首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 水利工程论文 > 水工结构论文 > 解读水工结构可靠度设计的具体实施

解读水工结构可靠度设计的具体实施

2020-03-17 268 上传者：管理员

摘要：在水工结构设计中广泛应用结构可靠理论，可以为进一步提升水工结构质量及施工效率奠定了坚实基础。基于此，本文围绕水工可靠度设计研究情况与现状，对结构可靠度在水工结构设计中的计算模型与可靠度分析进行了相关的分析和论述，以供参考。

关键词：
水工结构设计
结构可靠度
计算模型
道路设计
加入收藏

随着社会经济及科技技术的快速发展，国家及有关部门对各类工程结构设计不稳定因素的评估及预防提出了更高要求，使得能够综合考虑各项因素的结构可靠度理论更加广泛地应用在工程设计、施工、管理等环节中。现阶段在结构可靠性计算期间，可利用概率统计理论知识来描述工程中的失效概率，如结构外部荷载情况、材料强度与实际承重力等系数。但由于水工结构设计相较于其他工程结构设计而言，具有复杂性、特殊性及不稳定性等特征，需相关工作人员将结构可靠理论与计算方式进行不断的优化及完善，为提升水工结构设计质量及可行性提供重要理论依据。

1、水工结构可靠度设计概述

1.1 水工结构可靠度设计的重要性

在水工结构设计过程中，需对工程结构的稳定性及安全性基于高度重视。具体而言，水工结构建设在工程总耗资量中占据着重要地位，一旦结构设计出现误差，不仅会为建设方带来巨大经济损失，更会威胁到施工及使用人员的人身安全^[1]。因此，为更好地预测及评估水工结构设计中的不稳定因素，设计单位也开始着手于结构可靠度设计方式的开发及应用。从工程结构施工角度的分析，影响结构整体稳定性的原因包括荷载力、材料参数、结构尺寸、边界条件及计算模型等，需利用结构可靠度计算方式，将工程不稳定因素设为随机变量，以更好地计算出不同因素对工程整体质量的影响程度，并为工程结构设计方案的进一步完善及优化提供重要理论依据。

1.2 水工结构可靠度设计的研究现状

结构可靠度理论已经发展成为具有重大应用价值的基础学科。在水利工程中，由于施工材料、设备、技术等存在大量不稳定因素，使得水工结构安全性、适用性及耐久性受到严重不利影响，需利用可靠分析法对此些因素进行直接或间接的描述^[2]。就目前来看，我国水工结构可靠度设计中的数据采集效率不高，使结构可靠度分析存在一定局限性，需进一步加强水工结构数据采集工作，建立起健全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。

通过校核法可计算出水工结构可靠度设计指标，能够较为全面规范水工结构设计，为制定出结构可靠度目标及局部调整提供重要理论依据。但由于水工结构及其不稳定因素日趋复杂，相关工作人员也应将工作重点放置在校核计算法的不断优化上。当前水工结构可靠度设计多集中于单个构件及部位，对工程整体可靠度的分析依然处于有待提升的阶段，需将各结构可靠度标准及计算方式进行统筹的管理。

2、工程案例

2.1 工程概况

以小湾水电站工程为例，该工程位于澜沧江下游的龙头水库，大坝为混凝土双曲结构。其中，工程最大坝高为290m，计算荷载力时需以拱坝结构自重、上下游水压力、淤泥压力、温度等参数数据为主^[3]。不仅如此，大坝中的正常蓄水位为1230m，尾水位为1000m，前淤沙高程为1090m，内摩擦角为25°。在结构可靠度计算时，需将工程中正常蓄水位的上下游水位、拱坝基扬压力为折减系数等作为定值处理。

