服役工程结构可靠性理论及应用的发展与应用

工程结构可靠性的研究始于20世纪30年代，当时主要是围绕飞机失效进行研究。20世纪50年代开始，美国国防部专门建立了可靠度研究机构AGREE，即电子设备可靠性咨询组，而在结构设计中的应用则始于20世纪40年代。在理论研究方面，1947年弗罗伊詹特（A.M.Freudenthal）发表题为“The Safety of Structures”的论文［13］，开始比较集中地讨论可靠度问题。而结构动力可靠性理论研究则始于20世纪40年代，以美国学者S.O.Rice首次建立在给定时间内交差次数及其期望的数学表达式为标志，近年来，Bolotin和Melchers以及国内众多学者进一步研究了随机时变结构的动力可靠性计算问题［14，15］。目前，国际上有关结构可靠性研究的工作进展主要体现在形成了国际标准ISO2394“结构可靠性总原则”［8］，1982年创刊的专门报道工程结构可靠性方面研究的《结构安全性（Structural Safety）》期刊；在国际重大学术性会议方面，也定期集中反映了最新研究成果，如从1969年开始举行的国际会议“国际结构安全性与可靠性会议”即ICOSSAR（International Conference on Structural Safety and Reliability），目前每4年举行一次；从1971年开始每4年举行一次的国际会议“国际土木工程中统计学与概率论的应用学术会议”即CASP（International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering）等［16］。

在结构静力可靠度计算理论研究与应用发展过程中，C.A.Cornell在前苏联的尔然尼钦提出的一次二阶矩理论的基本概念基础上，于1969年提出了与结构失效概率相联系的可靠指标作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，并建立了结构安全度的二阶矩模式；1971年加拿大的林德（N.L.Lind）将可靠指标表达成设计人员习惯采用的分项系数形式［17］；美国的洪华生（A.H.S.Ang）对各种结构不定性作了分析，提出了广义可靠度概率法，在结构可靠度理论研究方面作了较大的贡献［10，16］；1976年国际“结构安全度联合委员会”（JCSS），采用拉克维茨（Rackwitz）和菲斯莱（Fiessler）等人提出的通过“当量正态”法以考虑随机变量实际分布的二阶矩模式，提出验算点法和改进的验算点法，简称为R-F或JC法［18］，至此，二阶矩模式的可靠度表达与设计方法开始进入实用阶段。由于涉及寻找失效模式及相关性分析等，结构体系失效概率求解相当困难；近年来的计算技术发展，促进了结构体系可靠度理论的深入研究，自20世纪70年代以来，一些近似的分析求解方法相继发展起来［11，16，19～21］。在结构动力可靠性理论方面，1951年西格特（A.J.F.Siegert）等人在Rice理论的基础上，提出了当结构反应为连续马氏过程的首次超越概率的计算方法，导出了首次超越概率的Laplace变换［14，15］；之后，由于计算机的发展和快速傅氏变换的出现，使得许多难题得以通过数值解的方式解决，随机振动理论及动力可靠性理论的研究得以飞跃发展［22］；20世纪下半叶，结构动力可靠性理论的发展主要集中在各种非线性体系的动力可靠性计算方法及实际应用上，显著的成果是将动力可靠性理论应用在地震工程中［22］。(www.xing528.com)

相对于国际上，我国对结构可靠度的研究工作开展比较晚。20世纪60年代曾广泛开展结构安全度的研究和讨论，70年代开始把半经验半概率的方法（水准Ⅰ）用于6种结构的设计规范，并对其中的有关理论进行了研究，形成了一批研究专著［1，10，16，22，23］。在结构静力可靠度研究方面，提出可靠度的近似计算方法，建立安全经济设计和可靠度设计概念，使可靠度理论与工程实际设计相结合，并提出了具体分析方法［11，14，16］，建立了广义可靠度理论［23］及结合工程实际的动态可靠性与维修理论［24］。在结构动力可靠性理论及应用方面，提出了地震运动的非平稳随机过程和结构动力可靠性理论及有关计算理论［10，15，22，25～31］。其中，对随机结构时变动力可靠度分析方法的研究，已被推广到考虑非线性非平稳及模糊性和模糊随机性阶段［10，22，29，32～34］。在工程结构可靠性设计方法应用研究方面，我国已形成了以《工程结构可靠度设计统一标准》［9］（GB50153—92）为第一层次，根据各部门专业特点制定的国家标准［35］为第二层次，以具体结构设计规范［36］为第三层次的基于近似概率法（水准Ⅱ）的统一设计规范。目前，我国在结构可靠性计算一般理论、结构体系可靠性计算理论、结构动力可靠性及应用、混凝土结构耐久性及服役结构的可靠性鉴定等方面都取得了比较丰富的研究成果［1，10，16，34，37～39］。1992年在南京、1995年在西安和2002年在武汉分别召开了“工程结构可靠性全国第3、第4和第5届学术讨论会”，标志着工程结构可靠性研究深入持久发展的趋势。