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地下结构和其它岩土工程一样，在整个设计过程中存在大量的不确定性。传统方法设计时用一个笼统的安全系数来考虑众多不确定性的影响。对各参数、变量都假定未定值。这就是常规的定值设计法。虽然以后对某些参数（如材料的强度）取值时也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值，但未能考虑各参数的离散性对安全度的影响。所以安全系数法不能真正反映结构的安全储备。
60年代末期，数理统计和概率方法在结构设计中成功应用，鼓励和启发了隧道工作者寻求用概率方法研究地下工程中各种不确定性并估计他们的影响。进入70年代，可靠度分析方法扩大到更多的设计领域。但是，这种方法仍然受到一些岩土工作者的反对和质疑。原因在于岩土工程本身的机理比较复杂，有些问题还没有充分认识；岩土工程概率方法还处在发展阶段，不少概念还不很明确，计算方法也不够简便；一些人对概率论和方法不很熟悉。这些困难也促使一些岩土工作者潜心钻研，他们吸收地面结构概率分析成果，针对岩土和地下工程的特点开展专题攻关，虽未完全解决技术上的关键，也取得了可喜的成果。研究表明，概率和可靠度分析方法在不确定性越严重的问题中越能显示出活力来。
1992年，国家技术监督局《工程结构可靠度设计统一标准》，作为其它各类工程结构设计共同遵循的准则。铁路、公路、水利、港口等行业先后开展结构设计统一标准的编制工作。作为上述各类工程的重要组成部分的隧道及地下工程，采用概率极限状态设计也提到日程上来。一些技术难题有待继续攻克，实用化问题也要同时解决。目前，可靠度分析在地下工程中的应用正在经历由粗糙到精细，由简单到复杂再回到简单并进入实用这一过程。
2.岩土参数概率特征的研究
确定围岩的物理力学参数和原始应力状态时分析地下结构力学行为的先决条件。对于重要的大型结构（如水电站地下厂房等）通常要在周围地层钻孔取样并进行一系列试验以取得有关参数。交通用途隧道纵向长度比横向长度大得多，经过的围岩也化，通常按各类围岩的综合力学参数进行计算。引入可靠度后，必须考虑这些物性参数的概率特征。这方面的研究成果对地下结构可靠度分析至关重要。
2.1围岩分级判据的可靠性研究
一般隧道设计时都要现场确定该隧道所处的围岩类别。各种围岩分类法都有各自的一套标准。但由于标准本身常存在模糊性或不确定性，或者不同人对标准的理解和处理不尽相同，不同人对同一围岩的评价结果总体会趋于一致，具体还不会完全同一。围岩分类的随机性值得我们进一步研究。
我国在围岩分类和分级方面已有不少成果，可惜各部门还不统一。东北大学林韵梅教授等提出围岩稳定性动态分级法，李强提出模糊聚类分析法。在动态分析法中对分级判据的分布进行初步分析，应用数理统计方法对分级判据进行研究。在定义分级判据可靠性的函数上，用柯尔莫洛夫法对其分布规律进行检验。还提出了分级标准和分级方法的评价准则。
2.2地质资料的概率处理
对于大型地下工程和重点长大隧道都要进行比较细致的地质勘探。但要从有限的勘探资料中获得隧道全长或大型地下工程周边围岩的地质状况和有关参数，必然存在不确定性和偶然性。用概率法可减少误判的机率。例如长江科学院包承纲研究员等以概率方法处理水坝地基钻孔之间的地层分界线，取得更为合理的结果。
地层中常有一些异常地质点存在，如软弱夹层、空洞等。他们对地下工程施工和运营有很大影响。为此，首先要弄清楚它们出现的可能性、大概的位置及其性质，然后通过可靠度分析法去分析它们的影响。Bercher(1979)及Tang(1987)等都对某地区在给定钻孔布置与地质历史推断情况下，对异常地质出现的概率和统计特征做过估计，先给予一个不出现异常的先验概率，然后根据一系列钻孔资料按Bayesion公式推得修正的不出现概率和联合分布。
2.3土性参数的随机场研究
据研究，土性参数变异系数可达0.29，比计算模型的不定性影响大得多。土性参数概率特征经历了两个阶段。早期研究建立在随机变量基础上。后期研究集中在随机场理论的应用上。
不难理解，岩土工程的性状是由某一空间范围内岩土的平均特征所控制。根据一个个试样求得的统计特征称为点特征。点特征与空间特性之间由一定的关系。空间平均特征的方差应小于点特征的方差。控制岩土工程可靠度的是土性参数的空间平均值方差而不是点方差。因此，土性参数的概率分析是一个随机场问题。对于空间分布的地层，由于沉积和埋藏等条件的联系，不同点之间虽有差别又有一定的相关性。这种相关性将随二点距离的增大而减弱。相关距离是岩土可靠度随机场研究中的一个重要参数。有关学者提出了相关距离的物理意义、集合意义及实际计算方法，提出了不同地层相关距离的年经验值。研究了不同统计方法的参数对可靠度分析的影响。
2.4岩体特性统计特征的研究有待加强
近几年由于土坡稳定、桩基承载力及地基承载力等方面可靠度分析实用化的需要，推动了土体概率特征的研究。而土性概率特征的研究成果又促进了上述几种典型工程实用可靠度分析。由于岩体的本构关系更为复杂，节理、裂隙、层状等对岩体特性影响更多，岩石地下工程计算模型不定性更为突出。对于众多不定性相互作用的岩石工程，更需要可靠度分析。国内勘察设计部门也积累过大量岩石资料，但用概率方法加以整理的参加横过较少。日本在这方面做过的工作值得重视。他们对各类围岩（如花岗岩、闪绿岩、砾岩、砂岩、泥岩等）的主要指标（如单轴抗压强度、压缩变形系数、抗剪强度、干密度等）的分布特征，均值及变异性以及相互关系等都做过分析整理，这些资料可供参考。
3.作用效应随机分析方法的成果
作用效应是可靠度分析中重要的综合随机变量，它占用很大的计算工作量。地下结构作用效应的定值分析方法不论是“荷载—结构”模式或“地层—结构”模式，目前大多采用有限元分析，考虑空间作用时还用三维有限元。对裂缝、节理发育的岩石地层主要有两种方法：
a.仍然利用连续介质力学理论，但要寻求反映不连续岩体特点的本构关系或把节理裂隙的力学性质作为附加条件加以考虑，然后求解；
b.应用块体理论，寻求关键块。利用量测到的位移信息反求地层的力学指标也是常用的方法。引入可靠度以后如何在上述各方法基础上进行随机分析时必须解决的问题。
3.1随机有限元的进展
有限元法在随机介质中的应用始于70年代初期。当时主要用于岩土理论与应力分析。其基本思路是采用蒙特卡洛模拟法。该法建立在大量确定性计算基础之上，费用较为昂贵。结构静力计算的随机有限元法70年代中期由瑞典的K.Handa首先提出，80年代末日本的Hisada和Nagagri等对随机有限元作了较为系统的研究。至此以后随机有限元理论朝着两个方向发展，一是基于摄动展开的有限元统计分析；另一是随机场的局部平均。具体的方法有：纽曼随机有限元法；随机有限元最大熵法；有限元一次二阶矩法；随机有限元响应面法；摄动随机有限元法等。上述各种方法各有其特点，有的理论上较为严密，但计算量大；有的较近似而计算简便。响应面法，摄动法及蒙特卡洛法在我国隧道可靠度分析中都已实际应用。
作为随机有限元的深入，有人还提出非线性随机有限元，但该理论正处于尝试中。采用目前流行的随机有限元通常只能确定荷载效应的某些数值特征，如均值、方差、相关矩等，难以确定荷载效应的概率分布及高阶矩，故还不能很好的满足可靠度分析的要求。蒙特卡洛法可求出概率分布，但计算量较大。成都电子科技大学张新培教授提出了改进的随机有限元法。该法以有限元为基础，利用荷载列阵与刚度矩阵各元素之间特征函数确定结构各单元荷载效应的特征函数，再根据特征函数与分布密度函数及数字特征的关系，求出荷载效应分布密度函数积极数字特征。此法概念简单，容易实行，较好地满足可靠度分析的要求。
3.2随机块体理论的提出和应用
块体理论是我国学者石根华和美国学者R.Goodman首先提出的岩体工程分析方法，为岩体洞室和边坡稳定分析开辟了新的途径，在国际上受到重视并得到日益广泛的应用。块体理论中关于岩体被不连续的空间平面切割成分离块体以及切割面上的力学参数c、Φ等都作为定值。由于实际岩体不连续面形成因素复杂，同一组不连续面的产状在一定范围内发生变化，连续空间平面切割成的变形状空间块体具有随机性。切割面力学参数也使随机变量。因此更适合概率分布。河海大学王保田、吴世伟提出的随机块体理论，用随机抽样法寻找可动块体的概率，并用一次二阶矩法求关键块的概率。二者结合可较好的解决已知结构面产状概型和力学性态是随机值的问题。南京航空专科学校的张广健等应用随机块体理论编制出计算程序，用以对隧道围岩稳定性进行可靠度分析，求得各类围岩的块体稳定可靠指标。所得结论与设计和施工经验基本一致。若能用现场实测数据统计分析，其结果将更能反映工程实际。
3.3三维随机边界元法的提出
地下结构的有限元分析特别是三维分析需要划分许多单元，计算机工作量和对计算机内存的要求都很大。特别对无限区域的课题，在一定范围内离散将忽略外方广大区域的影响而带来误差。因此人们的注意力又转到一些边界解法上，相应的边界单元法得到发展。隧道的边界元分析有其明显的优点，日益受到国内外重视。针对地下结构分析中参数都具有明显不确定性的特点，随机边界元法的研究和应用将对隧道可靠度分析起到新的推进作用。
武汉水利电力学院潘国宁等提出的三维随机边界法是将边界元计算过程作为函数转换过程，再参数取值时对函数过程做泰勒展开。通过边界计算得到应力和位移的均值；然后计算有关变量对参数的一阶导数和二阶导数在取均值时的值。最后考虑参数的变异性来分析计算结果的变异性。此法公式简洁，计算工作量小，对隧道分析有重要参考价值。
3.4围岩参数的随机反分析
由于围岩的物理力学指标不容易确定，现场取样试验或直接测试资料也只是得到点特性而不是我们所要求的围岩空间平均特性。因此，利用施工监测得到的位移信息反演求出围岩参数的方法在一定条件下能满足地下结构分析的要求。目前定值的反演分析比较成熟，已开发出很多程序可供应用。但是反演分析所依据的信息实际是带有一定离散性的随机变量，可靠度分析也要求反分析的结果能表示出概率特征。因此，随机反分析也逐渐受到重视。专门著作《反演理论》对反分析概率化有重要论述。同济、北方交大、西南交大岩土和地下工程专业的博士研究生的论文都曾涉及隧道随机反分析问题。目前采用的方法有传统的蒙特卡洛法、随机摄动法。
