关键词：建筑结构设计可靠度，影响因素，比较，理论，研究
中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
结构可靠度的定义为：结构或着构建在允许的时间范围内，在条件范围内完成预先指定目标的成功率。而结构可靠度属于从数学角度出发，对这一成功率在不同条件影响下完成结果的定量表达。虽然是定量表达，但是与其它定量表达理论不同的是，结构可靠度定量表达的只是概率，并非固定的数量值，因此依旧存在波动性和不确定性。基于结构可靠度值的不确定性，当代概率论被引进到结构可靠度理论基础之中，并发挥了关键性的作用。
我国目前对结构可靠度的应用已经初具规模，其应用领域涉及服役设备的检验、耐久度分析、结构抵抗灾害性气象能力、建筑行业相关规程的制定以及设备缺陷诊断等，几乎涵盖了与建筑相关的所有领域。随着我国基础建设的加快，建筑行业蓬勃发展，由此带来的行业内部发展良莠不齐的现象，需要用完善的专业评价体系去约束和保障工程质量，因此，对建筑结构设计可靠度理论的深入研究具有重要意义。
二、建筑结构设计可靠度理论
建筑结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。建筑物的安全性能关系着经济、社会发展，更关系着人身安全。特别是一些具有时代文化特征的重要建筑物，其安全性能更显得尤为重要。在土木工程领域，结构可靠度的分析计算受到荷载作用、环境作用、材料内部作用以及可能出现的超重荷载等诸多因素影响制约，无法科学地协调结构安全、适用经济等各项指标之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。故建筑结构可靠度的研究显得尤为重要。近年来，可靠度理论日渐完善，计算方法也多种多样。选择合理的计算方法，也能使建筑结构可靠度的计算或者设计更精确。当前结构的可靠度分析与设计理论，主要是基于构件可靠度设计和体系可靠度设计理论。
1、构件可靠度设计理论
以荷载和抵抗力的随机统计和数据建模进行分析，构件可靠度设计理论的函数为一组随机变量的统计函数，表达式为：
（1）
其中是荷载、抵抗力或与之相关的其它随机变量。功能函数能够直观的表达出构件的安全范围、极限位置和失效范围，这三种状态分别对应三种状态。所在范围内的统计概率就是构件相应于函数Z描述的功能的可靠度和失效概率。
构件可靠度设计就是在规定范围内，合理运用不同的结构、材料和其它因素，调整整体的结构，使得构件的可靠度能够满足预期目标。
当功能函数Z是线性的且各随机变量是正态随机变量时，相应于功能函数Z的构件可靠度PS与可靠指标β有一一对应的关系，则β可以表示为
（2）
对于非线函数 、非正态随机变量的情况，总可以通过验算点法（或称JC法）将其与β对应起来。于是，结构的可靠度设计转化为用可靠指标表示的设计表达式，式中和分别是构件的实际可靠指标和目标可靠指标。
2、体系可靠度设计理论
结构设计既要着眼于单独构件的可靠度，也要考虑工程整体的稳定性以及可靠度，针对工程整体的可靠度设计就成为体系可靠度设计，当前越来越多的大型工程开始重视体系可靠度的设计。结构体系的可靠度分析是以结构的失效模式为基础的，结构的失效模式由若干构件的实效组成。因此，形成结构失效模式的失效构件形成一个并联子系统。结构体系的失效概率可以表示为Psf同时满足结构构件和整体可靠度要求的设计表达式可表示为，并且，式中Pss=1-Psf，是结构的体系可靠度；[Pss]是相应的目标可靠度。结构的体系可靠度分析面临两个大的困难：一是结构的实效模式过多，想要详尽的罗列太多困难，二是各结构之间存在相互影响，在计算过程中难以进行定量的关联分析。当前建筑行业对结构体系可靠度设计理论还不够认可，因此在行业内并没有严格的规范要求进行工程结构体系可靠度设计，但在国际上已经开始有一部分工程设计开始添加体系可靠度设计内容。
三、建筑结构设计可靠度影响因素
对于只有两个基本变量——荷载效应S和抗力R的构件功能函数：
(3)
其中R和S是互不相关的正态随机变量。则构件的可靠指标为：
(4)
式中是相应下标量的均值和标准差。
1、目标的可靠指标
由上图可以看出，在抗力和荷载效应一定的情况下，目标可靠指标实际上就是规定抗力和荷载效应的概率密度Pr和Ps重叠的部分。[β]是结构安全水平的综合指标，是影响结构设计可靠度水平最直接的指标。我国《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）和其它大多数国家的结构设计标准中，目标可靠指标 [β]都是在给定抗力和荷载的概率分布条件下校准原规范安全系数来确定的。
目标可靠指标相同时，两个结构荷载设定的大小不同,结构设计可靠度水平会截然不同。在荷载水平的影响中,可变荷载占主导地位。可变荷载大致可以分为两类。其一是楼面活荷载；其二是自然环境荷载 ,包括诸如飓风、暴雨、地震受自然规律支配发生的荷载或作用，楼面活荷载的水平,主要是设计基准期内荷载平均值的大小；自然环境荷载的水平，主要与基准期长短有关，因为自然荷载按照当年最大值进行统计，基准期越长，荷载水平越高；可变荷载概率分布参数确定的准确程度，也将影响结构设计的可靠度。例如假定在图1中的实线是相应于目标可靠指标[β]的设计荷载效应，虚线是实际的荷载效应 ,显然 ,我们设计的结构并不真正具备设定的目标可靠指标[β]。
2、最不利荷载效应组合
《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）规定了我国构件目标可靠指标的确定因素为：三种基本荷载效应组合和14中基本构件校准。结构设计过程中，通常先计算结构的最不利荷载效应组合，然后返算结构的实际可靠度。可变荷载水平的影响因素类似。在校准构件目标可靠指标时 ,“恒载+活载+风载”与“恒载+活载+雪载+风载 ”两种不同荷载效应组合下（可变荷载基准期相同）具有相同的目标可靠指标 ,其实 ,两者的可靠度水平是不同的。
3、抵抗力的衰减
构件的抵抗力并非一成不变，在使用过程中，构件收到环境侵蚀、自身老化和其它破坏的影响，抵抗力不断衰减，在无特殊外力破坏的条件下，衰减与时间的关系为：，也就是说抵抗力的均值和标准差是时间的函数,即如果能准确把握抵抗力分布参数随时间变化的规律 ,则结构设计应采用期望结构使用年限Tu的构件剩余抗力的分布参数uR（Tu）和σR（Tu）。目前 ,这一工作国内外都在研究中,从发展的趋势看 ,构件的抗力衰减将会在结构设计或规范中予以考虑。
四、建筑结构设计可靠度的国内外对比
从国际角度来看，美洲范围内进行的结构可靠性理论研究以美国为主，也是国际上最早进行该研究的国家，美国队结构可靠性理论研究的标志性事件为提出钢结构规范中荷载和抗力系数设计(LRFD)方法。亚太地区则以我国为主，其次是日本和澳大利亚，三国都具有大规模基础建设的经历，因此对结构可靠性理论的重视要高于本地区的其他国家。
五、结束语
建筑结构设计可靠度理论逐渐发展成熟，应用范围也越来越广。但是随着各种复杂建筑的增多，其应用方法依然需要更深入的进行研究和探索。同时，我么也应该看到，当前实际应用过程中，理论与实际情况的差距依然存在，所计算的各种数据与现实的相似度还不能够完全满足各类工程需要。要想利用建筑结构设计可靠度理论提高建筑工程质量，探索之路任重而道远。
参考文献：
[1] 黄学明.李国芬.结构可靠性研究综述[J]. 山西建筑. 2007, 3(2):78-79.