在水工结构设计中使用的响应面法，即通过输入及输入关系来模拟极限状态曲面。由于该工程案例中的大坝结构复杂，原有水工结构设计中的功能函数无法利用显示表达出来，为结构可靠度计算带来了一定难度^[4]。需相关工作人员采用响应面与有限元法相结合的手段，首先利用有限元分析法对坝体结构进行分析；其次，通过响应面法求得结构功能等函数数据，最后计算出坝体结构功能响应的最小值与最大值，从而获取到更加精准及全面的结构可靠度分析标准。

通过有限元分析软件建立起坝体结构功能模型，编写出接口优化程序，计算出结构可靠性指标。基于该机结构可靠性指标，发现工程上游坝体结构是整个工程抗拉可靠度较弱的部位，需在实际施工中对此部分结构进行加固处理，以更好地提升工程整体稳定性及全生命使用周期。

由此可见，在水工结构设计缺乏充足不稳定变量概率信息时，可通过结构可靠度分析法对坝体结构进行分析，且分析结构与工程理论规律相符，具有一定的实用价值。

2.2 水工结构极限状态方程式

在水工结构可靠性分析过程中，结构的极限状态一般由功能函数标注，即Z=g（X1，X2，…，Xn）。其中，（X1，X2，…，Xn）为荷载、抗力或其他随机变量因素。当Z＞0时，结构安全，当Z＜0时，结构时效，当Z=0时，结构为极限状态。

2.3 水工结构可靠度设计方式对比分析

就目前来看，水工结构可靠度设计方式主要分为概率可靠度理论分析及非概率可靠度理论分析等方式。

其中，概率可靠度理论主要就是在依据失效准则建立起结构功能函数，通过随机变量参数函数的运算，确定并统计随机变量的特征值。在水工结构概率可靠度设计荷载分析时，由于坝体荷载力主要来源自水压与自重，且水位具有极高的随机性，因此可将坝前水位作为定值，以基岩中的渗透压力为随机变量^[5]。但由于缺乏充足的实际资料，此种水工结构设计方式难以对概率分布及统计参数进行精准计算；在水工结构概率可靠性度抗力分析时，主要就是对坝体混凝土配合比进行弹性模量及极限拉伸试验，故仅能够计算出结构功能的平均值。同时，水工坝体事故发生的根本原因与基岩破坏有关，但利用概率可靠度结构分析法无法更好地处理岩石结构复杂及软弱夹层等数据，使得结构可靠度分析结构缺乏精准度。

水工结构非概率可靠度设计主要对不稳定信息进行凸集合模型描述，通过比较输出及响应值变化区域，获得满足安全指标的度量。同时，水工结构非概率可靠度设计认为当结构系统波动范围越小，系统则越可靠，因此可适用于大部分存在大量不稳定因素的水利工程中。

与传统概率可靠度分析方式相比，非概率可靠度分析法具有以下优势：第一，可在统计信息较少的情况下对水工结构进行准确的可靠性分析^[6]；第二，可靠度分析对原始数据要求不高，只需相关工作人员明确不确定参数界限即可，必须对结构概率密度函数及隶属函数进行计算，大大提升了水工结构可靠度设计效率及精准性；第三，在水利工程中，各参数变化区间通常不具备一定的概率，因此非概率水工结构可靠度设计方式具有更高的实用性。

3、水工结构可靠度设计的具体实施

通常情况下，水工结构可靠度设计可由以下两方面描述：第一，以极限方程描述水工结构可靠度设计理论，从而得出极限状态的效应及抗力等参数；第二，以概率方式描述水工结构可靠度，以更好地对工程强度、荷载等经验系数。由于水工结构可靠度设计会对经济效益、安全效益及社会效益等几方面进行考量，需对水工结构可靠度设计方式进行择优选择。

3.1 构建可靠度计算模型

(1) 分项系数极限状态表达式

在水工结构可靠度设计中，可利用分项系数极限状态表达式，反映出可能在结构中存在的不稳因素^[7]。在使用此种方式时，应利用作用变异性明确水工结构可靠度分项系数r与材料性能等分项系数，以更好地对工程不稳定因素进行判断。