4.针对岩土工程特点的可靠度分析方法的新发展
《工程结构可靠度设计统一标准》在附录一中推荐用一次二阶矩法计算结构的可靠指标。同时指出对于变异系数很大、极限状态方程非线性程度很高等情况，宜用更精确的方法计算。岩土物性变异性比较大，常呈现一定的相关性，如内摩擦角与内聚力之间负相关，容重与压缩模量、内聚力等正相关。忽视这些相关性，会使计算结果出现误差。而一次二阶矩法是假定基本变量间是相互独立的。
目前针对相关性提出两种一次二阶矩的改进方法。一是将相关变量变为互不相关的变量，新变量的方差矩阵是由原变量标准化后的方差矩阵构成。另一方法是将极限状态方程的标准差展开后求得分离变量作为新变量的灵敏系数，在新的灵敏系数重反映与之相关的另一变量的影响。前法适用于多个相关的基本变量，后法只适用于两个相关变量。
对于非线性极限状态方程，用当量正态法有时计算误差过大，有时不易收敛。此时将蒙特卡洛模拟引入可靠度分析中，只要模型次数多就能得到精确的失效概率值。对于很小的失效概率需要很大的模拟次数。为节省机时，可从计算方法上改进。为避免概型拟和引入的误差，采用高阶矩发值得进一步探索。
对于一些判别准则易受人为因素影响的问题，也可将模糊数学方法引入可靠度分析中，发展成为模糊可靠度分析法。坑道稳定性位移判别的方法和准则就有很多主观和客观不确定性因素，坑道稳定性模糊概率分析法，把“坑道稳定性”作为一模糊随机事件，求其模糊概率，用模糊统计分析试验法结合专家综合评判来确定地下坑道周边位移与坑道稳定性的隶属函数，推导出坑道稳定性可靠度计算的一般表达式。
5.围绕《铁路隧道设计规范》的修订，隧道可靠性
铁路隧道在我国地下工程中占很大比例，第二层次的《铁路工程可靠度设计统一标准》也已。第三层次的铁路各专业设计规范可靠度设计修订工作已提上日程。针对人们对可靠度理论在隧道中的应用有怀疑态度甚至否定这一情况，铁道部先组织几批专家进行“以可靠性理论为基础修订铁路隧道设计规范的可行性研究”，得出可行的结论，并分别从“荷载—结构”模式、“地层—结构”模式和以工程类比为基础的经验设计模式等几个方面提出实现可靠度设计的途径和需要攻关研究的课题。该项研究经铁道部组织专家评审验收，人为结论正确，所建议的隧规改革目标明确，路径可行，可作为今后隧规改革的指导性文件。
为了使铁路隧道设计规范按可靠度设计加以修订这一难度较大的工作能逐步深入开展，铁道部主管部门已立项开展《按可靠度理论修改隧规的基础性研究》。研究内容包括围岩物性指标及深埋隧道围岩松动压力统计特征研究；浅埋隧道覆土荷载统计特征研究；明洞、棚洞填土荷载统计特征试验研究；衬砌混凝土偏压构件抗力计算方法及偏压强度统计特征研究；隧道衬砌几何特征研究等。由铁路各高校分别承担。铁路高校研究生论文选题也开始转向隧道可靠度设计这一领域。
篇2
语文新课程标准实行以来，语文教学向多样化转变。新课标下的语文教学具有更新型的特点。教师在小学语文的教学方面不仅要注重培养学生获得知识的能力，也要注重学生思维的培养。在课堂实施新型教学方式，既能培养学生的独立思考能力，又能培养学生的创新能力和创新精神[1]。本文就课堂如何培养小学生独立思考精神展开讨论。
1 创造情景，激发学生独立思考的兴趣
俗话说，兴趣是最好的老师。有心理学家认为，一切有成效的活动都必须以兴趣作为基础。兴趣在学生的学习中起着很大的作用，在语文学习中也不例外[2]。小学生一旦对语文学习产生了兴趣，他们就会进入积极的、最活跃的语文思维状态，其潜能便会得到开发，主体性也会得到弘扬。因此，在语文教学中要不失时机地创设语文的学习情景，激发学生学习的兴趣。可以从以下几方面来创设情景来以此激发学生学习的兴趣。
1.1激情导入，培养学生学习语文的兴趣
课文的导入可以多样化，不同的语文教师可以选择不同的导入方式，但是所选方式一定要以激发学生的学习兴趣为目的。教师可以设置相应课文题目的悬念，将学生一步一步地引入到课文中，学生的自主学习兴趣就会得到激发。例如，教师要上《孟母教子》一课时，就可以首先给同学们设置一个好的情景。教师可以这样说“想必同学们都有自己崇拜的伟人吧，但是你们是否知道他们小的时候就很刻苦努力的读书了呢？要是他们小时候生长在不好的环境中，那么他们的母亲会怎么办呢？今天我们要学习的就是这样一个有趣的故事：孟母教子。”通过这样的情景导入，使学生能够积极思考，同时也怀有一定的好奇心，能很好培养学生独立思考精神。
1.2创造轻松的教学氛围，设立良好的学习环境
目前的小学语文课堂教学中，教师总是会提出一些比较苛刻的问题，以此来激发学生思考的能力和兴趣。殊不知这样的教学方式不仅不能激发学生独立思考的兴趣，反而会使得学生对课堂学习产生厌倦的心理，带来负面效应。其实，发展个性要以宽松民主的学习气氛为前提，要让每一位学生轻松的上课，在课堂上放松压力，完全融入课堂的活跃气氛中，完全融入课文主人公的境遇中。这才是教师课堂教学的最高境界。例如在学习《开天辟地》一文时，教师可以让学生自己思考，想象出开天辟地的姿势，然后让学生在课堂上自己做出来。这样不仅能够活跃课堂气氛，激发学生学习课文的兴趣和欲望，更能够提高学生主动思考的能力，为学生以后的生活学习打下良好的基础。
2 让学生自主选择学习内容和方法，提高学生思考主动性
传统的语文课堂教学，过分强调预设和封闭，从而使课堂变得机械、沉闷和程式化，缺乏生气和乐趣，使学生的个性化阅读得不到发挥。新课程改革下的课堂教学，站在促进学生发展的位置上，尊重学生的个性化学习，以学定教。而以学定教不仅体现在学生自主选择学习的内容和方法 ，还应体现在教师对学生学习的引导和指导上。在实际课堂教学中，可以采取如下办法：
2.1自主选择学习的内容
学生自主选择自己所要学习的内容，可以使得不同的学生根据自己独特的爱好来学习不同的课文或同一课文的不同部分，这样在满足学生学习兴趣的基础上，提高了学生学习的主动性，培养了学生独立思考的能力，能收到非常好的效果，在学生积极主动投入学习方面能起到很好的效果。如学《再见了，亲人》时，教师可以告诉学生根据自己的爱好来思考，可以根据自己的喜爱选择自己认为最感人的部分来学习，也可以选择结合当时的历史背景来学，可以选择课文中主人公的性格特点来学等等。这完全地尊重了学生的个性差异的特点，而且学生在课文中学习到的新知识或由此而发现的新问题，都是自主学习的收获。总之，通过学生自主与文本对话，他们的思维发展了，有了新的感受，培养了学生独立思考的精神。
2.2自主选择学习方法
学习的主体是学生，不同的学生肯定有自己不同的学习方式，而不同的学习方式都有自己的优势，都可以获得很好的学习效果。所以，老师要基于这一点，培养学生自主学习的能力，培养学生独立思考的能力，在课堂教学中要尊重每一位学生的学习方法，并鼓励他们不断的进取。如在《海上日出》一课中，教师可以要求学生将自己最喜欢的课文内容用自己喜欢的方式进行学习，并做学习结果汇报。这样，在汇报时，有的学生就会满怀激情地描绘日出前、日出时、日出后的景象，有的则选择当中的词句的细细品味，有的则结合自己看日出的经历进行对比。教师遵循学生的个性差异，给予他们自主选择学习方法的空间，让学生个性得到最好的张扬，这也是培养学生自主思考精神的很有效途径。
3 结语
小学语文课堂教学是培养小学生独立思考精神的有效教学路径，能够起到很好的效果。小学语文教师在教学过程中一定要从培养学生的学习兴趣入手，尽力提高学生的创新思维能力，并且通过一定的途径将学生的创造性思维与实践结合起来，这样才能为学生将来的深入学习打下良好的基础。
篇3
结构可靠性的定义是:“在预定的条件下，结构达到设计规定功能的能力”。结构可靠度的定义是:“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率”。如果失效概率用Pi表示，则可靠概率就等于( 1- Pi)，这就是可靠度。
2.研究现状
加固前的可靠度和加固后的可靠度是桥梁结构加固可靠度的研究主要涉及两方面的信息。可靠度的判断作为决策的主要相关依据是需要摸清桥梁结构的实际情况为前提的，这将决定我们采用何种相应的加固方法。加固后仍然需要对结构进行评价，从而评估加固维修是否有效或者是否达到最大功效。
加固技术时间并不长，在各种不同的加固方法中，我们对维修与加固混凝土结构的相关经验很有限，缺少必要的试验数据、设计施工标准及试验标准是很多加固方法，特别是较新型的加固技术存在的主要问题。因此，有必要收集桥梁结构加固后可靠度的研究资料，尤其对收集加固后的混凝土结构可靠性的系统研究资料。尽管，国外的相关检测设备非常先进，然而，相应的资料偏少也是一个困扰他们的问题。
对于现在的加固设计方法，其前提基本上都是在各自的试验研究基础上的半经验半理论方法，由于目前加固结构分析的复杂性，不能与现行的可靠度设计要求相协调，也无法与整个结构体系的可靠度相一致。尤其是，没有深入的研究局部加固后对构件整体及结构整个体系的可靠度相关影响。对加固后的结构可靠度研究还局限在对加固后构件的研究。大连理工大学赵国藩教授提出了加固后结构构件的可靠度分析[1]，分析了现行加固规范所具有的可靠度水平，提出了结构加
固后可靠度分析方法，对现行加固规范所具有的可靠度水平进行了分析研究;张宇[2]等分析了粘钢加固混凝土梁可靠性，赵军[3]长安大学硕士学位论文研究了预应力CFRP即布加固混凝土梁，而朱建俊[4]分析了CFRP卿加固受弯构件可靠度。有关国家重点项目引用了有限元理论研究混凝土一加固材料应力应变，分析了其受力模型，探讨了相应的计算公式，采用分项系数形式和采用可靠度校准分析对各种加固形式进行可靠度分析，力图与现行规范相匹配。
3.研究意义
桥梁从施工建造到投入使用，再到运营阶段，性能逐渐退化，最后达到设计使用寿命，与一个人的生命过程十分相像。施工建造期相当于幼年期，在此期间失效的风险率大;使用期相当于人类的中年期，此时失效风险率降低;老化期相当于老年期，失效风险率又逐渐提高。但在任何一个阶段中如果经过维修加固等措施，结构承载力将得到显著提高，其失效风险率又会降低。
