APPLICATIONS AND DEVELOPMENTS OF STRUCTURAL R.FT,TARIT,TTY THEORY ABROAD

Abstract: With the development of structural reliability theory，in the 1970' s，many countries in the world have started trying to revise structural design codes or specifications based on reliability theory .Especially with the publication of the international standard“ISO/DIS2394;General principles on reliability for structures" and EUROCODE becoming the normal code for European counties，the applications of structural reliability theory have entered a new era .Based on a rather detailed review of related documents，this paper outlines the applications and developments of structural reliability theory abroad，with emphasis on the aspects of international organizations dealing with structural reliability，structural reliability theory implementations in design codes，research in other areas as well as training and education.

Keywords: structural engineering; reliability; standard; code

1 引言

    工程结构的安全性历来是设计中的重大问题，这是因为结构工程的建造耗资巨大，一旦失效不仅会造成结构本身和人民生命财产的巨大损失，还往往产生难以估量的次生灾害和附加损失。结构安全性的设定是一个涉及国家政策、经济发展水平、社会文化背景、历史传统等多方面的问题，在相当程度上反映在一个国家的设计规范中。

    结构设计规范是众多科技工作者智慧的结晶，代表着一个国家结构设计理论发展的水平。作为标准，它不是一成不变的，而是随着科学技术的不断发展和对客观世界的新认识，在继承旧规范合理部分的同时，不断吸收新的研究成果，逐步修订和完善。结构安全性控制方法的发展也是如此，先是由定值设计法发展为半概率法，目前正由半概率法逐步向概率极限状态设计法(可靠度设计方法)过渡。同结构设计规范的发展过程一样，概率极限状态设计方法本身也是由简单到复杂，需要不断完善的过程。本文将根据作者本人掌握的资料，对国外可靠度理论的应用情况做简单的论述。

2 涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议

2.1 国际标准化组织ISO与国际标准ISO 2394

    ISO是由世界上148个国家组成的国际标准机构，是一个非政府组织，遵循一个国家为一个代表的原则。1947年2月23日成立，总部设在瑞士日内瓦。

    ISO/TC 98为结构设计基础委员会，该委员会的职责是从总体上分析和协调制订有关结构(包括钢、砖石、混凝土、木等)可靠性的基本要求。所以说ISO/TC 98是协调、组织建筑和土木工程领域国际标准的一个机构。其主要工作领域为：

• 结构可靠性中的术语和符号(ISO/TC98/SCI)
• 结构可靠性(ISO TC 98/ SC 2)
• 结构上的荷载、力及其他作用(ISO/TC 98/ SC 3)

    ISO'TC 98/SC 2目前编制的国际标准包括ISO2394: 1998《结构可靠性总原则》，ISO 10137 : 1992《结构设计基础一建筑物抗振适用性》，ISO 12491:1997《建筑材料和构件质量控制中的统计方法》和ISO/ FDIS 13822《结构设计基础一已有结构评定》。

    ISO 2394 : 1998《结构可靠性总原则》[1]是一本关于结构可靠性设计方法的国际标准。1986年的版本只有十几页，而1998年的版本有六十多页，内容增加很多，如增加了疲劳可靠性、已有结构可靠性评估、基于试验的结构可靠性设计等方面的内容，有些方面的内容也更加详尽，如引进了结构使用年限的概念、环境影响等与结构耐久性有关的内容。ISO 2394 在国际上有很大影响，许多国家有关规范编制、修订都参考了该标准。

2.2 欧洲标准化委员会CEN与欧洲规范EN 1990:2002

2.2.1 欧洲规范项目的背景

    20世纪80年代末和90年代，在欧洲标准技术委员会CEN/TC-250的组织和协调下，首先编制了一套欧洲试行规范ENV1991-ENVl 999。经过一段时间的使用后，欧洲标准技术委员会决定，通过修订和补充，将欧洲试行规范转变为欧洲正式规范，即欧洲规范。欧洲结构规范是一配套使用的土木工程设计规范，有英语、法语和德语三种语言的官方版本。这套规范的第一本为EN1990 : 2002结构设计基础[2]。

