甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司
摘要:这几年来,结构可靠度理论和其运用研究已获得非常大的进展,而且详细应用在水工结构的设计与研究范围。而水利项目一项关键的内容是水工结构可靠度设计,需要引起设计单位的高度关注。文章结构可靠度在水工结构设计中的应用等实施分析。
关键词:结构可靠度;水工结构;设计
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。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。
2水工结构可靠度设计方法
2.1水工结构可靠度设计研究
由于水工结构可靠度设计理论在分析方法、概率模型简化等方面还不够完善，使该理论还不能应用到水工结构设计的各个领域（如水工钢闸门、土石坝、水电站厂房等方面的设计依然按照过去的设计方法，这些设计方法不能定量准确地评价结构的安全性，落后于采用可靠度设计水工结构的总体设计水平），因此国内众多学者针对不同的领域，从结构抗力R和荷载效应S两个方面，采用校核法或其他方法对不同的水工结构进行了大量的可靠度设计研究，并取得了一些十分重要的结论。这为那些使用传统设计理论的领域早日过渡到采用水工结构可靠度设计理论奠定了基础。
目前，暂时还不具备统计资料的水工结构设计规范，可以按结构可靠度理论修编或“套改”，这种方法虽然只是形式上与可靠度设计相似，但这为以后设计方法向以可靠度理论为基础的极限状态设计法转化创造了条件，以便相关部门今后有意识地搜集和积累有关变量的统计资料。随着统计数据的积累和研究水平的提高，即可将原来尚不具备统计资料的变量及其分项系数逐步地赋予概率含义。现在使用的《溢洪道设计规范》（DL/T5166－2002）正是采用了这种修订方法，使溢洪道设计初步具有可靠度的含义，同时也为那些现在不能立刻修订为采用可靠度设计的规范提供了一条向可靠度设计靠近的方式。
2.2分项系数极限状态表达式
在目前的水工结构可靠性设计中,子系数极限状态表达方法得到了广泛的应用。在这种方法中,部分作用系数 r 和材料属性 y 的部分系数的物理概念应该是清楚的,以便可以有效地反映可能的不确定性。这两个子因素可能包含超载和退化等物理概念,但与结构安全的关系较小。根据只作用于变异性的子系数的作用,为了确定材料属性的子系数 y ,可以由材料试样的变异性来确定。在水工结构的可靠性设计中,系数 r 主要表示各种结构抗力的不确定性,以及材料性能的子因素,而不考虑其他因素。比如几何尺寸的不确定性,试样的电阻可以转换成元件的电阻不确定度。
3结构可靠度在水工结构设计中的应用
3.1预测水工结构的性能变化规律
水工结构在使用的过程之中,结构的缺损,负荷承载,环境的变化,结构的修补的一些原因,结构使用的性能会因为时间的改变而发生变化。
这种情况下就需要根据结构可靠度理论,通过方程求解,把结构的实效概率和时间的关系求解出来,把某个时刻上的实效概率通过各式的方程模式解出来,以发现水工结构的性能变化规律。这个规律一般是和时间挂钩的,意将来某个时刻,其结构的实效概率是多少等。通过这个计算,预测出水工结构的安全度。
3.2确定水运工程的最佳检测方法与维修对策
根据经验,检测和维修是确保工程能够正常工作的重要的技术手段。水运工程中多是大型工程,涉及范围广,工作条件相对于其他类型的工程也要复杂的多,所以对工程的检测维修的费用往往是非常昂贵的。尽管现在在检测方面实现了自动化,微机化,但是,这些技术依旧有许多地方并不是能够立马发现,往往还需要人们加强对工程的人工检测。然而这样一来,就会像没有采用自动化管理之前一样,带来许多的经济负担,而且对人力也在一定程度上有些浪费。所以结构可靠度理论在这方面的应用还有很大的应用价值及广阔的空间。其可以对人们的检查工作和维修工作提供一些决策上的改进,既可以不浪费人力,又可以减少经济的负担。
3.3水工建筑物的质量控制方法
按规定的质量,对产品的质量进行工程管理的过程就是质量控制。设计达到了要求之后,就需要对工程的质量进行把关,这个过程涉及到工程材料性能对工程质量的影响,以及其他一些因素的影响,因此要做好质量控制工作,对这些因素进行分析是必不可少的一个环节。通过结构可靠度理论,分析材料性能,结构抗力等参数,工程造价等之间的关系,可以实现在生产等一些过程中的最优控制。
4工程案例分析
以某水电站工程为例,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。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。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。
结语
总之，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：
[1]王坤．水工结构可靠度设计方法[J]．中国水能及电气化，2014（11）
[2]刘岩，邓楠．结构可靠度理论在水工结构设计与工程管理中的应用[J]．才智，2012（06）
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