对加固后的桥梁进行使用寿命预测，不仅可以揭示潜在危机，及时作出继续维修、加固或拆除的决策，避免事故发生，而且研究成果可以直接用于指导加固桥梁结构的耐久性评定，提高加固桥梁的耐久性。通过对加固后桥梁使用寿命的预测，一方面，根据预测结果来明确加固后新结构的实际寿命，从而做到防患于未然;另一方面，可以揭示加固后影响新结构使用寿命的内部和外部因素，然后根据工作环境、用途、经济条件等进行有针对性的维修加固。这对提高加固工程的设计水平和施工质量必有一定的促进作用。特别是面对下一代规范将采用基于性能的设计与生命周期宏观造价优化的设计思想，必将要求对建筑结构的寿命进行科学的预测。
4.结束语
目前，国内外对于既有桥梁可靠度研究较多，可靠度分析理论也较完善，但关于桥梁加固后可靠度的研究和资料较少，尤其是对于加固后混凝土桥梁动态可靠度的研究。因此，对于加固后桥梁结构可靠度的研究还需进一步深入。
参考文献：
[1] GBJll4-90,中华人民共和国国家标准.工业厂房可靠性鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1992
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一、我国桥梁设计现状
总体来讲我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。
二、桥梁设计的注意事项
(一)应该更加重视结构的耐久性问题。国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究，也取得了不少成果。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。
(二)重视对疲劳损伤的研究。桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。 由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的，故而对疲劳损伤的研究需要引起足够的重视。
(三)充分重视桥梁的超载问题。桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。因此需要对超载带来的后果进行研究、分析。
(四)积极借鉴国外的经验和成果。国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差、耐久性和安全性差（包括使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等）。这些问题的产生固然与目前国内施工质量和管理水平较低有关，但平心而论，既然这种现状不能在短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应该在正视这一问题的前提，充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能的达到，这才是更为主动和有效的方法。特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或使用材料选择不合理及结构细节处理不当有关。
在欧洲国家，非常重视对结构物进行性能设计（即PBD， Performance Based Design），内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲劳性等。PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能（包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等）。就其本质而言，欧洲国家的PBD理论，主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能，分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律，寻求新的结构设计理念和方法。
三、可以深入研究的方向
(一)结构系统的可靠度分析。对于结构系统可靠度分析的非常复杂的研究课题，许多学者对此从不同角度进行了研究，提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统可靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等，同时，一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。
(二)人为差错的分析。许多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成，而往往是设计、施工、使用等环节中人为差错造成的，这方面事例很多，已成为目前研究热点之一。 转贴于
(三)在役结构的可靠性评估与维修决策问题。对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策正成为建筑结构学的边缘学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论，而且，与施工技术、检验手段、建筑物的维修使用状况等有密切的关系。同时，经典的结构可靠性理论，在在役结构的可靠性评估中也必将得到相应的发展。
(四)模糊随机可靠度的研究。模糊随机可靠度理论研究是工程结构广义可靠度理论研究的重要内容，随着模糊数学理论与方法的完善，模糊随机可靠度理论也必将进一步完善和发展。
四、结束语
桥梁设计是一个复杂的，系统的工程。需要丰富的理论知识，并且尽量避免主观经验因素对设计的影响。在桥梁设计过程中仍然有许多重大的理论问题需要解决。总之桥梁结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。
参考文献：
[1]刘玉彬．工程结构可靠度理论研究综述[J]．吉林建筑工程学院学报，2002，19(2):41-43．
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一、工程结构可靠度理论及其演变
在工程设计过程中，最重要的问题就是工程结构的安全性问题。原因在于，结构工程建设的耗资十分巨大，一旦其工程失效，不仅会威胁人民群众的生命安全，更会造成难以估量的损失和次生灾害。在人们对于结构工程不确定性进行认识的过程中，结构可靠性理论得以形成。在1911年，便有人用统计数学对荷载以及材料强度进行计算。1928年和1935年，相关学者相继发表了这方面的文章。在1946年，《结构的安全》这一研究论文得以发表，该文章对结构安全度等问题进行了重点探讨。通过这样反复的研究和发展，人们可靠度理论得以产生，人们也纷纷对可靠度理论的基本概念和应用进行探讨。
对结构可靠度产生影响的因素多种多样，从工程背景的角度来看，其影响因素主要包括：荷载、材料参数、几何尺寸、初始条件、边界条件、计算模型等。人们将影响结构可靠度的因素称之为随机变量，所有的参数都可以作为随机变量，或者还可以将当量作为随机变量。但是，为了给计算带来便利，人们将可以当做常量的量看作常量。
二、水工结构可靠度设计的常用方法
（一）运用分项系数极限状态表达式
在水工结构设计的过程中，将分项系数表达极限状态作为设计方法，不仅得到了广泛的运用，成为当前水工结构可靠度设计的过程中所普遍运用的设计方法，更与确定性方法相适用。明确作用分项系数以及材料性能分项系数的物理概念，对可能会产生的不确定性和不确定因素进行反映，具有很强的降强概念和超载概念，而且其与结构类型无关。因此，从作用本身变异性来对作用分项系数进行准确地确定，运用材料试件变异性来对材料性能分项系数进行确定。在《统一标准》中，已经明确规定，水工结构结构系数主要对各种结构抗力计算不确定性进行综合考虑，还要对作用分项系数和材料性能分项系数中没有考虑的其他分项系数进行综合考虑，比如几何尺寸不确定性等。这些不确定性与水工结构的形式具有重要的关系，结构系数与结构构件的可靠度具有直接关系，结构安全等级的不同，导致其目标可靠指标也并不相同。所以，在《统一标准》里已经明确规定，将安全等级是II级结构作为前提和基础，对其他等级结构，结构系数将II级结构系数乘以对应重要性系数便可以得到。
（二）确定目标可靠指标
在水工结构可靠度的设计过程中，目标可靠指标是水工结构设计重要的根据，目标可靠指标与工程的使用维护费用、投资风险、造价、人民生活、财产等因素息息相关，目标可靠指标对水工结构经济性和安全性平衡进行体现，可以说，目标可靠指标代表水工结构设计所预期的结构可靠度。因此，对目标可靠指标值进行合理的明确，不仅要依靠设计人员水工结构可靠度的设计水平，还要依靠科技发展和社会经济，正因如此，目标可靠指标是一项需要对国家综合性技术和经济政策进行充分考虑的指标。通常情况下，人们通过经验校准法、经济优化法、事故类比法这三种方法来确定目标可靠指标。在确定目标可靠指标的过程中，不仅要对理论结果进行综合考虑，还要对水工结构设计的情况进行综合考虑，将旧规范和新规范衔接起来。在实际运用的过程中，如果采用经验校准法来确定目标可靠指标。要通过对现行的设计规范安全度进行校核，通过反演计算，将根据原规范设计在水工结构里隐含相应的可靠指标值找出来，通过对其进行分析和调整，进而对目标可靠指标进行制定，通过这样的方法和流程得出的目标可靠指标，是基于概率分析之上，属于可靠性设计目标可靠指标。
（三）计算水工结构可靠度
水工结构可靠度计算的常用方法多种多样，例如Monte Carlo抽样法、一次二阶矩方法、高次高阶矩方法、遗传算法。作为一个将适应度的函数作为根本的算法，遗传算法主要通过对各种群个体实施遗传操作，进而实现种群内个体结构重组。在这样的过程中，种群个体逐代得以优化，并且逐渐与最优解逼近。遗传算法属于智能搜索的算法，变异、交叉和选择是遗传算法所依赖的基本操作。遗传算法的流程如下图所示，遗传算法具有很强的全局最优性、自适应性、鲁棒性等特征，这些特性是其它算法缺少的。
遗传算法流程图