    EN 1990是一本以结构可靠性原理作为指导原则的规范，其理论背景是ISO 2394和CEB公报。EN1990的“附录C:分项系数设计与可靠性分析基础”和“附录B:工程结构可靠性的管理”解释了EN1990的理论基础。在EN 1990正式颁布之前，SAKO，北欧结构事务联合会受NKB和INSTA-B的委托，针对北欧的情况，考虑混凝土、钢材和木材三种主要结构材料，通过可靠度分析对不同永久作用与可变作用比值下安全水平的一致性进行了比较。项目完成后，立评审。

2.2.2 欧洲规范的地位、应用领域及执行时间表

    如前所述，按照欧洲标准化委员会的规定，欧洲规范作为标注为EN的欧洲标准，它负有必须被各成员国一级采用的责任，一旦采用后就具有国家标准的合法地位，而其他的原有国家标准必须撤消。所以，欧洲规范规定，这些执行欧洲规范国家的标准应包括欧洲规范的全文(包括所有附录)，可以在各自国家标准的前面附以国家标题页和前言，后面附以国家附录。考虑到每一成员国规范管理机构的责任，国与国之间安全水平的不同，保留各成员国根据他们的具体情况确定与安全有关的参数值的权利。而国家附录仅包括那些欧洲规范中留做待定、供成员国选择的参数和有关信息，这些参数称为用来进行建筑和土木工程设计的国家参数，包括:①欧洲规范给出的可供选择的值或等级;②在欧洲规范中只给出了符号的值;③国家的专用数据(地理，气候等)，如雪分布图;④欧洲规范给出的可供选择的方法，包括应用信息性附录和为帮助用户使用欧洲规范，无抵触的补充参考资料。

    欧洲标准化委员会CEN与国际标准化组织ISO有着极其密切的关系。根据1991年ISO和CEN之间缔结的维也纳协定，对于CEN先行制定的标准，ISO将不再另行制定，用CEN制定的标准作为ISO相应部分标准的草案。勿容质疑，像欧洲规范这样的地域性标准改为国际规范的做法将会受到世界各国的关注。

2.3 国际结构安全度联合会JCSS与概率模式规范

    1971年，协调六个国际土木工程协会活动的联络委员会创建了国际结构安全度联合会JCSS。JCSS先后起草并出版了多个有关结构安全性的文件，这些文件成为编制不同类型结构设计和建造指导文件的背景材料，其中包括ISO文件、CEB和ECCS模式规范。1985年JCSS改组后制定的主要工作目标是：

    a)将新的基础科学知识转化为规范编制前可以应用的原理。

    b)承担编写关于安全性、可靠性和质量保证最新文献的任务，包括可靠度方法和模式的发展动态。

    c)增进安全性、可靠性方面的一般知识和了解，加强结构质量保证技术与结构可靠性评估的交流。

    d)为成员协会在相关主题的技术合作提供一个框架，鼓励研究，传播信息。

    JCSS一直致力于编制一本《概率模式规范》[3]其目的是探讨直接用概率原理对结构进行设计的方法。《概率模式规范》共分四部分，第一部分—设计基础，阐述了结构可靠性的基本概念，在附录中以较多的篇幅论述了结构可靠度的计算原理。特别在“附录D:概率的贝叶斯解释”中，提到了用贝叶斯方法理解结构可靠性的重要性;第二部分—荷载模型，讨论了结构设计中各种荷载的随机变量、随机场和随机过程模型及荷载组合方法;第三部分—材料特性，论述了各种材料的随机特性和质量控制策略及结构抗力的概率模型;第四部分—应用实例，用钢筋混凝土板、钢梁、二层钢框架结构和多层框架中的钢筋混凝土柱四个例子介绍了直接用可靠度理论进行设计的方法。

    除《概率模式规范》外，JCSS还在编制《已有结构评估规范》。尽管JCSS编制的规范不是正式的规范，但这些文件及其中的方法对有关国际标准和规范(如ISO 2394 , EN 1990等)编制和修订起了重要参考作用。 