[2] 贡金鑫，仲伟秋,赵国藩.工程结构可靠性基本理论的发展与应用[J].建筑结构学报,2002,23(4):2-8.
Yao Yao；Qian Cunhua；Liu Min
（School of Economics and Management，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China）
摘要：研究了具有3台修理设备且在假定关键部件具有优先修理权的可修串-并联系统。利用马尔可夫过程对系统的各状态进行分析，得出系统各状态的概率。然后利用基于模糊状态的可靠性理论，通过定义系统模糊工作以及模糊故障的隶属函数，得到了可修串-并联系统的模糊可靠性指标的计算公式，并比较其结果与传统可靠性理论的不同之处。
Abstract: Under the condition that a key component will have a higher priority of repair, a repairable series-parallel system with three repairmen was studied. The probability of states was derived by Markov process. The membership functions of the states to success and failure were defined and the reliability indices of repairable series-parallel system were analyzed utilizing reliability theory incorporating fuzzy states. The difference between fuzzy reliability and conventional reliability was compared.
关键词：模糊状态 模糊可靠度 模糊可用度 串-并联可修系统
Key words: fuzzy state；fuzzy reliability；fuzzy availability；repairable series-parallel system
中图分类号：V438+.4文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）20-0020-02
0引言
串-并联可修系统的可靠性研究是可靠性理论和应用中比较活跃的课题[1-3]。本文所研究的是如图1所示的串-并联可修系统，它由3个子系统组成，如果其中一个子系统的所有部件都发生故障，则整个系统故障；如果某一个或多个子系统中的一部分部件故障，但没有引起任何一个子系统的所有部件故障，或者没有任何一部件故障，系统都可以正常运行。
1基于模糊状态的可靠性理论[4]
传统可靠性理论主要基于概率和二状态两个基本假设，随着科技的发展，应用在工程实际中的系统越来越复杂，因此判断整个系统工作或故障，仅用完全正常或完全正故障来评价显然是不合理的。此时的二态假设不成立，因此出现了模糊状态假设，即系统的故障定义是模糊的，在任一时刻，系统从某种程度上处于模糊成功状态，某种程度上处于模糊故障状态[5-6]。
假设系统具有n个非模糊状态S1，S2，…，Sn，令U={S1，S2，…，Sn}为论域，根据文献[7]，在这个论域上定义模糊成功状态S：S={Si，μs（Si）}（i=1，2，…，n）和模糊故障状态F：F={Si，μF（Si）}（i=1，2，…，n）后，就可以得到系统的模糊可靠性指标。
其中μs（Si）和μF（Si）为相应的隶属函数，令xij表示从Si到Sj的转移，且TSF={（xij，μ■（xij）} i，j=1，2，…，n}
TSF为从模糊工作状态到模糊故障状态的转移，并作为一个模糊事件，模糊可靠度为■（t■，t■+t）=P{T■不在[t■，t■+t]内发生}=1-■μ■（S■）P{t■+t时刻系统处于S■}=1-E■（1）
不失一般性，设t0=0，因此定义模糊可靠度为
■（t）=■（0，t）（2）
模糊可用度为■（t）=P{t时刻系统处于模糊成功状态}（3）
2模型假设
①设Xi与Yi分别表示部件i（i=1，2，…9）的工作时间和维修时间，且分别服从参数为λ和μ的负指数分布（λ>0，μ>0）并且Xi与Yi（i=1，2，…9）是相互独立的随机变量；②t=0时，所有部件是新的并可修复如新；③系统中有3台修理设备，对故障部件的维修按关键部件有优先权的维修规则进行；④设系统发生故障后，未故障的部件不再发生故障。
3模型分析及可靠性指标计算
3.1 模型分析令N（t）为系统在时刻t所处的状态，则
其中，工作状态集W={0，-1，-2，…，-6}，故障状态集F={3，4，5，6，7}。由模型假设，{N（t），t?叟0}构成一个齐次马尔科夫链，其状态空间为Ω={0，-1，-2，…，-6，3，4，…，7}。
根据模型假设和系统状态的定义，开始时系统中的所有部件都工作。随着时间的推移，一些部件发生故障，修理设备对故障部件进行修复，因此系统的状态进行变化，最终系统故障。当系统中故障部件数等于7时，系统必然故障。当故障部件数在1～7之间时，系统可能工作也可能发生故障。系统能否工作依赖于故障部件所处的位置。
3.2 可靠性指标计算通过模型分析，在Δt时间内由状态i转移到状态j的广义转移概率为
pij（Δt）=P{N（t+Δt）=j│N（t）=i}
假设系统在不同状态i下有Mi种情况发生，则
pij（Δt）=∑■■p■q■Δt+ο（Δt）（4）
其中pm表示在状态i的第m种情况下的概率，qm表示在状态i的第m种情况下转移到状态j的概率。
令P（t）=（p0（t），p-1（t），…，p-6（t），p3（t），…，p7（t）），根据Kolmogorov-Feller向前方程，有
P′（t）=P（t）QP（0）=（1，0，…，0）（5）
设Q=ABCD，
根据公式（4）（5），可得系统的转移概率矩阵：
B=0000 00000 0■λ000 00 ■λ 00 000 ■λ 0 00002λ 000003λC=003μ000000 0 3μ00000 0 03μ 0 000 0 003μ000 0 0003μ
D=-3μ 00000 -3μ0000 0-3μ00 0 00 -3μ 00 000-3μ
为求系统可靠度函数R（t），令原系统中所有故障状态为吸收状态，则讨论时间连续的具有5个吸收状态的齐次马尔科夫过程{■（t），t?叟0}，其概率转移矩阵为■。
假设时刻t，系统处于状态j的概率为■■（t）=p{■（t）=j}，其中j∈Ω。
■（t）=（■■（t），■■（t），■■（t），…，■■（t），■■（t），…，■■（t））（6）
根据Kolmogorov-Feller向前方程，有
■′（t）=■（t）■■（0）=（1，0，…，0）（7）
根据转移概率矩阵以及式（5）（6）（7），可得到P（t），■（t）
系统可靠度为
R（t）=■■（t）+■■（t）+■■（t）+■■（t）+■■（t）+■■（t）+■■（t）
系统可用度为
A（t）=p■（t）+p■（t）+p■（t）+p■（t）+p■（t）+p■（t）+p■（t）
4系统的模糊可靠性
设论域U={S0，S1，S2，…，S11}，当0?燮i?燮6时，Si=-i；当7?燮i?燮11时，Si=i-4
在论域U上定义模糊工作状态S和模糊故障状态F的隶属函数如下：
μ■（S■）=■ 0?燮i?燮600?燮i?燮11
μ■（S■）=■ 0?燮i?燮617?燮i?燮11
并且μ■（S■）=1-μ■（S■） （i=0，1，2，…，11）
根据式（1）（2）和隶属函数可得系统的模糊可靠度为
■（t）=1-∑■■μ■（S■）P{■（t）=S■}
=1-∑■■μ■（S■）P{■（t）=S■}-∑■■μ■（S■）P{■（t）=S■}
=1-∑■■■■■（t）-∑■■■■（t）
由于∑■■■■（t）+∑■■■■（t）=1，则可得到
■（t）=■■（t）+■■■（t）+■■■（t）+■■■（t）+■■■（t）+■■■（t）+■■■（t）
显然，■（t）
根据式（3）和隶属函数可得系统的模糊可用度为
■（t）=P{时刻t系统处于模糊成功状态}
=∑■■μ■（S■）P{N（t）=S■}+∑■■μ■（S■）P{N（t）=S■}
=p■（t）+■p■（t）+■p■（t）+■p■（t）+■p■（t）+■p■（t）
+■p■（t）
显然■（t）
5结束语
传统可靠性理论认为串-并联可修系统中只要所有并联子系统都处于工作状态，系统就工作。而基于模糊状态的可靠性理论则认为系统中只要有故障部件，系统就并非完全正常，只是某种程度上属于模糊成功，只有在系统中所有部件都工作时，系统才完全正常。因此模糊可靠性指标的估计比传统可靠性指标偏保守。但它综合反映了串-并联可修系统的状况，也反映了系统中故障部件对系统性能的影响程度，其分析方法更接近实际情况。另外，系统的模糊可靠性指标有很强的针对性，离开具体的隶属函数而抽象地谈论模糊可靠性指标是毫无意义的。本文得到了计算串-并联可修系统的模糊可靠性指标的公式，为分析此类系统的模糊可靠性提供了一种新思路。
参考文献：
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[5]黄洪钟.基于模糊状态的机械系统可靠性理论及应用的研究[J].机械设计,1995,9:11-13.
