【摘要】随着水工结构的复杂性不断增加，传统水工结构的设计方法已不再适用于水工结构可靠度设计。水工结构可靠度的设计方法是基于概率理论为基础，是应用一种极限状态下的设计方法。本文主要是基于已有的研究和实践工作经验，系统分析水工可靠度设计方法及推广应用题中所面临的主要问题。
【关键词】水工结构；可靠度；设计方法
传统水工结构设计方法并没有考虑随机性因素，大多数采用单一的安全系数方法，是一种确定性的设计方法。随着工程结构的复杂性和事件的不确定性，水工结构设计正慢慢发展为一种概率设计的方法，这种设计方法是以结构可靠度为依据，解决结构的刚度、强度、稳定性等问题。目前，结构可靠度作为一项科学理论已在水利、土建、航空等多个领域得到广泛的应用和发展。
1、水工结构可靠度设计方法
1.1 理论基础
结构可靠度理论指导水工结构工程的设计工作，其先进性将成为未来水工结构设计的发展方向。目前，水工结构设计主要采用极限状态的设计方法，该方法以概率理论为基础，将结构承受的抗力、作用力等参数作为随机变量处理。结构极限状态可以通过结构极限状态方程来表示，其表达式为Z=g（R，S）=R-S， R表示抗力，S表示作用效力。Z小于0的概率即失效概率Pf效率与可靠度之间是互补关系，即可靠度（Pr）=1-Pf。
以概率论为基础的可靠度设计理论可以发展为三个水准。水准Ⅰ是一种半经验、半概率的设计方法，首先是确定影响结构安全的相关因素，如材料的荷载和强度，应用数理统计方法对其分析；并在此期间引入经验数据，该方法并不能精确的计算出结构设计的可靠概率。水准Ⅱ是一种近似概率的设计方法，将R和S作为随机变量，根据存在的概率估算出结构设计过程中的可靠概率或失效概率，利用均值和标准差等指标线性处理表达式。标准Ⅲ是一种全概率设计方法，将全部的随机变量进行概率分析，但是使用该方法计算可靠度会导致问题的复杂化，因此该方法并没有得到广泛使用。
1.2分项系数极限状态表达式
分项系数极限状态表达式在水工结构可靠度设计中得到了广泛的应用。分项系数极限表达式在应用之前，应明确材料性能分项系数m和作用分项系数F的概念，可能存在一种不确定性，同时具有降强、超载的物理概念，但是这种不确定性与结构类型无关。其中材料试件的变异性决定了系数m的取值，作用本身的变异性决定了系数F的取值。另外，水工结构系数d表示了结构抗力的不确定性，同时充分体现了除m、F外的其他分项系数。由此可以得出分项系数极限状态的表达式为：
由此可以得出，水工结构可靠性系数与构建密切相关，水工结构的可靠性指标由水工结构的安全等级确定。据相关标准规定，水工结构安全等级以Ⅱ结构为基础，水准Ⅰ和Ⅲ结构系数由此转化得到，分别为1.1和0.9。
1.3 目标可靠指标的确定方法
目标可靠性指标的确定与工程造价、投资风险、维护费用等因素有关，这些因素充分体现了结构安全性与经济性之间的平衡，同时也表达了水工结构设计的可靠度。目标可靠指标的设计不仅仅体现了工程设计的可靠性，还充分体现了国家经济和科学技术的发展，全面考虑了国家综合性技术经济问题。选择可靠性指标一般包括三种方法，事故类比法、经济优化法和经验校准法。在实际应用中，事故类比法和经济优化法的方法不常用，一般主要采用经验校准法确定可靠性指标。即校核现行设计规范的安全度，通过反演计算，寻找规范中隐含的相应可靠指标，通过综合计算和分析，确定目标的可靠性指标。实质上，该方法在体现原有设计规范规定的可靠水准度的基础上，也充分体现了实践经验的积累。
2、应用水工结构可靠度设计方法的障碍
2.1 变量的不确定性
在可靠度分析中，作用效用、作用、抗力、分项系数极限状态表达式等具有一定的不确定性，这些不确定性可归结为模糊性、未认知性及随机性。其中模糊性和未认知性可由逻辑树、隶属函数等方法定义主观概率密度分布函数，应用贝叶斯方法分析研究概率分布，但是这种方法缺少一定的客观性，并没有广泛应用于水工结构可靠度的设计工作。随机性问题可以通过样本统计的客观概率密度函数，依据概率理论进行求解。另外，可靠度的结果受材料性能和作用随机样本容量、质量、极限方程式等因素的影响，其设计过程中的很多问题需要进一步的完善和解决。在作用和抗力、作用效应、极限状态等方面都需要进一步的完善和确定，因此，在水工结构可靠度设计工作中应率先完善概率相关的理论和方法，并不急于对失效概率数值的计算。
2.2 可靠度理论度量结构安全局限性问题
可靠度理论在度量水工结构设计的安全性方面较为先进，但是仍然存在一定的问题约束其在实践中的应用。例如作用效用和抗力的分离、将截面承载力的安全指标作为可靠指标以及随机过程转变为随机变量等可靠性约束条件。概率可靠度理论是基于大量的数据分析，统计荷载与抗力，两者均存在大量的问题。另外，在规范安全度度量时，应充分考虑、预测未来荷载出现的变化。在实际应用中，概率可靠度理论会忽略无法用这一理论处理的因素，而这些因素是在水工结构可靠度设计中必须考虑的，如人为失误、经济、政治环境等。
3、总结
概率极限状态设计的方法是水工结构可靠度设计的先进方法，充分考虑设计工作中不确定因素，并对其进行量化处理。在水工结构可靠度设计工作中，应做好作用、抗力、材料性质等要素的数据统计分析工作，尤其是对设计工作中积累的资料进行有效的统计分析。另外，对建设工程项目的原型数据资料、已有的实验研究成果进行收集、统计分析。由此可见，做好概率统计分析工作对水工结构可靠度设计具有重要的作用。
参考文献：
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