2.4 国际结构安全度与可靠度协会IASSAR和国际会议ICOSSAR

    国际结构安全度与可靠度协会(IASSAR)是一个专门从事结构随机性、安全度和可靠度研究、教育和将可靠性理论转化为工程应用的国际机构，在结构随机性研究方面涉及的范围包括:计算随机力学，随机动力学，系统可靠度和优化，随机有限元、疲劳和损伤分析，系统识别。该协会自1969年由结构可靠度研究先驱Freudenthal A. M.教授创始以来，共组织了8次国际结构安全度和可靠度的大型会议(ICOSSAR)。每次会议都出版一套关于结构随机性、可靠性的论文集。为了表彰一直从事可靠性研究并做出杰出贡献的学者，每次会议期间还针对上述6个研究领域评选出一个IASSAR杰出研究奖和一个IASSAR青年研究奖。除研究奖外，每次会议还评选出一个在可靠性教育、将可靠性理论转化为工程应用方面做出突出贡献的IASSAR特别贡献奖。 

2.5土木工程风险与可靠度协会CERRA和统计与概率应用国际会议ICASP

    统计与概率应用国际会议(ICASP)是一个由土木工程风险与可靠度协会(CE RRA)资助的国际大型会议，每4年举行一次，其宗旨是为工程师、科学家、教育家、研究人员和从事工程实践的人员提供一个信息交流的舞台，会议主题包括所有土木工程方面的风险和不确定性管理。最近召开的一次会议是第九次会议，于2003年7月6 -9日在美国旧金山召开，由加利福尼亚大学伯克利分校土木与环境系和CERRA共同主办。第十次会议将于2007年在日本举行。

3 世界一些国家应用可靠性理论的情况

3.1 北美洲

    在北美，美国是结构可靠性理论与应用的代表，也是国际上较早开展结构可靠度研究的国家之一，公认1947年美国Freudenthal A. M.教授的论文“结构安全性”是结构可靠性理论系统研究的开始，在实用化方面，1969年美国Cornell, C. A.教授提出了结构可靠指标的概念。20世纪60一70年代，美国在发生了一些房屋安全事故后，引发了对建筑物安全问题的重新思考，认识到容许应力设计法的缺陷，以及为保证结构极端情况下安全性和正常使用情况下良好工作性能的重要性。结合当时可靠性理论的研究，探讨考虑荷载和材料性能随机性的可靠度设计方法。钢结构规范中荷载和抗力系数设计(LRFD)方法的提出是美国结构可靠度理论应用的开端。但随后意识到必须将荷载系数与结构材料有关的系数相分离，否则会出现因各规范编制组协调不好，不同材料结构中的同种荷载分项系数不同的不合理局面。在这种前提下，确立了美国国家标准委员会A58《建筑及其他结构最小设计荷载规范》的独特地位。

   1978年，在美国建筑技术中心结构分部工作的Ellingwood教授主持了基于概率的极限状态设计荷载要求的研究项目。研究工作的目标是:(1)提出一套适合于所有类型建筑的荷载系数与荷载组合系数;(2)提出一种供各材料规范选择与A58荷载要求和其性能目标协调的抗力准则。研究成果反映在1980年出版的NBS特别报告577“美国国家标准A58基于概率的荷载准则”中[4]，随后的工作则是基于概率的设计理论在各种结构中的应用。NBS特别报告577的概率荷载准则首次在1982年版的美国国家标准A58中得到应用，1985年开始由美国土木工程师学会(ASCE)按标准7出版，自1982年至今一直为美国所有标准、规范极限状态设计方法所参考，这包括美国钢结构协会的钢结构规范AISI (1986 , 1994和2000年版)、木结构ASCE标准16一95及美国混凝土协会混凝土规范ACI 318一96(附录C)。

   ACI 318一96在附录C给出ASCE标准7荷载系数的原因是[5]:(1)在“混合型”结构(如有钢筋混凝土剪力墙的钢框架，支撑在混凝土基础上的钢柱及钢筋混凝土柱、复合楼板和钢梁的建筑)设计中，采用ASCE标准7的荷载组合意味着采用了同一套荷载系数;(2)对ACI 318一96第9章的荷载组合和强度折减系数的可靠度分析表明，随可变荷载与永久荷载比值的增大，可靠指标降低。而对附录C中的荷载组合和强度折减系数的可靠度分析表明，可靠指标随可变荷载与永久荷载比值变化的幅度较小，即可靠度的一致性较好;(3)对于可变荷载与永久荷载比值较小的风荷载设计的情况，可靠度较永久荷载的情况低。

