结构可靠度( structural reliability )是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。换句话说,结构可靠度方法要解决的根本问题是: 在给定一个或多个材料特性或几何尺寸,而这些特性具有随机的或不完全知道的性质,以及在某些方面,结构上作用的荷载具有随机的或不完全知道的特性的情况下,结构按预定方式工作的概率是多少?
众所周知,结构设计理论经过了以弹性极限理论为基础的容许应力设计方法、以塑性极限理论为基础的破损阶段设计方法,直至多系数极限状态设计方法。其中“安全度” 是结构设计中最为重要的概念。虽然“安全度”是结构物用来抵抗影响结构的各种不利因素,以保证结构物的承载能力和正常使用所必备的安全储备,但是,众多结构毁坏事故的分析表明,所谓确定性的“安全度”指标还远不足以达到“安全”的程度。几十年来的实验和经验已经证明,须将“ 结构可靠度”作为结构安全性、使用性和耐久性的综合指标。这样,可靠度就具有了比“安全度”更为广泛的含义。 早在 1930 年代,美国国防部主要围绕飞机 和德国 V-2 火箭 失效问题进行了一系列可靠度的分析研究,从而促进了美国太空计划的研究和实施。 1946 年, Freudenthal 发表了题为“结构的可靠度”的论文,开创了以可靠度为基础的结构设计理论和方法。
到 1960 年代,美国的 Cornell 建立了二阶矩表达的简单可靠度指标,用来等效表示结构失效概率( failure probability ,结构不能完成预定功能的概率)。 1970 年代中期,加拿大的 Lind 采用分离函数将可靠度指标表达成确定性设计方法中的分项安全系数,而美国的 Ang 则采用可靠度方法设计了波音飞机的起落架系统。 1970 年代后期,丹麦的 Ditlevsen 提出了一般可靠度指标的定义,克服了简单可靠度指标的局限性。进入 1980 年代之后, 丹麦的 Krenk 和美国的 Wen 等建立了荷载概率模型, Ditlevsen 和挪威的 Madsen 等在结构动力可靠度和结构体系可靠度的理论研究中取得了许多重要的进展,扩大与促进了结构可靠度设计方法的实际应用。目前,国际标准委员会( ISO )和国际安全联合委员会( JCSS )都定期编制结构可靠度设计的统一标准,而诸如 PROBAN 、 STRUREL 和 ANSYS 等许多 国际知名的结构分析和设计 软件都包含了有关结构可靠度分析和设计的部分。
我国的结构可靠度研究始于上世纪 50 年代, 1970 年代,我国工业与民用建筑、公路桥梁、水利水电工程以及港口工程等设计规范已经开始涉及所谓“可靠度”的概念, 1980 年代,在结构可靠度的基本理论和设计方法方面进行了大量的研究工作。 1984 年,我国颁布了《建筑结构统一标准》( GBJ68-84 ) , 这标志着我国建筑设计理论与设计规范进入了一个新的阶段,即采用以概率理论为基础的极限状态设计方法的阶段。全国结构可靠度委员会自 1987 年起,每两年组织召开一次全国性的学术会议,实际上,在此后的若干年间,一直在酝酿着一部新规范的诞生。由建设部会同有关部门共同修订的《建筑结构可靠度设计统一标准( GB50068 - 2002 )》和《建筑结构荷载规范( GB5009 - 2001 )》终于经建设部批准并分别于 2002 年 3 月 1 日起实行,同时进行修订的《混凝土结构设计规范》 (GB 50010-2002) ,在结构可靠度、设计计算、配筋构造等方面均有一系列的重大更新和补充,经过专家审查、专题论证、试设计、两次征求全国有关单位意见,提高了规范的科学合理性与先进性,进一步适应了现代建筑混凝土结构设计的需要。