(2) 明确目标可靠指标

在水工结构可靠度计算模型构建的过程中，相关工作人员还应明确目标可靠指标。具体来说，工程目标可靠指标与维护成本、投资风险等有关，能够从根本上反映出水工结构可靠度设计的经济效益及安全效益。不仅如此，通过经验校准法、经济优化法及事故类比法能够联系原有水工结构设计规范，明确目标可靠指标。

(3) 计算水工结构可靠度

在水工结构可靠度设计中，可通过抽样法、一次二阶矩法、高次高阶矩、遗传算法等方式对系统功能系数进行计算。其中，水工结构可靠度设计遗传算法就是在水利工程种群个体中实施遗传操作，从而对种群个体结构进行调整，以更好地优化种群中存在的不稳定因素，并将结构可靠度接近最优解。

3.2 进行结构可靠度分析

由于水工结构设计的可靠度理论在分析方式、概率模型等方面依然存在一定的不完善性，因此在工程钢闸门、土石坝及水电站厂房中尚未得到完全普及，较落后于采用水工结构设计的总体水平。对比，国内外学者针对水工结构可靠度设计结构抗力荷载效应进行了系统研究，并采用校核法及其他研究方式对结构进行可靠度设计，更好地提升了传统结构可靠度分析质量及效率。举例而言，部分学者对水工钢闸门结构可靠设计进行了深入分析及总结，并提出可用于钢闸门设计的可靠度指标，为钢闸门可靠度设计提供了有利的支持。

现阶段我国水利工程还缺乏水工结构设计规范，需依照结构可靠理论对水工结构设计进行修改及完善，为日后水工结构设计可靠度理论分析朝向极限状态设计法转型提供重要基础。同时，相关管理部门也应该有意识地收集水工结构随机变量资料，设置具有可满足水工结构可靠度设计需求的数据库及软件系统，进一步推动水工结构可靠度设计智能化发展进程。随着统计数据积累及深入研究，原有不具备统计资料的随机变量及分项系数有了更加完善的概念，所使用水工结构设计规范也得到了不断的完善。由此可见，在未来水工结构设计中，结构可靠度理论具有更为广阔的应用前景，为更好满足社会对水工结构设计安全性、经济性及可靠性提出的要求做好了万全准备工作。

4、总结

总而言之，现阶段结构可靠度理论在水工结构设计中依然存在着诸多局限性，如统计参数与函数运算结果存在偏差、失效概率受分布概率参数应用严重等，需相关工作人员能够针对非概率可靠度理论分析法中对不稳定信息要求低、实用性强等特征，对水工结构可靠度设计流程进行不断的细化，弥补原有结构可靠度的不足之处，切实发挥出结构可靠度在水工结构设计的积极作用。

参考文献：

[1]侯建国,安旭文,张京穗,等.关于水工结构设计标准按结构可靠度理论进行修编的建议[J].武汉水利电力大学学报,2013(3):59-63.

[2]董育坚.可靠度理论在水工结构设计中的应用[J].四川水力发电,2015(2):42-50.

[3]贾景伟.随机边界元法及其在水工结构可靠度分析中的应用研究[J].中国水能及电气化,2014(9):41-44.

[4]张明,麦家煊,吴清高.随机边界元法及其在水工结构可靠度分析中的应用[J].水力发电学报,2012(S1):46-53.

[5]袁文阳,何金平,李正农,等.坝工设计的可靠性思维[J].中国农村水利水电,2016(8):16-18+48.

[6]黎保琨.结构可靠度分析及其在重力坝设计中的应用[J].北京水利电力经济管理学院学报,1984(00):76-88.

[7]瞿尔仁,徐金,束兵,等.重力坝抗滑稳定的结构可靠度模型[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014(4):376-379.

周洲.结构可靠度在水工结构设计中的应用研究[J].工程技术研究,2019,4(1):192-193.