通过运用遗传算法，能够规避传统算法的缺点，将决策变量编码作为运算的开展对象，遗传算法将决策变量某一种形式编码作为预算对象，这样能够为我们提供便利，我们便可以更好地运用遗传操作算子。此外，遗传算法还将目标函数值作为根本的搜索信息，对搜索范围和方向进行确定，遗传算法还适用于多个搜索点信息的搜索，其概率搜索技术得以广泛运用。
结语
当前形势下，工程结构越来越复杂，人们对于事物认知程度越来越深，正因如此，工程结构设计已经逐渐从确定性的设计方法转变成为概率设计方法。传统的水工结构设计方法，不能够真正保证水工结构的安全和可靠，也不利于深入理解设计安全性的内涵。因此，在水工结构的设计过程中，要将结构可靠度理论作为前提和基础，运用概率极限状态的设计方法，能够从本质上对水工结构设计过程中不定性的因素实施量化分析。
参考文献：
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篇6
Keywords: highway bridge; Reinforcement; Reliability analysis
中图分类号：X734文献标识码：A 文章编号
1、引言
近年来我国公路交通得到了迅速的发展。但在公路交通网络中存在大量修建时间较早的旧桥，由于特定的历史背景，很多旧桥存在设计标准偏低和维护保养不足的问题。将这些存在问题的桥涵在经过结构检测与相关的力学计算后进行必要的加固和维修成为路政管理中的重要问题。但对旧桥的加固只是完成了初步的任务。对加固后的桥梁进行承载能力分析，对加固后的效果进行评价对于检验加固工作是否真正起到了效果和积累经验具有重要意义。
2、桥涵结构可靠性评定方法
桥涵结构的可靠性评定是路政管理中的一项常规但重要的任务。在现有的条件下，对公路桥涵的可靠性评定通常有以下几种方法。
2.1外观评定法
该方法是通过汇总桥涵可观察到的缺损情况，在和对桥梁设计资料的对比作为依据对桥涵的可靠性进行评价，操作较为简单，这类方法一般被成为经验方法，其优点是可以考虑一些无法用数据来做定量分析的因素，同时可以通过这些资料的汇总后咨询专家意见。因此这种方法对桥梁的可靠性评价对评价者的工程经验水平要求较高。
2.2规范评定法
桥涵的设计有相应的设计规范，因此对与桥涵的可靠性评估以设计规范作为衡量标准也是可行途径之一。这种方法建立在力学计算的基础上，因此其理论基础较为可靠。但由于桥梁在设计阶段和实用阶段的差异，设计阶段很多未考虑到的不确定因素在桥梁的可靠性评估中不易确定，因此如何平衡二者之间的这种差异是一个较为复杂的问题。
2.3桥涵荷载试验法
这类方法是在桥涵上施加静载或动载，评定在具体工作状态不明确时的桥涵的承载能力。这类方法较为可靠，而且试验的结果非常的直观，在新建桥涵和加固桥涵的质量评定方面运用较多，也被用来作为外观评定和理论计算后桥梁可靠性评定的附加手段。按所加荷载的不同性质，又可分为静载试验法和动载试验法两种。
在这类试验性方法中常用的手段是利用光纤光栅传感器来检测桥梁在使用中的各种变形情况，并据此做出分析和计算。其基本步骤为：在桥面板下部受力钢筋和钢板上布置光栅传感器，并选择测试截面；在桥梁上施加最不利荷载，记录测试截面的内力影响线和位移影响线；通过光栅传感器返回的波长转换得到桥梁在施加荷载后的应力和应变数值，借此评估桥梁的承载能力。
2.4基于结构可靠度理论评定方法
这类方法通过对桥涵极限承载力的状态分析，计算桥涵的失效可能性和可靠性指标等参数，并对桥涵结构的实际承载能力和使用安全性进行评估。其核心思想是分析桥梁所能够承受的承载力极限状态，从概率论和数理统计的角度来为桥梁在未来实际运行中可能发生的破坏情况做出概率评定，并给出一组量化的桥梁可靠性指标。基于结构可靠度理论的桥梁评定方法可以综合考虑确定因素和不确定因素的对桥梁结构可靠性的影响，并可以将这些因素综合成为统一的理论框架。
2.5考虑桥梁荷载历史的可靠性评定方法
这种评定方法考虑的因素更加多样化，利用桥梁在建成后使用过程中的后续信息，用可靠度理论来计算桥梁结构的可靠度和剩余使用寿命。由于荷载试验组织和实施方面需要的人力物力较大，因此常采用在桥梁使用过程中实际曾经承受过的较大荷载，利用验证荷载法、条件概率法等理论手段来评估桥梁的可靠性，并给出量化的计算结果。由于在评定时所采用的荷载为经验荷载，因此在反映桥梁真实承载力方面需要利用一些理论方法对桥梁可能受到的实际荷载进行模拟。
2.6考虑时变性的桥梁可靠度评估方法
这类方法的基本思想是基于结构的可靠性理论，不过更注重于对一些具有时变性的因素，并考虑这种时变性给桥梁的可靠性评估所带来的偏差。因此这种方法实际上属于一种动态性的可靠性评估方法。在实际运用中，常采用的时变因素有桥梁荷载、桥梁的结构抗力和评价的可靠性指标三类。
在考虑因素的时变性特征时，还有一类贝叶斯推断方法。多数的桥梁可靠性评估的思路是利用理论分析、试验或者统计的方法建立某种桥梁寿命的预测模型，但这类方法往往不考虑桥梁加固后新的构件元素，因此蕴涵着可能占主导作用的主观不确定性，而且不能通过重复观测得到这种不确定性的统计规律，采用贝叶斯方法可以解决这个问题。通过综合桥梁现场观测数据和经验预测模型信息，使得所得预测结果具有两者的优点，减小主观不准确性，利用不断收集到的新信息，不断提高桥梁可靠性评估的准确性和客观性。这样为时变可靠度分析提供了一种动态更新的思路。总之这一方法的主旨是从已知的桥梁运行状况来对桥梁未来可能的寿命和承载能力做出概率方面的推断，从而为桥梁的可靠性性评估提供依据。
2.7综合评定法
该类方法通过采集桥涵的各类关键指标，依据相关的技术评定规范来对桥涵的可靠性进行综合评定。主要考察的对象是桥梁上部结构、传力结构、下部结构和地基等的承载力，并对这些构件的承载力进行评估。这种综合评定方法的依据是公路养护技术规范中关于全桥总体技术状况等级评定的相关内容。以这种方法为基础，还可以引入一些较为前沿的研究成果，比如将结构抗力的不确定因素引入其中，从概率论的角度来对桥梁的某处结构可靠性进行定量的分析。
3结语
公路桥涵可靠性分析是对桥梁性能的系统性总结和分析。既可以用在现役桥梁的可靠性评定，也可用于桥梁加固后的可靠性评定。这类工作可为桥梁的设计积累经验教训。可靠性分析方法是这类问题中的重要研究方向，本文中总结了较为常见的桥涵结构可靠性分析的计算方法，其中既有经验性的方法也有理论性较强的方法。在桥梁可靠性的实际评定工作中，可依据所具有的不同条件来选择合适的评定方法。
参考文献
【1】王二磊.高速公路桥涵加固后可靠性研究[D].武汉理工大学硕士学位论文.
篇7
Key words: the asphalt pavement structure; HPDS2003; Lk table deflection value; sensitivity
中图分类号：U416.217文献标识码： A 文章编号：
目前我国高速公路及一、二级大都以沥青混合料作为道路的面层结构，即沥青路面。其结构可靠性以渐成为人们研究的主要课题。沥青路面结构可靠度设计考虑了设计参数的变异性和不确定性对设计结果的影响，下面将利用HPDS2003路面设计程序结合实例说明该问题。
工程简介
某一级公路，路面宽15m，中间设分隔带，两侧各设2个车道，单向行驶（），标准轴载为BZZ-100，交通量平均增长率=4.5%，路面设计年限t=15，累计当量轴次1 239 119次，设计弯沉36.3（0.01mm）。路面结构如图1所示。
图1.1 路面结构示意图
利用HPDS2003公路路面设计程序计算结果如图1.2
图1.2 工程实例计算结果
从图1.2可以看出，用工程实例中的数据进行计算，得到的路表弯沉值为36.3（0.01mm）,下面以路表弯沉值作为控制指标，通过对各设计参数的取值变化所引起的路表弯沉值的变化来分析沥青路面结果的可靠度。
土基抗压回弹模量对路表弯沉值的影响
工程实例中，土基的抗压回弹模量取值为38.5MPa,下面分别取38、37.5、37、36.5、36、35.5、35、34.5MPa，查看土基抗压回弹模量的变化对于路表弯沉值的影响。其中当土基抗压回弹模量取34.5MPa时，HPDS2003计算结果如图2.1，其余的这里不再列出。
图2.1土基抗压回弹模量取34.5MPa时计算结果
表2.1及图2.2列出了土基抗压回弹模量取值不同时的路表弯沉值。
表2.1 土基抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
图2.2 土基抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
基层抗压回弹模量对路表弯沉值的影响
分别取基层抗压回弹模量为550、500、450、400MPa，利用HPDS2003计算路表弯沉值得到表3.1及图3.1。其中当基层抗压回弹模量取500MPa时HPDS2003计算结果如图3.2。其余的计算图示这里不再列出。
表3.1 基层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
图3.1基层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
图3.2 基层抗压回弹模量取500MPa时计算结果
面层抗压回弹模量对路表弯沉值的影响
分别取面层抗压回弹模量为1200、1250、1300、1350、1400、1600MPa来查看路表弯沉值的变化，见表4.1及图4.1。其中当面层抗压回弹模量取1600MPa时，计算结果如图4.2，其余的计算图示不再列出。
表4.1 面层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
图4.1 面层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响
图4.2 面层抗压回弹模量取1600MPa时的计算结果
4.1 面层厚度为3cm时，面层抗压回弹模量对路表弯沉值的影响
HPDS2003中推荐的细粒式沥青混凝土的厚度取值范围在2.5―4cm，下面就以面层厚度为3cm时为例，讨论面层抗压回弹模量对路表弯沉值的影响规律。见表4.1.1及图4.1.1。