关键词：机械 可靠性设计 发展 应用
我国著名科学家钱学森曾提到：“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。”而其中，设计的可靠性无疑对产品的固有可靠性有着决定性的影响。据相关文献统计，因设计因素引发的机械故障，占到机械产品故障总数的60%以上，可见提升机械设计质量的重要性。目前，我国逐渐开始对可靠性设计理论与方法进行，但就目前成果来看，与发达国家还有着较大的差距，此外，随着我国机械产业的快速发展，可靠性设计理论的应用价值不断提高，在此背景下，强化对机械可靠性设计理论的研究与应有有着很强的必要性。
1可靠性设计概述
根据GJB451——90给出可靠性的定义：可靠性指的是“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”，可靠性的概率度量称为可靠度。可靠性的研究最早可追溯到二战期间，发展至今已有近半个世纪的历史，在美国、英国、日本等机械设计方面较为发达的国家，机械的可靠性设计已经成为一门相对独立的科学，且有着较为丰富的研究和实践成果。相比之下，我国对机械产品可靠性理论的研究就起步较晚，与上述国家仍然存在较大的距离。且由于机械设计涉及领域宽泛、可靠性研究的任务繁重，内容庞杂，因而研究进度远远不如电子产品可靠性研究快。
从理论应用方面看，我国机械可靠性设计还处于起步阶段，强化可靠性分析理论与数学规划方法在机械设计中的应用，是促进机械设计可靠性提升的重要途径；从实用性工程方面看，强化可靠性设计对于提升传统设计的合理性，以及对节约生产成本与提升经济效益均有着重要的作用，因而对可靠性设计理论与方法进行积极探索，对推进我国机械设计水平的提高有着重要的意义。
2 可靠性设计的应用
可靠性理论和方法在机械产品设计领域中的应用，主要体现在可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计和可靠性稳健设计三个方面：
2.1 可靠性优化设计
机械优化设计理念产生于本世纪60年代，是数学规划与现代计算机设计在机械设计领域的集中应用，有着减低材料消耗、提升设计可靠性的应用价值。机械产品的优化设计通常是根据设计标准和需求对各种参数进行优化调整，将可靠性设计理论融入机械优化设计过程，能有效提升优化设计效率和质量。通常，可靠性优化设计包含质量、成本、可靠度三个主要因素，方法是在给定的成本和质量要求下对技术参数进行约束和优化，进而实现产品安全性能和使用性能平衡。要使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，应将可靠性设计与优化设计理论和方法充分结合起来，以发挥两种设计方法各自的长处，一方面达到机械产品设计的可靠性要求，使其性能更高、更实用，另一方面达到节约控制成本和提升效益的要求，通过较小的花费创作较大的应用价值。
2.2 可靠性灵敏度设计
灵敏度是机械设计质量的重要评价指标之一，在传统机械设计中，为了保证机械产品的灵敏度，每次进行方案修改时都需要进行重新试验测试，但这往往需要耗费大量人力、物力，因而许多设计单位在进行方案修改时往往凭经验判断灵敏度，导致设计方案具有较大盲目性。因而引入一种科学的灵敏度分析方法，对于优化机械设计方案，提升设计方案可靠性有着重要的意义。可靠性设计基于对数学规划理论与可靠性分析理论的结合，强化了对数学模型在结构系统优化设计过程中的应用，通过找出对参数变化敏感的因素并建立数学模型，能够对模型中的参数变化进行较为可靠的预测，进而实现对机械产品设计过程可靠性的提升。此外，应用人机交互辅助设计，不但能有效利用数学规划分析结果，也能充分发挥设计者的经验和判断力，从而进一步提升设计方案科学性。几十年来，在灵敏度分析方面已有了大量的成果，给出了特征值问题、静态和动态响应以及机械产品参数优化设计等方面的灵敏度分析的许多方法，如直接法、伴随变量法、有限差分法、Green函数法、FAST法等等。
2.3 可靠性稳健设计
稳健性设计是一种强调低成本、高质量的机械设计思想，稳健性设计方法的核心是通过对机械产品性能、成本和质量的综合考虑，选择出能够降低成本和提高质量的最优设计，强化稳健性设计的应用，对于提升产品质量稳定性有着重要的意义。稳健性设计最初源于日本学者田口博士创立的三次设计法即系统设计、参数设计、容差设计，随着计算机技术在机械设计领域的广泛应用，近年来稳健设计的内涵得到不断扩充。近年来，机械产品的稳健设计与灵敏度设计得到有机结合，即通过灵敏度分析降低机械产品对不确定因素的敏感度，进而提高产品稳健度。通过这种设计，不但确保了机械产品在使用过程中的性能稳定性和可靠性，也大大降低了机械设备的维护维修成本，从而有效降低了经济损失，提升了经济效益。
3 总结
随着我国机械设计技术的不断发展，可靠性设计理论逐渐受到学界的关注，通过可靠性设计的应用，不但能够全面提升机械使用性能、安全性和可靠性，更能提升机械设计经济性，提升经济效益。与此同时，可靠性设计能够大大节约机械设计过程中所花费的人力、物力、财力，在提升设计质量的同时缩短设计周期，并避免以往机械设计中常见的质量问题，同时减少能耗和材耗，具有一定的节能环保意义和社会效益。
参考文献：
[1]陈靖.机械可靠性设计的内涵与递进[J].中国机械.2013（7）：91.
[2]李茂娟.浅谈机械零件可靠性设计[J].中国科技博览.2013（24）：345.