    在美国混凝土规范ACI 318一02中，将抗力折减系数必由0.8提高到0.9，这将导致梁板等受弯构件的纵向受拉钢筋减少约10%。在解释这一变化时，该规范指出是基于过去和现在的可靠度分析、对材料性能的统计研究以及委员会的意见。

    1995年，美国钢铁协会(AISI)的规范委员会、加拿大标准协会(CSA)的S136规范委员会和墨西哥标准协会(CANACE RO)组成了北美规范委员会，委员会由代表AISI规范委员会、CSA 5136规范委员会和墨西哥CANACERO的三个成员组成。委员会每年会聚两次，共同编制适合于三国使用的钢结构规范，《冷轧成型钢结构构件设计规范》(AISI 2001)于2001年颁布。该规范分别取代了使用了50多年的美国《冷轧成型钢结构构件设计规范》( AISI 1996和AISI 1999)、加拿大使用了多年的《冷轧成型钢结构构件标准》(5136)。AISI 2001考虑了三个国家的共性和各自的特点，允许采用三种设计方法:容许应力设计法(ASD)、荷载与抗力系数设计法(LRFD)和极限状态设计法(LSD)。容许应力设计法和荷载与抗力系数设计法限于美国和墨西哥使用，极限状态设计法限于加拿大使用。除术语、荷载系数、荷载组合和目标可靠指标不同外，荷载与抗力系数设计法和极限状态设计法实质是相同的。因为美国和加拿大采用的目标可靠度不同，采用的荷载与抗力系数不同，美国和墨西哥采用的抗力系数也不同。

    在公路桥梁方面，新一代的美国和加拿大规范都采用了基于概率的荷载与抗力系数设计规范，如美国州公路与运输官员协会的《桥梁荷载与抗力系数设计规范》( AASHTO LRFD 1994)，加拿大《安大略公路桥梁设计规范》(OHBDC 1979, 1983，1991)和《加拿大公路桥梁设计规范》( CHBDC 2000)。在美国，公路管理联合会(F H WA)重视支持长远技术项目的研究，其中之一是贯彻荷载与抗力系数设计方法。美国州公路与运输官员协会制定了一个过渡时间表，2007年10月1日之后，所有新桥的设计必须使用荷载与抗力系数设计规范[6]。

    美国工兵部队水道实验站在港口与海岸工程的概率设计方面也做了大量工作，《海岸工程手册》第VI部分的第6章就是海岸结构基于可靠度设计方面的内容[7]。该章针对不同的失效概率，给出了防波堤不同护面层稳定性验算、混凝土块体和岩石护脚护道验算、扭工字块体断裂验算、爬高验算、冲刷深度验算、沉箱基础验算、沉箱滑移和倾覆验算公式的分项系数。1998年，美国工兵部队还结合计算机辅助结构工程项目，编制了一套评估混凝土重力结构稳定性可靠度的软件，目的是推动可靠度方法在混凝土重力结构稳定性评估中的应用。

    在美国2002年版的《国家电力安全规范》( NESC)中，提出了户外电力设施、通讯线路和结构安全准则。2003年美国土木工程师学会(ASCE)编制了“电力设施基于可靠度的设计手册”，NESC成员正积极与ASCE合作，争取将设计手册的研究成果应用于2007年版的《国家电力安全规范》中[8]。

    在加拿大公路桥梁建设飞速发展的20世纪50年代和60年代，一直采用美国AASHTO桥梁规范，直到1979年加拿大编制了第一本极限状态的桥梁设计规范。1983年，加拿大安大略编制了第二版的极限状态设计规范(采用LRFD)，并变为强制性的。这一规范是按上部结构可靠指标β=3.5制订的。1991年颁布了第三版的规范，同样采用了可靠度方法。承载能力极限状态的可靠指标β=3.5，正常使用极限状态的可靠指标,β= 1. 0 [9]。1998年颁布了第四版的加拿大安大略规范，这一版也是加拿大第一个国家性的桥梁设计规范。该版对荷载系数做了调整。