表4.1.1 面层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响（3cm）
图4.1.1 面层抗压回弹模量的变化对路表弯沉值的影响(3cm)
图5.1 面层厚度的变化对路表弯沉值的影响
结论
本文通过对各设计参数取不同的变化值，利用HPDS2003路面设计程序计算各种情况下的路表弯沉值，得出以下结论：
（1）由各图可以看出，无论是土基、基层或面层的抗压回弹模量变化还是面层的厚度的变化，其变化规律都近似为直线，说明路表弯沉值对于某确定变量的变化规律差别不大。
（2）由表2.1、图2.2可以看出，土基的抗压回弹模量的变化对于路表弯沉值的影响最大。
（3）基层抗压回弹模量对于路表弯沉值的影响，由表3.1、图3.1可以看出，基层抗压回弹模量匀速减小，而路表弯沉值的增加量逐渐增大。说明在基层刚度较小时，增加基层刚度能有效的减小路表弯沉值，而当基层刚度较大时，通过增加基层刚度降低路表弯沉值效果不明显。
（4）面层抗压回弹模量对于路表弯沉值的影响，本文中分面层较厚与较薄两种情况，由分析得知，两种情况下，通过增加面层刚度减小路表弯沉值的效果都很不明显，但面层较厚较之面层较薄时明显。
参考文献：
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篇8
一、分析工程结构设计可靠度
在我国新旧规范更替的过程中，在工程结构或者是结构构件设计的可靠度方面，均按照国际通用的校对法对其进行编制。本文将以其中最为常见的《建筑结构设计统一标准》为研究对象，选择其中比较具有代表性的结构体系进行分析。
1.对工程结构极限状态进行分析，极限状态可以用下列方程进行描述。 该方程式中，g（.）属于结构功能函数，而X则代表了其中的基本变量，所以对工程结构进行设计时就必须要满足g（X1，X2，X3，X4，-----X）要大于等于0.在实际使用过程中，均定义的结构如果不能完成预定功能结构，则为失效概率。如果需要对其中结构或者是构件进行可靠度方面的计算，那么可以使用可靠度指标进行度量，二者之间的关系为Pf等于Φ（-β）。该式当中，Φ属于标准的正态分布函数，而pf则属于失效概率运算数值，β就属于构件当中的可靠指标。在对β进行求解的时候，通常情况下都使用验算点法进行求解，并且基本的变量统计参数都可以使用迭代计算对其进行获取。经过分析我们发现，平均可靠指标都使用可靠度原始依据进行确认。使用算术平均的方式对其进行处理具有比较明显的漏洞。在计算过程当中，没有代入不同种类的荷载效应对于比值的影响，因为当前情况下，还没有一个妥善的应用条件来往完成统计工作，所以在实际工作中将不会考虑到该值的分布概率以及权数。
2.本文所提出的公式当中的β以及P之间虽然存在着对应的关系，但是使用β算术平均求值将P替换掉，最终的结果与二者之间的非线性关系存在较大的矛盾。经过实际计算我们发现，当P=1.0的时候，β为1.59X10-1，当P值等于2.0的时候，β等于2.28×10-2。当P值等于3.0的时候，β等于1.35X10-2，当P值等于4.0的时候，β等于3.40X10-2.通过总结二者之间的关系我们可以发现，将不同情况下的P值带入到不同的公式当中，便可以得到具有一定针对性的数值，将这部分数值先求平均，之后进行换算，但是经过换算之后求平均的数值和直接求平均得出来的数值之间存在一定的差异。分析变量之间的关系我们可以发现，如果先假设一个功能函数为A，那么A=R-S。该等式中，R即为施工中的抗力综合效应，而S即为施工中荷载的综合效应。如果R和S都属于正态的分布状况，那么A也必然是属于正太分布，根据这一情况我们可以计算出标准差以及均值。μA=μR-μS继续计算即可得到A在概率密度方面的函数 ，那么在这种情况下的工程失效概率即为 ，其中Φ代表了常规状态下的标准正态函数。分析上述函数公式可以得出结论。在失效概率的前提下进行平均换算要明显小于按照算数的方式进行平均换算。这一结论虽然是通过总结变量之间的关系得出的，但是该结论具有一定的共性，可以应用到大部分变量。
二、措施
1.结构工程中，结构安全性主要表现与结构构件自身的承载能力以及结构牢固性与耐久性等方面。对其进行设计的时候，首先要选择经济合理的方案，再进行下一步的结构分析以及设计，并且需要使用相应的规定对结构进行检测， 保证结构安全性。可靠度通常情况下都强调正常设计、正常施工以及正常使用这三方面，要根据工程的实际情况，综合施工单位的能力，保证设计的合理性。因为作为结构设计来说，必须要考虑到工程失效所带来的风险以及后果。
2.建筑结构的使用寿命不仅与设计水平、施工科学性等因素有关，同时也与维护、使用环境息息相关。对于部分没有安全检测法规的工程来说，可以在建造过程中进行强制性的安全检查，还可以保证设计可靠度，提升工程质量。
3.在施工过程中，工程结构设计的可靠程度是工程预期目标的一个重要标尺，如果可以最大程度的获取相关信息，就可以在获取信息的基础上对其进行修订，让这一设计更加的符合实际施工的需要，因为设计不一定就会满足施工当地的要求，进行修订不代表设计是错误的，反而更能提升设计的准确性与使用效率。只有把握好工程结构当中的可靠度，让可靠度具有相对一致性，才能保证工程结构设计质量。想要做到这一点，就必须同时保证结构安全与经济性两方面的原因。在抗力函数当中，通常情况下都会使用局部的多抗力系数或者是单系数却多值的方案进行设计，并且在实际使用过程中获得了较好的效果。
三、结束语
本文主要通过计算的方式，对工程结构极限状态进行了简要的分析，再提出结构设计过程当中需要注意的问题，以及问题的严重性，针对部分问题提出了相应的解决方式。希望可以为我国工程结构设计工作提供一份资料与经验。
参考文献：
[1]舒寨民.钢构件抗力分项系数及其可靠度分析[D].重庆建筑大学申请工学硕士学位论文.2013：09-11.
[2]戴国新，刘存中，郭洪.工程结构设计可靠度中的几个问题的探讨[J].重庆建筑大学学报，2011，07（13）：224-226.
篇9
重力式挡土墙因其有就地取材、施工方便、经济效益好等优点，在水利、公路、建筑、港口、铁路、矿山等工程中被广泛应用，对其进行较为全面准确的可靠性分析具有重要的意义.目前工程上大都采用定值分析方法来分析挡土墙，此法虽经长期工程实践证明为一种有效的方法，但存在明显不足之处：首先是没有考虑荷载、土的抗剪强度指标、土的容重、地下水位、材料强度等量的随机性;其次是没有考虑挡土墙倾覆破坏、水平滑移破坏、地基承载力不足破坏、整体滑移破坏的失效模式相关性.因此，有的挡土墙按定值法算出的安全系数是足够的，但实际应用时却发生了破坏，这已为国内外许多破坏实例所证实.
地震时，常因地震作用使土压力增大而造成挡土墙的破坏，因此，在地震区建造挡土墙时应考虑地震对土压力的影响.在降雨较充足的地区，土体渗流及墙体排水速度有限，引起墙后水位上升，墙后压力增大，挡土墙往往在下雨时或下雨后由于水压力增大而破坏.对于低矮的挡土墙，因墙体厚重，所受拉弯曲拉应力较低，再加上墙体自重产生的压应力又能抵消部分拉应力，因而墙身拉应力很小;对于稍高的挡土墙，除墙体厚重外，还可采用配钢筋等结构措施处理，因此，暂不考虑墙身材料强度不足的破坏.
1.1实例分析
某工程采用重力式挡土墙，墙身材料混凝土重度为γ0=24KN/m3，变异系数为0.05.断面为矩形，埋深3.2m，基坑开挖5.0m，地基土假定为单一土层，挡土墙底与土之间摩擦角为31°，地下水位高度平均值在地表以下1.0m处，变异系数为0.42.在涨水期间地下水不漫过墙顶，各土性指标的概率特性列如表1所示，挡土墙几何尺寸视为定值.
表1随机变量及其统计特征
注，随机变量之间相关性：c、φ间相关系数为-0.3，c、H0间相关系数为-0.4， φ、H0间相关系数为-0.3;其它变量相互独立。
计算得各种失效模式对应的可靠指标如表2
表2各种失效模式对应的可靠指标
考虑3种失效模式通过随机变量联系，存在相互联系，因此其可靠度必然落在一个范围之内，其失效概率一般界限可用式（6.6）求解，得
0.0084936≤Pf≤1-（1-0.0084936）（1-0.0035518）（1-0.0078464）=0.019767356
进而由Pr =1-Pf求可靠度的界限：99.15064% ≥Pr≥98.02326%
以上求出的可靠度范围较窄.故可不求挡土墙可靠度窄界限.
二、轴心荷载下桩桩基础的可靠度计算
对挡土墙等结构进行的可靠度计算均为地上结构的可靠度计算.在结构设计中地下结构的可靠度计算也具有很重要的工程意义，本节对基础工程中轴心荷载下桩基础的可靠度计算进行分析。
打入砂层的混凝土摩擦桩，其承载能力一般可以认为是由混凝土的抗压强度和土对桩的支承能力来确定.假设本桩断面是圆形的，则与土对桩支承能力不足相对应的功能函数为
三、偏心荷载下桩底压浆灌注摩擦桩基础的失效模式与可靠度窄界限
以下对桩基最一般的工作状态偏心荷载作用下进行可靠度分析，就偏心荷载下桩底压浆灌注摩擦桩基础失效模式与可靠度的窄界限进行研究。
桩底压浆灌注桩是新近开发的新型摩擦桩，具有承载力高、沉降小、造价低等优点，现己用于实际基础工程中，对其可靠度的合理评价具有重要的工程意义.然而在现行的土力学地基与基础之中，摩擦桩基础设计仍是采用传统的安全系数法，由桩身材料强度和土对桩的支承力来确定单桩竖向承载力，然后由单桩竖向承载力来确定桩数及桩的布置，再对各桩进行承载力验算，并验算群桩地基强度.这种方法有明显不足之处.首先是没考虑桩身材料强度、地基强度、荷载效应等量的随机性;其次是没考虑桩身材料强度不足、土对桩的支承力不足、群桩地基强度不足的失效模式相关性，与实际情况有所偏颇.虽然有过对单桩可靠性分析的文章，但考虑桩身材料强度、土对桩的支承力、群桩地基强度对整个摩擦桩基础进行可靠度窄界限分析的研究却很少，对于桩底压浆灌注桩基础的可靠度窄界限研究更少.本节从桩身材料强度、土对桩的支承力与群桩地基强度等3方面考虑桩底压浆灌注摩擦桩基础的失效模式，利用JC法求其单项可靠度，再考虑失效模式通过随机变量联系，存在相关关系，求其可靠度的窄界限.
