服役工程结构可靠性理论及应用

服役工程结构可靠度计算理论的基本问题，文献［12］、文献［16］和文献［42］等都曾较为详细地讨论过。从应用的角度出发，服役结构可靠度是结构时变可靠度，既包括结构抗力和荷载的时变性，也包含结构继续服役期目标可靠指标的时变性，以及相应的维修加固决策问题；从可靠性定义出发，既包括服役结构的安全性，也包括其耐久性和适用性问题。从该研究领域的发展过程分析，服役结构可靠度计算理论的发展也是从构件的可靠度计算过渡到结构及其体系可靠度计算的，并由此向耐久性分析和“生命周期”可靠性及维修加固决策等应用方向发展。

1.3.2.1　服役工程结构可靠度计算理论

文献［12］、文献［59］和文献［86］～文献［88］等都研究了服役结构的构件（时变）可靠度计算方法问题，其中文献［86］将随机过程离散为随机变量，由高维积分问题转化为可用一次二阶矩法求解。服役构件的时变可靠度计算的基本理论是与设计的拟建构件类似的，但服役结构体系可靠度的计算比构件可靠度的计算要复杂。结构体系可靠度的计算还基本处于理论研究阶段，其计算主要包括三个步骤，即搜寻结构的主要失效模式、根据各主要失效模式的极限状态方程计算各失效模式下的失效概率、由各主要失效模式的失效概率计算体系的失效概率。一般来讲，第一和第三步比较困难，因为工程结构一般具有很高的冗余度，其失效模式多，且失效模式之间的相关性复杂，但对服役结构而言，第二步也较为困难，因为要考虑各失效模式在已经历的荷载历史中的表现，即验证模式的问题［42，61］。不过，第二步的计算原理和方法与设计阶段的可靠度计算并没有本质的不同［12，42］。

对于服役工程结构体系可靠度的计算，文献［71］在讨论受损并联结构的时变可靠度时，即考虑到了失效路径问题和抗力衰减函数中参数对体系的时变可靠度的影响；考虑到工程结构体系的高冗余度，文献［89］从余度衡准（Redundant Criteria）的角度用半概率的方法分析了服役海洋钻井架的系统安全性；文献［90］基于损伤检测，利用模糊数学方法评定服役结构系统的安全性，其中的状态评估方法至今在一些研究文献中还有应用；文献［91］提出了一个对延性结构系统的主要失效模式的快速识别方法。根据数值模拟技术，文献［92］针对结构时变可靠度提出了改进的重要抽样方法，以实现其系统可靠度计算；文献［93］中则是利用改进的重要抽样法分析了考虑时变抗力和荷载效应的时变可靠度，并分析了确定性和随机性抗力衰减下的并联结构系统的可靠度。在施工历史上产生的人为差错（Human Error）将影响服役结构构件及其体系的可靠度，为此，文献［94］曾定义了一个差错度量值，并以此为基础分析了由施工时产生的人为差错、验证荷载及无观测资料和有观测资料等几种情况下的时变可靠度。文献［95］的近似方法则考虑到了荷载过程的随机性、抗力的不确定性和损伤初始时间等对服役结构可靠度的影响。另外，考虑服役结构使用历史上曾经出现过的荷载（即验证荷载）及验证荷载的影响，一直是服役工程结构抗力评估和可靠性评价的重要方法之一［42，61］。文献［96］在已有的研究基础上，曾系统地对服役桥梁结构可靠性评估中的验证荷载试验方法进行过研究，并分析了桥梁结构验证荷载中的恒载与活载之比及组合后的荷载密度函数对其可靠度的影响，但抗力衰减函数仍然使用了指数型函数形式。

我国在服役工程结构可靠性分析理论、土木工程基础设施减灾基础研究、结构抗震和抗风振动控制等方面取得诸多的进展和成果［2，41，97～100］；另外，基于可靠度的结构优化设计研究和基于功能的可靠性设计研究也是目前较为前沿的研究课题，其中涉及到结构时变可靠度计算理论、结构优化理论、经济分析理论和结构计算理论等［34，101～103］。(www.xing528.com)

1.3.2.2　服役工程结构耐久性和寿命预测理论及应用

服役工程结构的耐久性评估理论及结构寿命预测，是目前服役结构可靠性研究的重点，有关工程结构的维修和管理方面的研究都涉及到结构耐久性问题。对于钢筋混凝土结构的耐久性研究，从材料层面到整体结构耐久性研究都有一定的成果［38，86］，主要涉及到的是其中的钢筋锈蚀和混凝土碳化规律的研究，研究手段一般是基于试验结论的理论模拟。对于RC结构中的混凝土碳化深度的模拟，包括利用神经元对混凝土碳化进行预测［104］，碳化深度的经验计算公式［105］及应用于其碳化寿命的预测［106，107］；材料与构件层次的研究中，包括材料的强度时变模型［109］、构件的承载力模拟［75，80，110，111，112］和基于钢筋锈蚀的寿命预测［77，101］等。

在这一研究领域中，还应用有关数学理论开展了研究，如利用模糊集处理不确定性以评定RC结构构件的耐久性和生存寿命［113］，将模糊数学和灰色理论的思想引入到结构的生存分析及耐久性评价中［114，115］，以及根据结构裂缝的发展来预测其使用寿命等［116］。近年来，还开展了基于可靠度的维修加固经济分析［112，117～119］。但是，即使是在RC结构的材料研究层次方面也还没有得出可应用的结论［120，121］，如混凝土和钢筋强度的退化规律、由材料性能退化引起的粘结性能的退化机理、混凝土碳化机理和碳化深度的预测等。