关键词：稳定性钢结构体系可靠性不确定因素
一、钢结构体系稳定性研究现状
（一）钢结构体系稳定性研究现状
近二三十年来，高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究，已取得不少研究成果。
迄今为止，对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多，基于各种数值分析的稳定分析已较成熟[1]。但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究。由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因，所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题，正确的进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。自六十年代以来，网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们注意的焦点。英、美、德、意大利、澳大利亚、罗马尼亚、波兰等国的研究人员进行了多方面的理论方面的理论分析和研究。各种方法如牛顿-拉斐逊迭代法、弧长法、广义逆法、人工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等使跟踪屈服问题全过程，得到结构的下降段曲线成为可能[2]。国内学者关于网壳结构稳定性也进行了大量研究。文献[3]在国外研究的基础上，通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略，实现了复杂结构体系的几何非线性全过程分析，取得了规律性的成果。同时利用随机缺陷模态法和一致缺陷模态法两种方法，对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究，较好地描述了结构的实际承载过程。也有一些学者进行了实验方面的研究[4]-[6]，对不同分析方法的有效性和精确性进行了说明。文献[7]对网壳结构的动力失稳机理、稳定准则、动力后屈曲等问题进行了研究。对于象网壳结构这类缺陷性敏感结构在强风和地震作用下的动力稳定性研究，由于涉及稳定理论和震动理论，所以难度较大，目前研究成果还很有限。文献[8]也对空间结构的动力稳定问题进行了研究。
大跨度网架拱结构作为一种新的大跨度结构，其稳定性方面的研究成果很少。文献[9]采用非线性有限元理论对大跨度网架拱结构的稳定性进行了全过程跟踪，得出一些具有实际应用价值的结论。斜拉空间网格结构是一种新型的杂交空间结构，目前对其研究的深度和广度还很有限。文献[10]指出斜拉单层网壳的稳定性需要进一步研究。已有研究将网架结构对柱子的支撑作用及网架结构对斜拉索在网架结构平面的约束简化为等效弹簧，对柱子的稳定性进行了研究，得出了一些有益的结论[11]。预张拉结构体系也是目前应用越来越多的一种新型结构体系[12]-[16]。这种体系的系统理论研究在很大程度上滞后于实际应用，特别是预张拉结构体系的稳定性的研究未引起足够重视，研究成果还十分有限。文献[12][13]对预张拉结构体系的初始平衡状态的稳定性必须引起足够的重视，预应力索结构体系在工作状态外荷载的作用下也可能发生失稳破坏，并对实际设计计算提出了两种方法-直接验算法和稳定设计法，结构的体系性质和结构稳定性判定方法进行了研究，为进一步研究提供了一些理论指导。
另外，也有学者从整体稳定的角度对钢框架结构的稳定问题进行了研究，得出了一些有益的结论[17]-[19]。
（二）钢结构体系稳定性研究中存在的问题
钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：
1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正[3]。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
2）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
3）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
4）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究文献[20][21]曾对考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行过有益的研究。
二、钢结构体系稳定问题的可靠性研究
实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影响，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学的知识，有一定难度，目前这方面的研究成果有限。文献[2]曾对网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行了详尽的研究、丰富了结构可靠度的理论和计算方法，并将其应用于工程结构的分析和设计，显示了良好的前景。
（一）结构分析中的不确定性因素来源
影响刚结构体系稳定性的不确定性的基本变量许多是随机的，一般分为三类：
1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
（二）结构的可靠性研究
国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果[22]-[39]。
任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能-安全性、使用性、耐久性由于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加入工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系，这种关系（又称功能函数）记作式中X1，X2，…，Xn是随机变量。把极限状态（或失效面）定义为Z0，则描述可靠度的参数可靠性指标定义为坐标原点到失效面的最小距离目前用于可靠性指标计算一般有两种方法：一次可靠度方法（FORM）和二次可靠度方法（SORM）。
（三）目前用于结构可靠度分析的数值方法评述
对于复杂结构，功能函数g（x）通常不能明确表达为输入随机变量的函数，结构的响应通常通过数值方法（如有限元）来计算。这些数值方法一般分为三类：（1）蒙特卡罗模拟法（MonteCarloSimulation）[34]（包括高效的取样法和方差缩减技术）；（2）响应面法（ResponseSurfaceMethod）[31][32]）基于敏感性的分析方法（Sensitivity-basedApproach）[30]。
1）蒙特卡罗模拟法（MonteCarloSimulation）
蒙特卡罗模拟法的基本思想是在进行每一次确定性分析之前随机产生一组输入变量，大量重复的进行确定性分析之后，对结构的响应输出参数进行统计分析，计算出结构的可靠性。把蒙特卡罗模拟法与有限元法结合起来，就得到蒙特卡罗有限元法。通常把蒙特卡罗有限元法作为可靠度计算的相对精确解，但要达到较高的精度，必须取足够的样本数，因此计算工作量相当浩大。
2）响应面法（ResponseSurfaceMethod）
响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数g（X）（一次或二次多项式），其中X是包含所有荷载和抗力的随机变量的一个向量。本质上来说，响应面法是一套统计方法，用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的响应最佳值。而失效概率通过一次或二次可靠度方法计算。在响应面法中，对于一个具有大量随机变量的问题来说，准确构造一个近似多项式的所需的确定性分析是相当巨大的，因此这种方法很耗时。即使对于一个具有少量随机变量的问题来说，响应面法对可靠度估计的准确性与功能函数的近似多项式的准确性有关。如果隐含型的功能函数具有很强的非线性，这种函数逼近是非常近似的，可靠度估计也是非常近似的。
3）基于敏感性的分析方法（Sensitivity-basedApproach）
基于敏感性的分析法和一次可靠度方法（FORM）/二次可靠度方法（SORM）结合起来分析具有隐式型的功能函数的可靠性问题，能克服蒙特卡罗模拟法和响应面法的缺点。这种方法在寻找控制点（也叫最小距离点）过程中，每一步迭代所使用的信息都是功能函数的真实值和真实梯度，并使用优化方法使控制点收敛于最小距离点，同蒙特卡罗模拟法和响应面法相比，它耗时小，也比响应面法更准确。另外，基于敏感性的分析方法能够从设计的角度知道结构响应对基本随机变量的敏感性。从而有可能基于随机变量的不确定性和它们对结构特性的影响得出不同随机变量的不同设计安全系数。基于敏感性的分析方法也可以在不影响计算准确性的条件下，忽略那些对结构可靠性影响不大的随机变量，从而节省计算时间。基于敏感性的分析方法中可以使用迭代摄动分析技术，并和有限元法结合起来产生所谓的随机有限元法（StochasticFiniteElementMethod）。这种使用迭代摄动技术的随机有限元法可用来进行结构的非线性分析。
关键词：建筑结构；可靠性；分析
1 建筑结构可靠性理论的渊源
1.1 以概率法分析为核心的可靠性设计
过去，随着材料力学的兴盛，结构设计被纳入弹性力学的分析范围，工程师凭借多年的经验选取一定的安全系数确保结构的可实施。而后随着人们对材料力学及其结构破坏性能的深入了解，逐渐建立起破损阶段设计法、平均值计算法等单一的安全指数计算法。到了20世纪，前苏联和美国的一些发明家提出了极限状态设计法和失效概率与安全特征等一系列学说，使得建筑结构可靠度理论逐渐成型并得到应用，而这些最初的建筑结构可靠度便是基于概率粗糙的计算、设计出的。
1.2 结构体系的可靠度设计
基于概率的极限状态设计方法无法突出材料的抗压性、经济型、效益型，不能很好地适合客户对不同结构的不同设计要求。因此，随着经济的发展科学的进步，基于概率的设计法遭到淘汰，而基于结构体系的可靠度设计法成为主流，这种以结构体系为基础的建筑结构可靠度设计法帮助材料全寿命及使用费用和效益达到最优化，不仅满足了客户的不同需要，更提高了使用性能，成为即经济又时尚的设计方案。
1.3 以功能为基础的可靠性设计