四、总结
在基础工程中重力式挡土墙和桩基础，长期以来采用安全系数法，尽管这一方法已使用多年，但对安全系数大小的取值，则是根据工程事故率的高低来不断调整的，这不免要以过大的材料浪费和潜在的巨大经济、生命损失为代价。而且由于设计中不确定因素的存在，特别是土工参数的不确定使得按传统方法设计的挡土墙出现了许多工程事故，基础工程可靠度理论正是在这一背景下发展起来的。结构工程实践说明，结构强度、结构所受载荷、结构的几何尺寸等众多均是随机变量，基于概率统计理论的可靠度设计方法，已在土建、水利、道路、矿山、机械等众多工程领域得到了广泛应用。但由于影响构件和结构可靠性因素的随机性与复杂性，对于结构进行有效、准确的可靠性评价的研究仍方兴未艾。
随着国内各部门可靠度规范改革的进一步深入及岩土工程可靠度研究的进一步开展，作为土木工程、水利水电工程建筑、房屋建筑工程、道路工程结构、铁路路基工程、港口工程等重要组成部分的挡土墙结构和桩基础的设计采用可靠度方法已是大势所趋。所以现在结构可靠度理论在基础工程中的应用是十分重要的。
参考文献
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篇10
中图分类号：TU198文献标识码： A
现今的建筑业在钢筋混凝土结构施工过程中，建筑单位不仅要保证整个工程结构的安全性，更要努力抓紧工程进度从而缩短工程的施工周期。为了达到上述两个方面的效果，在施工期必须有一个合理、安全的结构设计。但就目前我国的钢筋混凝土结构设计规范及施工规范来看，并没有对施工期结构的安全要求做出明确的要求，从而使得我国施工期结构安全事故发生率明显高于使用期结构安全事故发生率。对钢筋混凝土结构施工期的安全性研究，涉及结构在施工过程中的结构特征、抗力、荷载、荷载效应。 建筑结构的风险概率随着结构的寿命不断变化。在结构寿命的初始阶段――施工阶段结构的风险概率最大,如果处理不当,很容易导致安全事故的发生。因此开展对施工期结构安全的研究是十分紧迫而必要的。 结合工程实际调查,提出了影响施工期结构安全性的主要因素,并进行了相应分析。 从施工荷载和钢筋混凝土构件早期承载性能两方面着手对施工期结构的特性做了浅要研究。总结归纳了施工荷载的主要种类,针对梁、板、柱三类主要受力构件的早期承载力性能在进行合理假设基础上进行研究。针对施工期结构的时变性特征,提出了一种分析施工结构的简化分析法――模块化方法,大大提高了分析效率。提出了一种将施工结构受力分析与抗力分析进行统一,从而对施工结构安全进行控制的参数:安全因子。 下面我就施工期荷载进行分析介绍：
一、施工期荷载的特点
（1）随着施工过程的不断进行，施工期结构的荷载类型也不断发生着变化。如在楼板浇注时，模板与支架的重量就应该归为恒荷载的范畴；但是当浇筑完成、模板拆除时，附近单元拆下来的模板与支架堆就应该归为活荷载。
（2）在施工期由于混凝土内含有大量的水分，随着水分的蒸发以及混凝土的不断收缩变化，混凝土的重量也会随之产生变化。所以，虽然混凝土在正常使用过程中的重量变化是可以忽略的，但在施工期混凝土重量的变化是影响施工结构安全的重要因素。
（3）由于施工所在地的经济、地理、结构类型以及施工单位的现场管理水平、施工方案、环境温湿度、施工场地条件等因素的影响，从而使得在施工的不同阶段所产生的活荷载类型有很大的不同。
（4）一些处于施工期的工程活荷载有着显著的动力荷载特征，荷载效应大大增加，按照相关规定的要求对于此类的活荷载应该乘以1.1～1.3的动力系数；某些建筑材料堆积在建筑中的局部面积上，这些材料堆就会以集中荷载的形式出现。
二、施工期抗力的特点
1、施工期与正常使用期抗力的异同
2、不同阶段抗力的变化存在着较大的差异
在施工期内钢筋混凝土结构的抗力会随着时间的不断增加而逐渐增长，这一增长值在前期会较大。当达到28 d龄期后，增长值会逐渐变小，而抗力也会逐渐接近设计时所要求的范围。而在使用期前期结构的抗力变化较小，但随着时间的推移，混凝土碳化、钢筋腐蚀的影响从而使得整个结构的抗力逐渐下降。 转贴于 中国论文下载
3、抗力分析的时间有着很大的差异
根据相关建筑结构可靠度设计统一标准的规定，一般建筑的设计基准期为50 a，但结构施工期只有2～3 a。施工期的抗力分析应该归为短暂工况抗力分析，一些外界因素的影响可忽略不计，如地震作用、强风作用等。
4、施工期抗力的影响因素
影响钢筋混凝土结构构件抗力的主要因素有混凝土时变强度、钢筋与混凝土间黏结、早期抗力计算方法、构件几何尺寸、纵筋配筋率、钢筋类别等。 在施工期中，混凝土的抗压强度与浇注龄期呈正比关系，而早龄期构件的抗力直接受混凝土强度的影响，早龄期构件抗力的增长速度又与拆模时间有着密切的关系。在实际工程中，混凝土强度的推算是以同条件下养护试块为依据的，因此，进行必要的试块与实体强度的对比分析，在施工期中的安全分析上是一种有效的手段。
5、施工期结构的可靠度
相比较于使用阶段和老化阶段，在施工期结构的整体风险较大。所以，进行钢筋混凝土结构施工期可靠度和安全性分析是必要的，而且这一分析应该建立在准确把握荷载及荷载效应、抗力的时变特性及可靠度指标合理计算的基础上。在我国现在对施工期结构的可靠度分析方法较少，并且对施工荷载的统计资料很不全面。在建筑施工期内，安全性和可靠度的分析是随时间的变化而不断变化的，多数情况下，采用的是离散型的时间冻结进行处理，把施工期建筑结构化为一序列时不变结构进行受力分析，研究结构工作过程中若干最不利状态，在每个状态的分析过程中均不考虑结构性能随时间的变化。在实际分析中，首先力学分析的最不利工作状态的确定，应根据建设经验、现场调查、结构特点和建造过程确定；其次确定各个最不利工作状态的荷载种类，并对其进行适当的荷载组合；最后确定在结构强度、刚度和稳定性计算校核中使用的安全系数，并考虑结构所处的工作状态及其在各个工作状态的持续时间、施工超载发生的概率等因素的影响。
施工期结构构件的可靠度应根据实际施工过程中结构的外形、施工进程、材料性能的变化来进行计算。定义结构施工期各施工进程的经时结构功能函数为：
Z（t）＝R（t）－SG（t）－SL（t）
篇11
0引言
随着我国经济的迅猛发展，国民对于建筑物使用追求的期望值也日趋增高，继而各式各样的建筑开始不断兴建，并且在国民经济中发挥着重要的作用，但是随着使用年限的增加和工作环境的劣化，这些结构的承载能力和使用寿命肯定会逐年降低，破损将是一个必然的、不可逆转的过程，因此从国家宏观经济的长远发展角度出发，为了节约能源和资金，相关的从业人员有必要对建筑物的可靠性进行全面科学地鉴定与分析，以保证建筑物在服役期间具有最优的可靠度水平，进而完成延长结构使用寿命的任务与目标。
1可靠性与可靠度之间的关系
我国《建筑结构可靠度设计统一标准》[1]中同时对结构可靠性和结构可靠度分别进行了定义。
结构可靠性:结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。
结构可靠度:结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。
通过定义不难看出结构可靠性主要强调结构完成预定功能的能力，它的度量是通过结构可靠度来反映的，也就是说一个系统的可靠度反映了对工程设计的综合性要求，表现了安全和经济的统一，并且可用以协调工程的近期投资和长远效益之间的矛盾。
结构可靠性鉴定则是以结构可靠度设计的概念和实用方法为基础发展起来的。自1638年伽利略奠定了现代建筑力学基础以来，工程结构设计方法经历了容许应力设计法破损阶段设计法极限状态设计法的过程，目前采用较多的是极限状态设计法。
2结构的不确定性
工程结构需要有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中，具有种种影响结构安全、适用、耐久的不确定性。这些不确定性，很早以前就受到人们的重视。
早期，人们采用安全系数法来笼统地考虑影响结构安全的各种不确定性，设计方法为容许应力法。容许应力法的优点是使用方便，一般情况下能够满足使用要求，缺点是安全系数全凭经验选取，缺乏科学依据，不能定量地确定安全性。所取的安全系数不能说明结构的可靠程度，因为材料强度、作用效应的概率分布没有被考虑。不同的工程采用的安全系数往往有不同的可靠性。基于可靠度的思想来对工程结构进行设计是土建工程的一大进步[2]。它用数学方法对工程建设的各个环节进行分析，建立了有明确可靠指标的结构设计方法。用可靠指标代替了原有的安全系数，结构的失效概率得到量化。自 1969 年A． M． Frendenthal 教授提出将可靠性理论用于结构工程领域后，经过半个世纪的努力，结构可靠性分析已经从理论研究阶段进入实用阶段。
结构在经过设计、施工等一系列工序后由最开始的虚拟模型计算转变为现实的空间实体, 这时相应的一些问题也就产生了，最早设计时考虑的随机因素, 如荷载、荷载效应、材料性能、构件几何参数等, 会改变其不确定的程度, 甚至转变为客观上确定的因素。而同时因为材料选择、施工等因素引起的不确定性却随着结构的建成而消除。
就简单的从荷载方面来说吧, 现有结构上的活荷载和设计中的活荷载具有程度不同的随机性, 因为设计中活荷载的统计特性是针对某类建筑的,而现有结构上活荷载的统计特性则应针对特定的具体建筑, 两者的变异性往往有很大差别，同时结构自重在结构建成之后不应再是随机的, 而是客观上确定的量。
此外, 一些随机因素的不确定性还与人类的控制行为有关, 如设备运行荷载、屋面积灰荷载的随机性便与实际的设备管理制度、清灰制度及其执行情况有关。这些结构的不确定因素都需要我们相关的从业人员在各自的工作环节中做出仔细的分析。
3影响可靠度鉴定的因素
3．1 建筑物在使用期内可能会遭受自然灾害侵蚀，而自然灾害会使建筑物在不同程度会受到损害，需要通过技术手段对受损建筑进行安全鉴定及维修加固施；
3．2 因地质勘察、设计、施工等因素对建筑结构造成质量缺陷，就需要对建筑物的安全性进行评估，然后运用相关技术手段进行加固或补强处理；
3．3 随着建筑物的使用时间的增长，建筑物性能会逐渐衰退，再加上碳化、腐蚀、碰撞、冻融等不利因素作用，建筑物的可靠度水平将逐渐降低，甚至有可能危害人们的生命安全；
3．4 随着社会经济和文化的发展，人们对居住、工作环境的要求发生巨大的变化，导致相当数量的老旧建筑的功能不在适用，这就需要对这些建筑进行技术改造；
3．5 建筑物的可靠性鉴定也为法律仲裁、质量纠纷、合同理赔、房屋保险投保等提供依据。而且通过结构可靠性鉴定，对为末办理相关产权的既有建筑的产权办理及银行抵押贷款提供了必要条件；
3．6 受不同时期经济环境和政治形势影响， 有的房屋建造时未按基本建设程序进行，导致房屋工程质量不能得到有效保证，并且这些建筑均在不同程度上存在各种安全隐患，需要经过安全性鉴定，并依赖定期检查来保证其安全使用；
3．7 维修改造既有建筑有着巨大的经济和社会效益，与新建建筑物相比，维修改造具有投资少、工期短、省空间等优点，这些均会带来显著的经济和社会效益。