    1983 , 1991和1998年的加拿大安大略公路桥梁设计规范都是强制性的。除British Columbia外，加拿大各省的公路桥梁都采用了LRFD。

3.2 亚太地区

    在亚太地区(美国除外)，中国应该是可靠度应用研究和在设计规范中应用最早的国家。除中国外，还有日本、澳大利亚等。

    日本在结构安全和可靠性方面的研究已有40余年的历史。日本建设部曾试图将桥梁结构设计中的容许应力法改为极限状态设计法或荷载与抗力系数设计法，尽管做了很多努力，日本的桥梁设计仍采用容许应力设计法。日本土木工程师学会建议在混凝土结构中采用极限状态设计法。近年来，伴随WTO/TBT协定的生效，日本特别关注国际标准与欧洲标准的发展动向，用他们自己的话说，避免与国际标准的冲突，特别是ISO 2394“结构可靠性总原则”，因为ISO 2394规定了结构设计的基本原则和方法，日本采用的容许应力设计法与ISO 2394的内容是不协调的。

    由于加入WTO的国家要服从国际标准，并注意到欧洲规范正逐步统一，1998年日本成立了一个由建筑和土木工程各领域专家组成的委员会和秘书委员会，编写包括各领域和结构类型的综合性规范《建筑及公共设施结构设计基础》[10]。目的是通过这一规范的基本原则将各领域规范纳入同一个框架中。该规范明确提出，“可靠度设计的概念是校核功能要求的基础”，“用可靠度的概念作为设计基础”的目的是“考虑外部作用和抗力的不确定性，在设计使用年限内，将超过所考虑极限状态的概率限定在允许的目标值内”。“将《结构设计基础》置于可靠度设计的概念上，保证了日本标准与国际标准的协调。”与IS02394 : 1998和EN 1990不同的是，在日本的《结构设计基础》中，极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和可恢复极限状态，这是因为日本是多地震国家，震后受损结构的修复是重要的。

    为适应国际经济发展一体化的要求，在亚太地区，国与国在结构设计标准方面的协作也日益加强。以IS 02394 : 1998为基础，澳大利亚和新西兰共同起草了一份关于一般设计要求的标准“DR 99309,1999:结构设计—一般要求和设计作用，第0部分:一般要求”，目的是协调亚太地区发展和发展中国家设计标准的不同要求。2002年在亚太平洋地区征求意见，并探讨用ISO 2394的分项系数模式取代现行荷载和抗力系数模式的可行性。根据结构类型、对公众团体的重要性和减少风险所付费用，该标准提出一个确定设计作用的新方法，目的是提供一个适合于不同经济发展水平国家不同要求的标准模式。

    另外，中国、日本和韩国就港口工程技术标准的协调和发展问题进行过联合研究，其中的一个重要方面是研究和理解国际标准和欧洲标准及基于可靠度的分项系数设计法。

    在韩国，结构标准分为设计标准和附属技术标准两类，根据相关的法律，设计标准作为国家标准。大多数混凝土结构和钢结构采用了极限状态设计原理，而土工结构(如基础和挡土墙)仍使用容许应力设计法。但是，目前修订的“结构基础设计规范”采用了极限状态设计法，也允许使用容许应力设计法。韩国表示，韩国是WTO的成员国之一，如果颁布了ISO标准，韩国政府要用它作为国家标准。

3.3 欧洲

    丹麦按极限状态和分项系数的设计方法可追溯到20世纪50年代。1983年，丹麦所有的荷载、结构和土工设计规范都采用了统一的分项系数极限状态设计表达式。1996一1999年间，丹麦对结构规范(设计基础、作用和荷载、混凝土、钢、木、砌体和基础)进行了修订，并对旧的规范进行了可靠度校准。根据校准结果将目标可靠指标确定为βr= 4.79，以此为基础，优化选定了新规范的分项系数[11]。

    瑞典1989年开始采用分项系数方法，并出版了一套设计手册。抗力系数隐含在混凝土和钢的规范中。同时用容许应力设计法进行了校准。

    德国有一套非常完善和详细的国家标准，称为“国家工业标准(DIN)”。国家工业标准包括结构设计，而且非常成熟并包含了工程的各个方面。先前的规范采用综合安全系数法(荷载<强度/FS)，类似于容许应力法，最新的德国荷载规范DIN 1055(草案)和混凝土设计规范DIN 1045(草案)采用了以可靠度为基础的分项系数方法。