对建筑的设计要求不仅仅在于安全性能，更包括周遭环境、振动、景观、城市地域特征等一切功能需要。然而不同的机构承担风险的能力不一，为了满足客户的需求和功能的要求，以可靠指标为保证，结合功能要件进行“以功能为基础”的可靠性设计，即提高了建筑保护维修工作水平，又实现了经济目的。
1.4 非概率为基础的可靠分析
非概率的可靠性设计主要考虑到结构的不确定性，对于不确定性的分析集中在以下几个方面，一是原始数据较少，不确定因素较多，使得可靠度计算出现大的偏差，失效模式等计算法不能发挥其应有的作用。二是基于模糊理论，实践中的工程数据通常不能与理想数据完全吻合，因此侧重对于结构的模糊性要求，更能贴合实际，符合常规优化分配方案。
2 影响建筑结构可靠度的因素
工程事故多发多是由于违反规范、可靠度设置不精确、失效概率大，抵御能力差造成的。工程可靠度的建立需要综合考虑工程前期设计、具体施工、建后使用等造成的不确定因素，杜绝违规操作，提高可靠度，降低结构失效概率，减少风险，避免安全事故的发生。
2.1 随机性
随机性是指条件与结果之间，因为不可预测的事故而出现不充分的因果关系，造成施工中建筑结构可靠度的不确定性，不确定性问题的出现小则影响施工进程，大则危及他人安全，因此事物的随机性是建筑结构可靠度构建中不容忽视的因素。
2.2 认识不足
对事物的认识要将与之关联，相互作用的构成要素综合起来考虑，缺少一个方面即会造成对事物认识的不完善。在施工过程中，工程师大多引入经验参数对事物及其不确定性进行综合的分析评估，现阶段还没有完善的处理数学方法。
2.3 使用状态缺陷
使用状态缺陷包括可见裂缝和结构变形等等，主要由于配筋量小，结构设计不当，条件多变混凝土收缩等非荷载因素造成，使用状态的缺陷虽然对承载力没有大的破坏，但仍不能很好的满足市场需求，存在一定的安全隐患。适当增加配筋，完善构造措施，提高工程质量，是弥补缺陷，增加市场份额的最佳选择
2.4 施工质量低
施工质量低下一直是导致事故的主要原因，管理不够完善，施工过程中的对于质量的监督、验收的监管力度不强，质量检测手段原始，不符合验收标准等等，这些都是导致施工质量低下的因素。解决建筑市场的混乱环境必须从提高施工质量抓起，避免安全事故的多发，提高建筑质量，降低失效概率。
3 对调整建筑结构可靠性的几点建议
保证建筑结构可靠性的基础措施便是在正常设计、施工的前提下，保证安全可靠，在一定程度上具有抗风险能力，避免大的安全事故的发生。因此提高建筑机构的可靠度不是单纯的提高安全参数，而是应该从荷载、状态缺陷、功能、结构、概念等全盘审查，整体调整，多方面归纳，从实际出发，立足科学，校准建筑结构可靠度。
3.1 完善可靠性理论及设计方法
概率极限状态设计法和失效概率设计法都是将建筑结构可靠度进行量化的一大进步，随着经济的发展和科学进步，基于概率的可靠度计算法已经不能适应时代的发展，其基于单一安全指数的设计方案也不符合多变化的建筑结构市场要求，因此结合定量统计和社会人文因素，我们应该结合施工经验不断提出修正、完善的可靠度理论，适应时代的变迁，以功能和结构为可靠性理论的核心，努力配合市场需求。
3.2 注意间接作用力对结构的影响
间接作用力包括适度、收缩、沉降、徐变等因素造成的结构畸形，承载能力下降，裂缝等工程质量和使用状态缺陷等一系列问题，由于间接力造成的事故纠纷也占较大比例。因此，针对“间接力对结构的破坏”问题，我们应该从理论和工程实践两个方面着手，寻求合理的解决方法，填补裂缝，提高钢筋配置比例，使用耐腐蚀、耐高温的新型建筑材料，延长建筑物的使用寿命，提高工程质量。
3.3 提高施工质量
施工质量是影响建筑结构可靠度的重大原因，我国的施工保障政策还很不完善，保障力度较为薄弱。施工不仅体现在施工过程，还包括施工验收和施工质量监管，建立完善的施工验收方法，在可靠度理念的支撑下利用抽样检验的方法把好质量的关卡，充分将法制化运用到施工管理中来，严格按照程序强制验收，同时开展实践与理论工作，提高施工质量水平。
4 结语
本文从建筑结构可靠性的由来和发展历程着手，简略的描述了建筑结构可靠度计算法则从“概率”到“功能”的基础理论。分析了我国建筑市场存在的建筑结构可靠性问题，提出了提高施工质量、加强理论探究、完善建筑结构的关键性建议。
参考文献
[1] 杜军，戴虹，赵鑫.对建筑结构检测与安全评定的探讨[J].才智，2009 （12）.
[关键词]桥梁设计 结构安全 理论研究
中图分类号：U442.5+9 文献标识码：A 文章编号：
目前国内的桥梁结构设计普遍有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性的要求。
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。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。
国外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，国外的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。
(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．
[2]贡金鑫，赵国藩．国外结构可靠度理论的应用与发展[J]．土木工程学院．2005,38(2):1-7．
关键词：机械零件；可靠性优化设计；机械产品
现在，可靠性设计，又称机械概率设计，是机械零件现代设计方法之一。目前，该设计方法广泛应用机、汽车等重要产品以及其它机械产品内重要部件的设计过程中。作为常见的建材机械，我们在设计挤砖机及其辅助机组的结构、部件、零件时，仍主要使用传统的设计方法。能不能把先进、科学的可靠性设计方法应用到挤砖机等机械产品的设计中去，本文通过研究可靠性设计理念，给出上述问题一定的借鉴。
1.机械零件可靠性设计基本理论
在实际工程中，人们逐渐认识到，除了随机性以外，在工程中还存在着另一类重要信息：模糊信息。所以传统的可靠性方法就是用概率论和模糊理论处理不确定性，但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要用较多的数据去定义参数的概率分布或隶属函数，且计算量较大。通过研究，建立了结构概率-模糊-非概率混合可靠性模型，该混合可靠性模型能够综合各单一模型的优点。最大限度地将已有的信息利用到产品的可靠性分析中去，并能够更加客观和全面地反映结构的实际安全状况，为分析和设计决策提供更全面而且更真实的有用信息。可靠性设计的精确性和先进性是建立在应力、强度、寿命等数据的真实性、精确性基础上的，重视试验数据的收集和分析，建立可靠性数据库。对设计新产品时有很重大的参考价值，用概率-模糊-非概率的方法解决不确定问题的框图见下图。
2.机械零件可靠性设计理念研究
2.1.可靠性优化设计
可靠性优化设计是在可靠性基础上进行优化设计。既能定量地满足产品在运行中的可靠性。又能使产品的尺寸、成本、质量、体积和安全性等参数得到优化。从而保证结构的预测工作性能与实际工作性能更符合。该方法将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起，在对各参数进行可靠性优化设计时。首先以机械零件的可靠度作为优化的目标函数，使零件的某些指标、成本、质量、体积或尺寸最小化，再以强度、刚度、稳定性等设计要求为约束条件建立可靠性优化设计数学模型。根据模型的规模、性态、复杂程度等因素选择合适的优化方法，最后求出最优设计变量。
2.2.可靠性灵敏度设计
可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏度设计，充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度。便于找出哪些随机变量对机械零件可靠性设计的敏感性影响较大，并对此参数进行重分析和再设计。通过估计设计变量变差和约束变差对质量性能指标影响的大小，改变设计参数中影响较大的参数以使产品对可控因素变差和不可控因素变差的影响失去灵敏性。可靠性灵敏度设计首先建立极限状态方程，然后对各设计参数求偏导数，得到可靠性的灵敏度计算公式，进而确定各设计参数的灵敏度，用灵敏度数值作为再设计时修改设计参数的依据，从而使得参数修改和再设计工作事半功倍。
2.3.可靠性稳健设计
稳健设计能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内，不管其参数、结构发生漂移或老化的小范围内，都能持续可靠地工作的一种设计方法。可靠性稳健设计在设计阶段通过灵敏度分析，使产品在不消除和不减少不确定性因素的情况下。通过设计使不确定性因素对产品质量影响的敏感程度最小，从而提高产品质量和降低产品成本。
2.4.可靠性试验
可靠性试验是对产品的可靠性进行调研分析和评价的一种手段。其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。为改善产品的战备完好性，提高任务成功率，减少维修费用及保障费用提供信息。确认是否符合可靠性定量要求，我们通过试验一方面要获取可靠性数据。另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障，找出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可靠性。但实际机械零件的设计方案如果有改变，就必须重新进行一次试验分析，这需要花费很大的人力、物力和财力。所以在可靠性试验前利用一些高性能的软件进行模拟分析能减少试验次数，节约时间和研究基金。
2.5.传统设计方法与可靠性设计相结合
目前采用概率设计法的概念去完善和改进传统的安全系数，使可靠性和安全系数直接联系。广泛应用现有的各种设计方法对产品进行设计计算，并与采用可靠性概率设计方法得出的结果以及实物试验的结果进行比较，从而积累经验，收集和整理可靠性设计。
结语：
可靠性是产品的一种动态质量指标。在现代化生产中已经贯穿在产品的开发、设计、制造、试验，使用及维修保养的各个环节之中。对于可靠性知识掌握越多，主观经验的运用就会越少，自然机械结构的设计也就越合理。这正是机械工程技术研究追求的目标。本文通过了解机械工程结构可靠性的研究不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且将其应用到机械结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。所以该课题的研究内容是相当丰富和有意义的。
参考文献：
[1] 陈艳红. 机械零件可靠性设计示例一则[J]. 开封大学学报，1995，04：65-69.