4 可靠指标的确定以及常用的鉴定方法
4.1 设计可靠指标的确定
在实际设计中，限于目前的条件，并考虑到标准规范的现实继承性，现行统一标准中给出的可靠指标值是采用“校准法”确定的[3]。即通过对现行设计规范安全度的校核，利用反演计算，找出按原规范设计在结构中隐含的相应可靠指标值，经综合分析和调整，以此来制定基于概率分析的可靠性设计的目标可靠指标。这在实质上是充分考虑到了工程建设长期积累的实践经验，继承了原有设计规范规定的可靠度水准，接受了其总体上的合理性。目前我国统一标准中采用的可靠指标如表1 所示。
表1 结构构件承载能力极限状态的可靠指标
破坏类型 安全等级
一级 二级 三级
延性破坏 3.7 3.2 2.7
脆性破坏 4.2 3.7 3.2
4.2 结构可靠性常用的鉴定方法
目前，结构可靠性鉴定方法大致包括: 传统经验法、实用鉴定法、概率鉴定法、人工神经网络鉴定法和响应面法等[4]。
1) 传统经验法。传统经验法是以原设计规范为依据，根据个人专业知识和工程经验，然后对建筑物的可靠性给出评价的一种经验判定方法。此方法鉴定程序简单，荷载计算以实际调查为准，材料强度取值一般按经验确定，受个人主观因素影响较大，缺乏准确数据。因此，难以对结构的性能和状态做出全面的分析，评判过程缺乏系统性，鉴定结论往往因人而异。
2) 实用鉴定法。实用鉴定法是在经验鉴定法的基础上发展起来的，应用各种检测手段对建筑物及其环境条件进行周密的调查、检测、测试结构的主要力学性能参数，然后经统计分析后用于结构的分析计算，由此判定建筑物的性能和状态，全面分析建筑物所存在问题的原因。然后，以现行标准规范为依据，按照统一的鉴定程序和标准，从安全性、使用性多个方面综合评定建筑物的可靠性水平的方法。与传统经验法相比，该法鉴定程序科学，实用鉴定法十分强调检测手段和试验数据，试验数据准确可靠，对建筑物性能和状态的认识较准确和全面，可以为建筑物维修、加固、改造方案的决策提供可靠的技术依据。
3) 概率鉴定法。在实用鉴定法的基础上，运用概率论和数理统计原理，进一步利用统计推断方法分析影响特定建筑物可靠性的不确定因素的评定方法。概率鉴定法则针对具体的既有建筑物，找出建筑物在正常使用条件下和预期的使用期限内发生破坏或失效的概率，通过对建筑物和环境信息的采集和分析，评定建筑物的可靠性水平，确定结构的使用寿命。应用该方法得出的鉴定结论更符合建筑物的实际状态。
4) 人工神经网络鉴定法。人工神经网络是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。具有高度的并行处理、联想记忆、良好的自适应性和自组织能力。它无需预先确定系统的模型，而是以实验或实测数据为基础，经过有限次迭代计算，从而获得一个反映实验或实测数据内在规律的数学模型。由于人工神经网络具有较强的学习功能和容错性，可以模拟专家推理，因此神经网络在结构评定中的应用日益受到重视。
5) 响应面法。响应面法是近年来发展起来的进行可靠度分析的一种有效的方法，其思想是通过一系定性试验拟合一个响应面来模拟真实的极限状态曲面。从本质上讲，响应面是统计学的综合实验技术，用于处理几个变量对同一体系或结构的作用问题，也就是体系或结构的输入与输出的转化关系问题。
5 结语
对结构进行可靠性鉴定是对结构现状和未来工作能力了解和掌握的必要途径，鉴定方法的发展在一定程度上还要依赖于鉴定手段和技术的发展，理论上的突破同样是不可或缺的重要条件，合理的鉴定方法是对结构设计和结构可靠性鉴定安全性的重要保证，也是实现结构使用寿命延长的必要环节。
[1] GB50153—2008, 工程结构可靠性设计统一标准 [ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.
篇12
1引 言
在隧道设计施工中，复合支护已成为广泛采用的一种支护形式。这种支护的结构层通常由两层或者三层组成。其中外层常为喷射混凝土层或是与锚杆、钢支撑、格栅的联合支护，称为初期支护。初期支护的作用在于：保持隧道断面的使用净空，承受可能出现的各种荷载，与永久支护相互配合。因此评估初期支护的安全状况对于隧道安全施工及正常使用具有重要的意义。应用可靠性理论和推行概率极限状态设计，是当今国内外工程结构发展的必然趋势，也是提高我国工程结构设计水准的有效途径。
隧道工程的特点是影响作用效应的随机变量多，包括岩土、支护结构的各种物理力学特性及几何尺寸的随机变异。这些随机变量与作用效应的关系复杂，常常难以用简单的显式函数表达出来，而且其主要影响作用的随机变量的变异性和离散性都比较高，它们对可靠度的影响比计算模式不定性的影响大得多。一般的泰勒技术展开和摄动法为基础的随机有限元方法，对于变异性较大（大于0.2时）的随机结构分析结果都将带来较大的误差。隧道衬砌作用效应分析面临的问题是：能否找到保证分析精度和能近似反映各种随机变量与作用效应显式函数的有限元分析方法，以满足隧道截面可靠度分析和隧道系统可靠度分析的需要。经过几年来对各种方法实现结构可靠度分析的可行性，发现蒙特卡罗响应面法能够很好的模拟隧道围岩参数的不确定性，适合用于分析隧道初期支护的可靠度，具有很强的可操作性。
2结构可靠度的基本理论
2.1结构可靠度与极限状态
结构的安全性、适用性和耐久性这三者总称为结构的可靠性，可靠性的数量描述一般用可靠度。极限状态是衡量结构完成各项功能的标志，主要用来分区结构工作状态的可靠程度。结构的极限状态一般分为三类:①承载能力极限状态，这种极限状态对应于结构达到最大承载能力，或达到不适应于极限承载的变形；②正常使用极限状态，这种极限状态对应于结构达到正常使用和耐久性的各项规定极限值；③逐渐破坏极限状态，指偶然作用后产生的次生灾害限度，即结构因偶然作用造成局部破坏后，其余部分不发生连续破坏的状态。
在结构可靠度分析中，结构的极限状态一般由功能函数加以描述。当有n个随机变量影响结构的可靠度时，结构功能函数为：
（2-1）
式中：，为结构上的作用效应、结构构件的性能等基本变量。
当Z>0时，结构处于可靠状态；当Z=0时，结构处于极限状态；当Z
（2-2）
称为结构的极限状态方程，它是结构可靠度分析的重要依据。
2.2结构可靠度与失效概率
结构功能函数出现小于零（Z
设功能函数仅与荷载效应S（荷载引起结构构件的内力、位移等）和结构抗力R（结构抵抗破坏或变形的能力，如极限内力、极限强度、刚度以及抗滑力、抗倾力矩等）两个正态分布随机变量有关，则结构承载能力的功能函数为
（2-3）
当Z>0时，结构处于可靠状态；当Z
（2-4）
即失效概率和可靠度的关系为。
在工程实际中，R、S不一定为正态分布，这时可根据R、S的概率分布函数，通过积分求解结构的可靠度和失效概率。
2.3结构可靠度与可靠指标
以极限状态方程Z=R-S的两个正态的变量R和S为例。首先把Z的正态分布转换为标准正态分布，由概率论知识可得到失效概率的表达式，再引入符号，并令得到失效概率
（2-5）
式中为无因次的系数，称为可靠指标。利用可靠度与失效概率的关系，得到可靠度与可靠指标之间的关系为：
（2-6）
可见：可靠指标是失效概率的度量。可靠指标越大，则失效概率越小，可靠度越大，因此，可以表示结构的可靠程度。
如果R和S非正态分布，可以算出Z的均值和标准差，再由计算出近似的可靠指标。
3蒙特卡罗有限元法
蒙特卡罗方法，又称为随机抽样（Random Sampling）技术或统计试验(Statistical Testing)方法。其基本原理为：由概率定义知，某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算，当样本容量足够大时，可以认为该事件的发生频率即为其概率。因此，可以先对影响其可靠度的随机变量进行大量的随机抽样，然后把这些抽样值一组一组地代入功能函数式，确定结构是否失效，最后从中求得结构的失效概率。
有限元法是解决复杂结构问题的一种数值模拟技术，蒙特卡罗与有限元法相结合，形成独特的统计有限元法，该方法通在过计算机上产生的样本函数来模拟系统的随机输入量的概率特征，并对每个给定的样本点，进行确定性的有限元分析，从而得到系统的随机影响概率特征。
支护结构的破坏概率可以表示为:
（3-1）
式中,是具有n 维随机变量的向量；是基本随机变量X的联合概率密度函数。
当采用蒙特卡罗法表示工程结构的破坏概率，则式（1）式为：
（3-2）
式中，N为抽样总数；当时，；反之，；冠标“⌒”表示抽样值。
式（2）的方差为：
（3-3）
当选取95%的置信度来保证蒙特卡罗法的抽样误差时，有
（3-4）
或者以相对误差来表示，有
(3-5)
考虑到通常是一个小量，则上式可以近似地表示为：
或(3-6)
当给定时，抽样数目N就必须满足
(3-7)
这就意味着抽样数目N与成反比；当是一个小量，即时，N=10-5才能获得对的足够可靠的估计。而工程结构的破坏概率通常是较小的，这就要求N必须有足够大的数目才能给出正确的估计，很明显，直接蒙特卡罗法是很难应用于实际的工程结构的可靠性分析中，只有利用方差减缩技术，降低抽样模拟次数N，才能使蒙特卡罗法在可靠性分析中得以应用。
抽样方差减缩技术常用的有：对偶抽样技巧，条件期望抽样技巧，重要抽样技巧，分层抽样法，控制变数法，相关抽样法等，现采用较易编程实现的对偶抽样技巧。
假若U是一组[0,1]区间均匀分布的样本，且相应的基本随机变量为X(U)，X服从概率密度函数的分布，也存在I-U和X（I-U），并且与U和X(U)呈负相关，那么工程结构的破坏概率的模拟估计为：
（3-8）
很明显，式（8）是无偏估计，且模拟估计的误差为
（3-9）
其中，与呈负相关，。可以看出：模拟抽样技巧并不是改变原来的抽样模拟估计过程，只是利用了抽样子样的负相关性，使得抽样数目N得以减少。
4随机有限元响应面法
4.1响应面法原理
当功能函数Z与各随机变量的关系表达式很难直接给出时，可用响应面方法设计一系列变量值，每一组变量值组成一个试验点，然后逐点进行结构数值计算，得到对应的一系列功能函数值。通过这些变量值和功能函数值来拟合一个明确的函数关系，以近似代替难以直接表达的真实函数，从而进行可靠度分析。
本文采用二水平分数因子设计法[6]，其计算步骤为：
（1）根据每个变量的均值和标准差，求得每个变量的两个水平： (高水平)和 (低水平)，其中和分别为随机变量的均值和标准差；
（2）根据需要确定的响应面函数系数的数目，用每个因子的两个水平设计出相应的组合数，即所谓的设计矩阵[D]，例如具有3个独立变量X1 ，X2，X3的问题，其响应面函数的精确拟合为：
（4-1)
式中：a0 ，a1，a2，…，a123为8个系数，因此，需要X1 ， X2 ，X3 的8种组合才能求得，故设计矩阵如表1左部分所示，表中的“+”，“－”分别代表前述的两个水平；
（3）根据设计矩阵中所列的因子组合，用有限元方法分别进行分析，即可得计算点响应值z1，z2 ,…， z8={z}，求解联列方程组得到响应面函数的系数矩阵：
表1 设计矩阵和X矩阵
计算
次数 设计矩阵[D] X矩阵