因此,从上世纪 80 至 90 年代末,我国广大结构工程设计人员、有关技术人员以及大专院校师生就不断地面临着一个熟悉新规范、掌握新规范和贯彻实施新规范的任务。
在国外有关结构可靠度的众多著作中, 丹麦的 O.Ditlevsen 和挪威的 H. O.Madsen 合著的著作《 Structural Reliability Methods 》( John wiley & Sons , 1996 )享有崇高国际学术声誉。同济大学出版社于今年 9 月出版的由交通大学何军博士译著的《结构可靠度方法》的主要内容即译自这本名著,译者同时参照原著 2004 年的网络版,修订并充实了部分内容。 O. Ditlevsen 现任丹麦工业大学教授,从事随机力学、结构可靠度和荷载建模的研究,曾任麻省理工学院、慕尼黑工业大学、亚特兰大大学及加州理工学院伯克利分校等十余所大学的访问教授, 2004 年荣获美国土木工程协会颁发的 Alfred M. Freudenthal 奖章。 H. O. Madsen 博士现为 DNV 执行委员会成员及 DNV 认证机构首席运行官, 从事结构动力可靠度和荷载建模研究, 曾获丹麦工业大学 Ostenfeld 金奖及波兰华沙工业大学荣誉奖章。两位原著者的学术成就为国际公认。
本书内容包括导论、分项安全系数方法、概率信息、简单可靠度指标、几何可靠度指标、一般可靠度指标、变换、敏感性分析、蒙特卡洛方法、荷载组合、统计不确定性和模型不确定性、基本决策原理、已建结构的可靠度、系统可靠度分析及过程描述等十五章,另外,还附有规范校订、 Nataf 分布与相关系数和对在结构设计中直接使用可靠度方法的规范的建议等三个附录。本书按正文、例题和小结来构架,虽然阅读本书的读者,已经具备概率计算和统计推理的基本背景知识,而且对于诸如均值、标准差、变异系数、协方差、相关系数、分布函数、密度函数、概率与样本等专业名词已经比较熟悉,但在相关处,本书仍以小结的形式概括了有关内容的最重要定义和理论,同时谨慎地介绍了那些超出基础知识范围的数学概念。为了掌握材料强度与结构分析的必要知识,仅要求读者了解平衡原理、应力与应变的概念以及熟悉基础的弹性与塑性理论。
《结构可靠度方法》中还不时地 论述了结构可靠度方法的哲学、逻辑和数学原理 , 广泛地涉及了适用于高速计算机的可靠度方法, 涵盖了材料及荷载的随机性、工程数据的不完备性、分析模型的不确定性,以及人为误差等导致的结构可靠度设计、改造和优化等问题。虽然,本书针对的是土木工程专业,但其论述的概率和数理统计的可靠度基本方法及原理,对于力学、机械、机电、汽车和航天航空等专业,甚至 在经济、政治和管理等方面, 也是普遍适用的。 本书论述的可靠度方法与基本理论可供有兴趣的大学理工科以及经管类等专业学生的浏览阅读,定会扩展自己的专业面,为今后在自己的专业领域发挥潜能提供帮助。
在国家自然科学基金的资助下,上海交通大学何军博士历时两年完成《结构可靠度方法》的翻译和修订工作。他翻译认真,一丝不苟,对译文进行了十多次的反复修改。当我以第一读者拜读书稿时,原作者(通过本译文)娓娓道来的可靠性与概率理论,及不知不觉中融入了可靠性原理的哲学思想和逻辑推理,令我感到如饮潺潺泉水般的甜醇,如沐习习微风般的清爽。当读完译稿,我建议何军博士在译文的某些方面再作进一步修改,一份修改建议(通过 E-mail )立即得到何博士的积极响应,从他发来的电子文档表明,他的修改工作均是在半夜至凌晨之间完成的,作为责任编辑的我,大为惊讶:出版社的书稿经我初审、复审和终审的中青年作者无法计数,但像何军博士如此认真的治学态度和敬业精神,在当今烦躁喧闹的社会环境里,尤其感人至深。我们期待,《结构可靠度方法》的出版,能产生良好的科技和经济效益。