具有良好的工作性能；

3、耐久性 在正常維護的條件下，結構應能在預計的使用年限內滿足各項功能要求。

安全性、適用性和耐久性概括稱為結構的可靠性。

二、結構破壞類型：工程結構應按其破壞前有無明顯變形或其它預兆區別為延性破壞和脆性破壞兩種破壞類型。對脆性破壞的結構，其規定的可靠度應比延性破壞的結構適當提高。

工程結構的失效標準和各種結構的安全等級劃分，各種作用效應和結構抗力的變異性的分析，概率模式和極限狀態設計方法的選擇，及工程結構材料和構件的質量控制與檢驗方法等，都是工程結構可靠度分析和計算的依據。

工程結構可靠度習稱安全度。其處理方法隨著實踐經驗的積累和工程力學、材料試驗、設計理論等各種學科的發展而不斷地演變，由直接經驗階段、以經驗為主的安全係數階段而開始進入了以概率理論為基礎的定量分析階段。

早期對工程結構的建造，不倒不垮就認為安全可靠；後來通過經驗累積，進一步按結構構件的尺寸比例規定結構安全度。這階段主要依靠工匠們代代相傳的經驗而進行營建活動。

由於17世紀材料力學的興起和相繼的發展，結構設計進入了彈性的力學分析時期，從而開始採用容許應力設計法，以憑經驗判斷決定的單一安全係數度量結構的安全度。到20世紀30年代，由於對結構材料與結構破壞性能的研究逐步深入，在結構設計上考慮結構的破壞階段工作狀況，隨之出現了破壞強度設計法，亦稱極限荷載設計法。實際上仍採用憑經驗判斷的單一荷載係數度量結構的安全度。

進入50年代后，蘇聯學者提出了極限狀態設計法，用多係數（超載係數、材料勻質係數、工作條件係數）代替單一安全係數度量結構的安全度，並訂入國家設計規範。接著，歐洲一些國家也採用了類似的方法，並相互作了改進。60年代，美國和加拿大鋼筋混凝土結構設計規範也採用類似方法處理結構的安全度。由於這些方法僅對荷載和材料強度的特徵值分別採用概率取值而未將荷載和抗力進行聯合的概率分析，所以也稱“半概率法”。其荷載係數和抗力係數本質上仍然是一種以經驗確定的安全係數。

早在20世紀40年代，美國A.M.弗羅伊登塔爾將統計數學概念引入可靠度理論的研究。同時，蘇聯學者也在進行這方面類似的研究。直至60年代，美國一些學者對建築結構可靠度分析，提出了一個比較實用的方法，並為國際結構安全度聯合委員會(JCSS)所採用。這種方法只須考慮隨機變數的平均值和方差（方差又稱為二階中心矩），並在計算中對結構非線性功能函數取一次近似，故其全稱為一次二階矩法，簡稱一次概率法。一次概率法含有“可靠指標β”的概念，而β為結構功能函數這一隨機變數的平均值與標準差的比值。從理論上講，只要分佈一定,β與失效概率便有一一對應的關係。即根據一定的計算原則，可由β求出相應的失效概率，從而對結構可靠度進行定量分析（見結構可靠度分析方法）。

中國在70年代已將基於概率的設計方法引入了各種設計規範。它們在設計表達式上儘管形式不同，但其基本原則皆為多係數分析單一係數表達的極限狀態設計方法。70年代末，以一次概率法為基礎，制訂了《建築結構設計統一標準》，作為各設計規範修訂或制訂的準則。

工程結構按極限狀態設計應符合下式要求：

g(X1,X2,...XN)≥0

當僅有作用效應和結構抗力兩個綜合變數時，工程結構按極限狀態設計應符合下式要求：

g（S，R）=R—S≥0 （2.0.9-2）

式中S——結構的作用效應；

R——結構的抗力。

結構分析應包括下列內容：

一、結構作用效應的分析，確定結構或截面上的作用效應；

二、結構抗力及其它性能的分析，確定結構或截面的抗力及其它性能。

目前結構可靠度計算中採用的一次二階矩法，對於各種作用效應和結構抗力等基本變數都是作為隨機變數處理的，實際上各種作用與時間有密切關係，故應按隨機過程考慮。計算的結構可靠度實際是靜態下的結構構件的可靠度，所以還應當研究整個結構體系的可靠度和動態條件下的結構或構件的可靠度。

此外，各種作用效應隨機組合問題和相互依存影響問題，均有待進一步的研究。在基於概率理論的設計方法中，還應擴展到包括人為錯誤在內的總誤差和管理領域等的研究。