[2] 卢昊，张义民，赵长龙，朱丽莎. 多失效模式机械零件可靠性灵敏度估计[J]. 机械工程学报，2012，02：63-67.
[3] 吕明. 机械设计技术的现状与趋势研究[J]. 广东石油化工学院学报，2012，06：46-49.
作者信息：
[关键词]建筑 结构 设计 可靠度
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0304-01
所谓建筑结构可靠度，即指在规定时间和条件下，完成预定功能的概率。由于建筑结构可靠度理论较为合理的考虑了荷载与抗力的随机性，以及在概率的水平上平衡了安全与经济的关系，因此，该理论已逐渐成为业内建筑结构设计的理论与方法，这在一定程度上促进了可靠度理论的快速发展。
一、结构可靠度的定义
结构或构建在允许的时间范围内，在条件范围内完成预先指定目标的成功率。而结构可靠度属于从数学角度出发，对这一成功率在不同条件影响下完成结果的定量表达。虽然是定量表达，但是与其它定量表达理论不同的是，结构可靠度定量表达的只是概率，并非固定的数量值，因此依旧存在波动性和不确定性。基于结构可靠度值的不确定性，当代概率论被引进到结构可靠度理论基础之中，并发挥了关键性的作用。
我国目前对结构可靠度的应用已经初具规模，其应用领域涉及服役设备的检验、耐久度分析、结构抵抗灾害性气象能力、建筑行业相关规程的制定以及设备缺陷诊断等，几乎涵盖了与建筑相关的所有领域。随着我国基础建设的加快，建筑行业蓬勃发展，由此带来的行业内部发展良莠不齐的现象，需要用完善的专业评价体系去约束和保障工程质量，因此，对建筑结构设计可靠度理论的深入研究具有重要意义。
二、结构可靠度的影响因素分析
1、抗力随时间变化对结构可靠度的影响
影响建筑结构的抗力因素主要有三个因素作用：：（1）载荷作用： 研究结果表明，载荷对建筑建结构的作用方式主要有两种形式，一种是直接影响建筑结构的安全，在结构服役的安全期内，如果任何一个阶段的载荷大于所设计的安全载荷，都会导致结构的失效； 另外一种就是低载荷长期作用下来所导致的累积损伤，对于这种低载荷导致的累积损伤主要包含了静态和动态累积损伤的作用形式。（2）建筑结构服役环境的影响： 自然环境的作用通产是指腐蚀介质对建筑结构的侵蚀作用，比如混凝土的碳化现象。混凝土的碳化主要是由于空气、土壤或者是地下水中的CO2 进入混凝土的内部，进而与混凝土内部的氢氧化钙相结合，生成一些絮状的沉淀物，导致混凝土的碱性降低以及钢筋表面钝化膜的破裂，致使建筑结构的抗力迅速下降。（3）建筑材料老化作用的影响： 在材料使用的过程中，随着时间的不断延长，结构材料会发生老化，老化的结果会导致材料的力学性能下降，强度降低。另外一些活性材料慢慢的发生化学反应，成分发生变化。混凝土中的外加剂与骨料之间的化学反应就是内部作用之一。
2、外加载荷的变化对结构可靠度的影响
在我国的《建筑结构设计统一标准》中，通常采用目标可靠指标来衡量对结构可靠度的影响。这种目标可靠性指标是通过给定抗力和载荷的概率分布的条件下校准原来规范安全系数。在相同的结构目标可靠指标下，外界载荷的不同，结构的可靠度水平也会不尽相同。对于载荷影响因素而言，通常可变载荷占据主导地位。可变载荷可以分为两个类别，其中之一就是楼面活载荷，另外一种是自然环境载荷。所谓的楼面活载荷树妖是指设计基准期内载荷平均值的大小； 自然载荷水平的大小主要与基准期的长短有关。所以基准期越长，载荷的水平也就越高。
三、结构可靠度水平设定的标准问题
关于是否需要提高我国现有建筑结构可靠度的水平， 首先要解决结构可靠度水平设定的标准问题，将可靠度水平定得高些， 等于减少失效概率， 提高结构抵抗不定性因素的能力， 也可弥补一些主观不定性对变异性的影响， 减少结构风险， 但是却要为此付出相应的经济代价（ 用材料换来较大的结构抗力） 。因此它是与国家经济条件和人民生活水平紧密相关的，必须与国家经济条件和人民生活水平相协调， 不应该太高也不可太低。这个标准很难量化， 主要是根据国家的发达程度而定， 是带有政策性的标准。其原则应该是： 在经济条件许可下尽可能地将可靠度水平设得高些， 并做到安全与经济之间的平衡。
四、可靠度的应用和把握
可靠度理论强调三个正常，即正常设计、正常施工和正常使用，但正常和不正常有时不易界定。在现阶段，设计人员对可靠度的应用和把握上当然要以规范为基准，还要根据工程特点、使用环境、施工水平，还需要充分考虑我国的国情、经济能力、社会发展等各种因素。合理设置土建结构设计的安全水准，必须考虑工程失效的风险后果、社会的财富与资源供给、乃至公众的意向等多种因素。随着我国经济形势的巨大变化，有必要重新审视现行土建结构工程设计规范的安全设置水准。为此对可靠度的应用和把握提出以下建议：
1、对我国建筑结构设计规范采用可靠度设计方法的成功经验及存在问题进行认真地总结，特别是对可靠度理论有不同观点的意见更应认真对待。有关部门在推广可靠度方法的应用上，应专题研究，广泛征集各种意见，实事求是，完善可靠度设计方法的应用性及可操作性。
2、建筑结构作为特殊商品，确定其设计安全度的高低不再是纯政府行为。我国已进入一个新的发展时期，现在的建筑结构设计可靠度水准会直接影响到未来几十年的发展方向。提高我国建筑结构的安全度水平将有利于生产、生活水准的改善，有利于国民经济发展，也符合建筑物业主的利益和要求。建议主管部门组织论证，进一步收集不同意见，制定合理的、统一或不统一的可靠度水准。
3、 当然一个建筑结构的使用寿命如何除了与设计、施工的科学合理等先天因素有关外，还要在使用环境、正常的维护修理和定期的检测等因素下的耐久性要求来加以保证。对于重要土建工程，我国尚无必须进行安全检测的法规。特别是桥、隧等重要公共基础设施和公共建筑物，建议对其使用期内实施强制性的定期安全检测。为此，需要制定法规，编制相应的技术标准； 对于土建结构工程的检测与评估，也需要建立从业人员的注册制度和从业机构的资质认证与监管体制。
五、建筑结构可靠度理论发展趋势
1、结构系统的可靠度分析。在未来，结构系统可靠度分析会根据结构破坏水平，以及根据不同的极限状态 ，计算出一套针对性结构设计的方法。其表现是系统可靠度分析内容更为丰富，难度程度加大。