1 － － － － － － ＋ ＋ ＋ －
2 ＋ － － ＋ － － － － ＋ ＋
3 － ＋ － － ＋ － － ＋ － ＋
4 ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋ － － －
5 － － ＋ － － ＋ ＋ － － ＋
6 ＋ － ＋ ＋ － ＋ － ＋ － －
7 － ＋ ＋ － ＋ ＋ － － ＋ －
8 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
(4-2)
（4）对随机变量对随机变量X1，X2，X3 进行无因次化处理，使其具有零均值和单位标准差，根据统计学最小二乘原理，可以建立一个用于系数估计的X 矩阵，列于表1的右部分，则系数的最小二乘估计可由下式得到：
(4-3)
（5）根据概率论，从式(4-3)可得到响应值的数字特征即均值和方差，注意到因子具有零均值和单位标准差，并略去二阶以上的影响，则可得：
(4-4)
(4-5)
3.2 极限状态方程
根据现行隧道设计规范的衬砌截面抗拉和抗压检算式，建立初期支护截面抗拉极限状态方程和抗压极限状态方程[7]，抗拉极限状态属正常使用极限状态，而抗压极限状态则属承载能力极限状态。
（1）当偏心矩时，截面抗压强度控制承载能力，响应的抗压极限状态方程为：
（4-6）
式中：N为计算所得的轴力（即荷载效应）；为抗力计算模式不定性；b为纵向宽度，取1m；t为截面厚度；为偏心影响系数；为混凝土抗压强度。
（2）当偏心距时，截面抗拉强度控制承载能力，相应的抗拉极限状态方程为：
（4-7）
式中：M为计算所得截面弯矩，为混凝土极限抗拉强度，为荷载效应计算模式不定性。
上述极限状态方程中，荷载效应N和M的统计特征可由有限元响应法求得，其他随机变量的统计特征可通过最大量的现场调查、试验获得。
3.3计算可靠指标验算点法
设结构的极限状态方程为：
（4-8）
式中：,,…, 服从正态分布且相互独立。
方程可能是线性的，也可能是非线性的。它表示为坐标中的一个曲面，这个曲面把n维空间分成为安全区和失效区两个区域。
引入标准化整体随机变量，令
（4-9）
则极限状态方程在坐标系中表示为：
（4-10）
可靠的指标就是标准正态坐标系中原点到极限状态曲面的最短距离，也就是点沿其极限状态曲面的切平面的法线方向至原点的长度，此时发现的垂足为“设计验算点”。
因此极限状态曲面的在点的法线对坐标向量的方向余弦为（关于坐标系的方向余弦与关于原坐标系的方向余弦相同）
（4-11）
由余弦的定义，可知
又由
所以
（4-12）
因此可得设计验算点在原坐标系的坐标，即
（4-13）
式中，，为随机变量的平均值和标准差。
因为是极限状态曲面上的一点，因此满足极限状态方程，即
可以联立上边两式求解，即
（4-14）
一般宜采用逐次迭代解上述方程组。
当基本变量为多维正态分布时，可直接计算所得的估计隧道软弱围岩初期支护的失效概率。但是，在软弱围岩初期支护的极限状态方程中，常包括非正态分布的基本变量。对于这种极限状态方程的可靠度分析，一般要把非正态随机变量当量化或者变换为正态随机变量。
5结束语
地下结构含有大量的随机因素，在分析其作用效应时，必须采用随机分析方法。蒙特卡罗-有限元法及响应面法是分析隧道衬砌结构作用效应的有效手段。只要字样数目足够大，蒙特卡罗法就可得到足够精确的结果。在特性参数样本数量较小时，使用响应面法所得结果与蒙特卡罗法结果非常接近，可作为支护内力统计特征的一种比较省时且足够准确的方法。
参考文献
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篇13
近年来我国经济快速发展，人们对出行的需求越来越多，由此也带动着我国交通事业的快速发展，私人汽车数量的不断增加。与此同时城市道路供给与运输需求的矛盾也日益尖锐，不少城市的道路桥梁已经很难满足日益增加的运输需求，出现超负荷疲劳运作的现象，加之部分车辆存在超载，道路桥梁病害问题时有发生。路桥病害的发生不仅缩短了其使用寿命，给国家和人民带来巨大的经济损失，还为交通运输安全埋下了隐患，近年来由于路桥坍塌造成的事故也时有发生。
1、桥梁结构设计的耐久性问题
许多设计人员理论水平欠缺，对设计理论的理解深度不够，设计时生硬的套取规范和采用标准图式，而忽视从结构体系结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性和耐久性。设计人员主观能动性表现欠缺，实践经验不足，本本主义思想较严重。用静态思维去解决不断进步发展的技术问题，桥梁在不同的环境和使用条件下和不同的设计对象都会对结构体系得出不同的布局和构造要求，规范再详细也不能代替应由设计人员解决的各种问题，规范更新再快
也适应不了新技术、新材料、新工艺快速发展对结构设计提出的各种新要求，目前的设计可视为静态设计，过于偏重设计建成时期结构的工作和服务能力而对使用期实际的性能表现随时间的劣化缺乏足够的认识和考虑。从经济性上讲，考虑建造成本多，而忽视了营运的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益，因此，合理可靠的结构设计除了满足规范要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确认识。
2、桥梁结构设计的可靠性问题
结构设计要解决的根本问题是：在安全适用与经济合理之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使建造的结构满足下列各项预定功能要求：①正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳定性；②在正常使用时，结构具有良好的工作性能，不会产生过大的裂缝和变形；③在正常维护下，结构具有足够的耐久性能，不会过早地发生破坏。在上述功能要求中，第一项关系到人身安全，因此称其为结构的安全性；第二项关系到结构的适用性；第三项关系到结构的耐久性。安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。结构可靠性的数值度量用可靠度，其安全性的数值度量则用安全度。静态和瞬态动载作用下结构可靠性研究的重点是结构的安全问题，循环荷载作用下结构可靠性研究的重点通常是结构的耐久性问题。
桥梁可靠性设计研究内容是：在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下，根据规定的目标可靠指标，选择结构（构件）截面几何参数，使结构在规定的时间内，在规定的条件下，保证其可靠性不低于预先给定的值。可靠性的数量描述一般用可靠性。我国对结构可靠性的研究只限于理论方面，且侧重于可靠性设计方面，对结构耐久性方面的研究，特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。实际上对现有桥梁结构作出正确的可靠性评估，准确预测出其剩余寿命，才能保证结构在寿命延续期内的安全性，节省大量的维修加固资金。
我国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态不重视使用极限状态；重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护，使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏（如结构开裂、变形过大等）所导致，从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性，减少早期桥梁病害，从而节约后期桥梁的维修费用，因而对桥梁结构可靠性的研究非常必要和迫切。
3、桥梁结构可靠性设计
结构设计方法从可靠度理论来说，基本上可分为经验安全系数设计法和概率设计法两类。经验安全系数设计法，是将影响结构安全的各种参数按经验取值，一般用平均值或规范规定的标准值，并考虑这些参数可能的变异对结构安全性的影响，在荷载与强度计算中再取用安全系数x。概率设计法则是将影响结构安全的各种参数作为随机变量，用概率论和数理统计学来分析全部参数或部分参数，或者用可靠度分析结构在使用期限内满足基本功能要求的概率。当前的发展趋势是，结构设计正逐步由经验设计法向概率设计法转变。在目前阶段，按其发展进程国际上通常将基于可靠度的设计划分为3个水准，即水准I、水准Ⅱ和水准Ⅲ。
3.1水准I—半概率设计法
这一水准设计方法的特点是，虽然在荷载和材料强度上分别考虑了概率原则，然而，它把荷载和抗力分开考虑，而不是从结构构件的整体性出发考虑结构的可靠度，因而无法触及结构可靠度的核心—结构的失效概率，并且各分项安全系数主要依据工程经验确定，所以称其为半概率设计法。目前我国大部分现行公路桥梁结构和路面结构设计规范所采用的设计理论都属于这一水准。半概率设计法基本上分为如下3个步骤：①按照概率取值原则确定极限状态函数中抗力变量值和荷载变量s的标准值；②半概率地（根据工程实际经验）规定材料设计强度及设计荷载；③由材料设计强度值计算出截面抗力R，由设计荷载计算出荷载效应，并进行判断。
3.2水准Ⅱ—近似概率设计法
这是目前在国际上已经进入实用阶段的概率设计法。它运用概率论和数理统计，对工程结构、构件或截面设计的“可靠概率”，做出较为近似的相对估计。我国《工程结构可靠度设计统一标（GB50153—2008）及《建筑结构设计统一标准》（GB50068—2001）《铁道工程结构可靠度设计统一标准》（GB50216—94）以及《公路工程结构设计统
一标准》（GB/T50283-1999）等采用的以概率理论为基础的一次二阶矩极限状态设计方法就属于这一水准的设计方法。虽然这已经是一种概率方法，但是，由于在分析中忽略了或简化了基本变量随时间变化的关系；确定基本变量的分布时受现有信息量限制而具有相当的近似性；并且，为了简化设计计算，将一些复杂的非线性极限状态方程线性化，所以，它仍然只是一种近似的概率法。不过，在现阶段，它确实是一种处理结构可靠度的比较合理且可行的方法。本书第三章将对此予以详细讨论。
3.3水准Ⅲ—全概率设计法，对结构采用较精确的概率分析
对各基本变量，如荷载、材料性能、几何尺寸、计算精度等分别采用随机变量或随机过程概率模型描述，求得结构的最优失效概率直接度量结构可靠性。由于对基本变量的客观规律了解不足，采用全概率法还存在一定困难。目前仅对某些特殊重要结构如核电站等采用全
概率法进行研究分析。结构系统的可靠度分析，许多学者对此从不同角度进行了研究，提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统可靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等，同时，一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。