    捷克1998年版的结构设计规范(CSN 73 1401一1998)包含了概率设计概念的条文，规定Pf<Pd其中Pd为规范中规定的目标概率。

    目前，正式的欧洲规范正在实施过程中，由于欧洲规范采用了以概率为基础的极限状态设计法，这也就意味着在欧洲共同体范围内，结构的设计方法正逐步向可靠性设计法过渡。

4 其他一些方面的研究与进展

4.1 海洋结构可靠性设计的研究

    近几年，结合极限状态设计法的应用，国外在海洋结构平台的可靠度设计方面进行了大量的研究。美国石油协会(API) 1997年给出了已有海洋平台结构基于可靠度的评估准则，在API的指南中明确给出了目标可靠指标和失效的后果，同时提出了海洋平台抗风和抗震评估准则。在关于可靠度和性能的章节中，特别对抗震进行了研究。2001年国际标准化协会石油和天然气工业委员会起草了固定式钢海洋平台国际标准ISO 19902，其中引进了一些新的条文，在设计方面也做了一些改变。为研究这些改变和欧洲西北环境荷载系数对安全性和经济性的影响，欧洲工业团体顾问组、欧洲石油公司和欧洲石油管理委员会组成了一个联合工业项目组(JIP)，来对ISO 19902进行可靠度校准，同时也对美国第20版规范API RP2 AWSD的可靠度进行了校准。校准表明，对于支撑构件，API规范的平均可靠指标为3.701，ISO规范的平均可靠指标为3.937;对于支撑腿，API规范的平均可靠指标为3.496, ISO规范的平均可靠指标为3.849。2000年，受健康与安全执行委员会(HSE)的资助，作为JIP项目“固定式海洋平台结构可靠度分析框架”研究的一部分，英国Surrey大学1998年完成了一个研究报告(2000年修改)“海洋平台结构体系可靠度分析框架研究”。2000年，AEA技术公司完成了健康与安全执行委员会资助的另一个项目“SINTAP(结构整体评估项目)方法的分项系数”，针对不同的目标可靠指标确定了海洋平台钢结构断裂和塑性破坏的分项系数。1995年总部在挪威、以知识和技术为先导的DNV公司完成了“海洋结构可靠度分析指南”的系列报告:总则、针对套管海洋平台的应用，该报告系统给出了海洋结构可靠度的分析方法。

    移动式海洋基地是一种半推进式航海基地，可为飞机起降提供长达一英里的跑道。美国船舶局( ABS)正在为这种海军移动式基地开发基于可靠度的分级和设计指南，研究的目标是确定主要的极限状态和目标可靠指标，失效后果着重于丧失功能、生命损失和结构破坏。

4.2 土工方面的研究

    在土工领域，第一个建议对荷载和土参数使用分项系数的是Hansen，经过修改，这种分项系数方法被1978年和1985年丹麦的基础工程实用规范采用。最近的一些应用包括加拿大基础工程手册的第3版、土工指南1的第2版和欧洲规范7。加拿大1995年的国家建筑规范(NBCC)中基础设计采用了LRFD，由于统计数据较少，计算复杂，基础抗力系数是按参数服从对数正态分布，根据容许应力法的设计结果校准的。NBCC中基础设计的目标可靠指标采用3. 5，上部结构延性破坏的可靠指标也为3. 5，脆性破坏为4.0。

   在美国，AASHTO LRFD2002桥梁设计规范基础设计的抗力系数是国家NCHRP报告343确定的，最大特点是废除了容许应力设计法和消除了与上部基础荷载系数的不协调性。抗力系数是根据经验判断、对容许应力法进行校准和可靠度分析综合确定的。新启动的项目NCHRP 24一17意在提出AAS HTO规范第10节打入桩、钻孔桩修订的建议，确定校准深基础抗力系数的详细方法。在新的建议中，如果一组桩有5个或少于5个，目标可靠指标为2. 33，否则为3. 0 .