2、结构极限状态分析的改进。考虑的因素将会更加全面，如除了强度极限状态外，还需要考虑结构破坏安全极限状态、正常使用极限状态等其他情况。
3、人为差错的分析。许多结构的失效并不一定是由荷载不确定性造成。有可能是由于设计使用环节中人为造成的。因此，在未来可靠度研究中，会减少人为分析的出错。
4、模糊随机可靠度的研究。模糊随机可靠度理论会随着数学理论方法的完善得到进一步的改善。总之，在未来建筑行业中，建筑结构可靠度理论将会得到更加科学合理的运用，并且在该行业中起着不可替代的作用。
综上所述，建筑结构设计的可靠度是一项关乎到国计民生的研究项目，不仅关系到国家经济建设的发展，还关乎到人民生命财产安全。其水平能够反映出国家的建筑业、工程设计以及施工技术能力，甚至是一个国家的国民经济水准。近年来由于建筑结构的复杂性，多样性，越来越多的人对建筑结构可靠性研究有了一个全新的认识，这对建筑行业具有重大的现实意义。
参考文献
[1] 王玮.建筑工程结构可靠度设计的探讨[J].河南建材.2011（03）.
关键词 城市轨道交通,安全性,可靠性
虽然城市轨道交通的安全性与可靠性要远高于其他交通方式[1],但由于城市轨道交通系统的运营工作牵涉到城市千百万乘客安全正点出行,对建设和谐 社会 的 影响 重大,所以必须不断地研究和提高整个系统的安全性与可靠性水平。城市轨道交通系统是人-机-环境三方面相互作用的包含多种专业设备(设施)的结构非常复杂的客运系统,它的安全性与可靠性不仅要在规划、设计、建造时给予充分考虑,并且在运营管理中也要不断研究、改进和提高;不仅要考虑单个设施(设备)的安全性与可靠性,还需要从系统的角度整体研究其安全性与可靠性问题,发现各种潜在的不安全因素和故障模式,为整个系统的安全运营管理工作和设施(设备)改造计划提供 理论 依据。
对于我国城市轨道交通系统的安全性与可靠性研究, 目前 无论是理论研究还是 应用 实践层面,均尚未形成完整的体系[2]。本文采用系统工程的观点,阐述城市轨道交通系统安全性与可靠性的概念,探索整体研究轨道交通系统安全性与可靠性的方法,构建城市轨道交通系统安全性与可靠性工程框架以及管理组织结构和信息流程框架。
1 城市轨道交通系统安全性与可靠性概念
1.1 安全性与可靠性及其相互关系
安全性与可靠性是两个不同但又有密切联系的概念。在理论研究或应用研究领域,安全性与可靠性一般是分开来进行研究的,虽然它们的有些研究方法是一样的,但并没有统一的定义标准。一般来讲,“安全”表示系统的“完整”与“稳定”状态,安全性是指系统保持这种状态的能力。安全状态被破坏是因为意外事件的发生,即通常讲的“事故”发生,其特征指标是人员伤亡、设备财产损失或环境危害的程度。“可靠”表示系统性能的“保证”与“可信赖”,可靠性是指系统性能“保证”与“可信赖”的能力。可靠状态被破坏是因为自身某些能力的下降或消失,即通常讲的出现“故障”,其特征指标是系统某些性能下降或丧失的程度。
当某个系统的可靠性出现下降,则容易出现故障;当故障出现后,不仅造成系统性能的下降,而且可能会导致事故的发生,即系统安全性下降。反之,当有事故发生时,系统性能会下降或无法运转,此时的事故从可靠性角度讲就是故障。所以有时人们将“事故”与“故障”混用,但一般在安全性研究中用“事故”来描述事件,在可靠性研究中用“故障”来描述事件。
1.2城市轨道交通系统的安全性与可靠性
对于城市轨道交通系统,安全性指在系统运营过程中,保障“乘客和员工不受伤害以及设备(设施)不遭破坏”的能力;可靠性指在系统运营过程中,保障“乘客准时到达目的地”的能力。通常所讲的“保障乘客安全正点旅行”即包含了系统安全性与可靠性两方面的概念。
保障“乘客和员工不受伤害以及设备(设施)不遭破坏”的能力包含了两个方面,即不发生意外的安全(safety)和免遭破坏的安全(security);对应的事故也有两种,即意外发生的事故(accident)和故意造成的事件(incident)。
保障“乘客准时到达目的地”的能力也包含了两个方面:一是运输容量能力,二是列车按计划正点运行能力。因乘车人多造成拥挤而导致无法登乘、列车无法准时出发,以及由此引发的后续列车运行延误和车底周转延误属于前者;因技术或管理原因造成的运营中断、列车延误,以及由此引发的后续列车运行延误和车底周转延误,或维修延误造成的列车运行延误等属于后者。
另外,城市轨道交通系统的可靠性也可用保障“乘客方便舒适地旅行”的能力来表示。如车站的乘客引导系统、自动售票机、兑币机、残疾人电梯、车箱内饰设施等,这些设备发生故障可能并不影响列车的正点运行,但会给乘客带来不便或不舒服。此项能力可作为更高一级的可靠性能力,即正点运营可靠性基础上的服务质量可靠性。
1.3 城市轨道交通系统安全性与可靠性指标
系统安全性指标可以用整个系统或某条线路的人员伤亡率和设备(设施)损失率来反映保障“乘客和员工不受伤害以及设备(设施)不遭破坏”的能力。
系统可靠性指标可以用整个系统或某条线路的运营可靠度、运营恢复度及运营利用率等来表示保障“乘客准时到达目的地”的能力(具体定义与 计算 另文阐述)。
2 城市轨道交通系统的安全性工程框架
安全性工程也可称为安全系统工程或安全保障体系, 内容 包括了安全生产、安全管理、安全技术、劳动保护、事故应急与调查处理以及安全性研究等各个方面。对这些工作制定的一系列计划、安排、实施、检查等措施方案或规章制度统称为安全性工程大纲[2]。与这些安全工作相关的理论或应用研究都可以称为系统安全性研究。所有针对人不安全行为和物不安全状态的 分析 、发现、评价、监控、预防, 以及变为事故后的应急、救援、调查、处理等,都是安全性研究的内容。
城市轨道交通系统有许多保障安全运营的技术和管理措施。如上海地铁运营有限公司管辖的轨道交通系统,技术层面上采用了大量的监视与控制系统(ATS,ATP,FAS,SCADA,BAS等)及各种维修(维护)措施;管理层面有分级安全管理组织、安全管理制度、运营质量管理体系、设备维护管理系统、管理信息系统、应急预案等机制。这些技术和管理措施以及对它们的研究工作应该按照系统工程的原则建立一个统一的体系。本文针对城市轨道交通系统的结构与运转特点,构建了城市轨道交通系统安全性工程框架,如图1所示。
2.1 安全技术体系
安全技术体系包含了各种安全保障或事故预防的技术措施,一般在线路设计建造时实现,也可在既有线改造时实施,主要有设备(设施)的固有可靠性提高、冗余、监控、检测、维护、维修、保护等技术措施;按专业可分为车辆、线路、通号、供电、客运等的安全技术措施;按区域可分为控制中心、列车运行、车站、隧道、桥梁、变电站、车辆段、通号基地等的安全技术措施。
2.2 安全管理体系
安全管理体系包含了安全管理组织结构、各种安全活动计划、安全制度等内容。本文根据城市轨道交通系统管理组织结构的现状,提出了轨道交通系统安全性与可靠性管理组织的结构框架(见图2)。图中的安全组织结构为三级安全组织管理体制:公司决策层有分管安全性与可靠性的负责人;中间管理层有专门负责安全性与可靠性的职能部门;各专业分公司操作层有专职安全性与可靠性的责任小组。职能部门负责安全性与可靠性管理制度的制订及实施情况监督、安全性与可靠性信息管理系统的管理、安全性与可靠性分析评估及预警系统的管理等工作。责任小组负责事故与故障信息的录入、相关制度执行情况监督等工作。通过安全性与可靠性综合信息平台实现安全性与可靠性的动态管理。
2.3 事故应急体系
事故应急体系由应急技术与应急管理(应急预案)组成,主要有应急救援、应急运营、应急装备、事故处理等方面的 内容 。由于事故应急的重要性以及必须具备快速响应和联动调度的机制[3],所以列为单独的一个体系。
2.4 安全性 研究 体系
对于城市轨道 交通 系统,安全性研究体系主要有五个方面的内容:安全技术研究;安全管理研究;事故应急机制及预案研究;事故调查 分析 ;系统安全性分析与评价。安全性研究的核心是发现、分析和评价系统中存在的不安全因素[4],研究和开发各种针对高危险状态的监控系统、检测技术、事故预防和应急措施,制定防止不安全因素转化为事故发生和事故发生后减少损失的安全管理规章制度,以及对这些规章制度的实施、检查及评价等。
在安全性研究的所有内容中,最基本的是安全性分析和安全性评估[4]。 目前 国内外研究及 应用 得较成熟的安全性分析和评估 方法 或 理论 主要有初步危害分析、事故树分析、事件树分析、因果分析图法、安全检查表法、事故致因理论、安全行为论、综合安全评价、安全管理体系评估法等。这些理论或方法主要可归纳为两大类:一类为分析类,即发现隐患,识别危险性,寻找原因;另一类为评价类,即确定危险程度或安全程度。而评价又可分为两类:一类是系统内部各危险行为或状态的分析评价,确定出各种不安全行为或状态的危险程度高低,给安全管理工作提供 参考 ;另一类是比较评价,即确定 影响 系统安全性各个因素的重要程度和好坏程度,用于安全性评比。
3 城市轨道交通系统的可靠性工程框架
可靠性工程包括了可靠性与维修性两方面。可靠性工程是指依靠相关的可靠性理论,对具体系统进行的可靠性与维修性设计、分析、试验、评估、改进、提高等工作。对这些工作制定的一系列计划、安排、实施、检查等方案或规章制度统称为可靠性与维修性工程大纲。对这些工作进行的理论或应用研究统称为可靠性研究。可靠性理论的研究主要有可靠性数学、可靠性与维修性模型、可靠性与维修性分析、可靠性与维修性预测与增长、可靠性与维修性试验、可靠性与维修性管理等。而可靠性应用研究是指依靠相关的可靠性理论,对具体系统进行的可靠性设计、分析、试验、评估、改进、提高等。
对于城市轨道交通系统,在设计建造时为了提高各种设备(设施)的可靠性,尤其是列车运行的可靠性,采用了大量的冗余技术和监控系统,在使用时制定有严格的定期或状态维修(维护)制度,以保障设备(设施)的使用可靠性。本文针对城市轨道交通系统的特点,构建了城市轨道交通系统可靠性工程框架,如图3所示。
3.1 可靠性技术体系
可靠性技术体系包含了设备(设施)的固有可靠性提高,诊断(检测、监测),可靠性试验(验证)等技术措施。固有可靠性技术包含了冗余、备份等技术措施。城市轨道交通系统按专业可分为车辆设备、线路(车站)设施、通号系统、供电系统、列车自动控制系统等可靠性技术措施。
3.2 可靠性管理体系
可靠性管理是系统可靠性工程的一个重要组成部分。城市轨道交通系统的可靠性管理体系主要包含可靠性管理组织结构,设备(设施)的验收、维修、维护制度,故障统计、分析、汇报制度等方面。可靠性管理体系的组织结构和信息流程通道可以与安全性的共享(见图2)。
3.3维修性技术体系
维修性技术体系包含了设备(设施)的维修策略,故障的检测、诊断、隔离、维修技术措施,以及维修性验证等内容。城市轨道交通系统按专业可分为车辆、线路、供电、通号、车站等的维修(维护)措施。
3.4 可靠性研究体系
城市轨道交通系统的可靠性研究体系主要包括对设备(设施)的可靠性设计、分析、试验、验证、评估、改进,以及对整个系统或各子系统的可靠性分析、评估,维修性试验、验证,建立可靠性模型等内容。
在可靠性研究的所有内容中,最基本的是可靠性分析和可靠性评估[6]。目前国内外研究及应用得较成熟的可靠性分析和评估方法或理论主要有故障模式影响及危害性分析、事故树分析、潜在状态分析、共因故障分析、维修性分析等。
4 结语
城市轨道交通系统是一个牵涉到多种技术领域,由多种设备、多种硬软件、多种设施组成的复杂系统。根据国外经验,大型系统全面和完善的安全性、可靠性研究与应用,需要有数十年的经验积累,并且有专门的工作部门专项负责安全性或可靠性的研究与措施的落实。我国在大力建设城市轨道交通系统的同时,必须不断地研究和提高整个系统的安全性与可靠性。本文构建的城市轨道交通安全性与可靠性工程框架,旨在给出一种系统思想,为今后在我国城市轨道交通的建设和运营管理中研究、解决安全性与可靠性 问题 提供参考。
参考 文献 [2]陈 铁,管旭日,孙力彤.城市轨道交通综合安全管理体系研究[J].城市轨道交通研究,2004(1):16.
[3]张殿业,金 键,杨京帅.城市轨道交通安全研究体系[J].都市快轨交通,2004(4):1.
[4]崔艳萍,唐祯敏,武 旭.地铁行车安全保障系统的研究[J].城市轨道交通研究,2004(5):23.
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