    在美国规范API RP 2 A一LRFD (1993)中，将基础看作基于可靠度设计(RBD)校准的一个构件，假定桩承载力的变异系数为20，综合抗力参数偏离一个标准差。对桩轴向承载力，基础抗力系数调整为平均可靠指标2.2。在AS CE手册和结构荷载专题委员会的报告74中，对输送线结构基础也采用了综合模型，以保持结构与基础构件可靠度校准的一致，给出了相应于20%一50%综合抗力变异系数和0.25一1%失效概率(可靠指标为2.3一2.8)的抗力系数。

  1997年，美国公路管理联合会(FHWA)启动了一个国际技术交流项目，项目组由AASHTO及其选定的国际活动委员会和运输研究团体的国家公路研究联合项目组(20 -36)等共同组成，交流的内容涉及多个方面，其中之一是荷载与抗力系数设计法在土工的应用情况，交流的国家包括加拿大、德国、法国、丹麦、挪威和西班牙。交流结束后，所有项目组成员一致认为，在荷载与抗力系数设计规范中，土荷载和抗力系数的校准是非常重要的，应该予以特别的重视，AASHTO应该针对现有的计算机数据库(如FHWA的数据库)先对规范进行检验。还应考虑在规范中使用独立的理论模型系数和土参数变异系数，以使结构荷载系数与土荷载系数和抗力系数更好地协调。

    为便于在土工中实施荷载与抗力系数设计法，顺利实现由现行规范向荷载与抗力系数设计法的过渡，项目组建议AASHTO组建一个指导委员会来制定实施计划，计划至少包括10个步骤:

    (1)修改规范，引入土的随机模型和可靠度系数;

    (2)定义土参数的特征值，同时考虑确定每种土特性的平均和最小值;

    (3)对目前使用的容许应力设计方法进行校准和比较;

    (4)使用经可靠度校准的荷载与抗力系数校核方法;

    (5)改进AASHTO规范中有关土工条文的可读性，便于设计人员理解;

    (6)支持荷载与抗力系数设计方法的合作研究，包括正在进行的NCHRP项目和国际合作;

    (7)导各州使用荷载与抗力系数设计方法;

    (8)建立鼓励在土工中采用荷载与抗力系数设计的机制;

    (9)建立一套评估改进效果、成功程度的标准;

    (10)制定一套强有力的教育方案，包括对施教者的教育，利用荷载与抗力系数方法对下部结构设计的示范工程和定期评估方法。

4.3 基于性能和可靠性的设计

    早在1927年美国的建筑规范关于抗震设计的条文中，就包含了性能设计的概念。起初，性能设计是使结构不倒塌和不造成人员伤亡。20世纪70年代，性能设计的目标扩展到包括重要结构对地震后恢复和响应的损坏控制。近10年来，美国应用技术协会(ATC)提出了已有结构基于性能的抗震加固指南，而加利福尼亚州结构工师协会(SEAOC) 2000版的报告将性能设计的概念推广到新建结构。尽管美国目前的建筑规范仍未采用性能设计的方法，但美国地震安全协会(BSSC) 1997年的NEHRP包含了这方面的条文[12]，在其条文说明中，性能目标取自于加里福尼亚州结构工师协会2000版的报告。美国混凝土协会标准也引入了普通和预制混凝土结构体系基于性能设计的说明。近年，日本在结构性能设计方面做了很多的研究，并尝试在设计规范中应用。

    对于性能设计，首先要确定性能目标，性能目标的确定与结构的使用功能、安全性和耐久性及用户的要求有关。由于结构设计、使用中大量不确定性的存在，满足结构性能指标也是一个概率问题。所以，同现行规范承载能力和正常使用极限状态一样，在可行的前提下，也需要采用可靠度方法。为研究结构基于性能的抗震设计，美国联邦紧急管理机构与SEAOC,ATC和加利福尼亚大学签署的协议中(称为SAC联合项目)，将可靠度方法纳入研究内容。太平洋地震工程研究中心(PEE助提出了一个基于性能的地震工程方法的概率框架，分析包括四个主要步骤:危险性分析、结构非结构分析、损坏分析和损失分析，每一步的分析都有相关的变量:强度参数((I M)、工程要求参数(EDP)、损坏参数(DM)和决策变量(DV)，所有的变量都视为随机变量，而且这些变量都用条件概率表达。

 4.4 结构可靠性专业培训和教育

    随着结构可靠性理论的发展和在结构设计规范中的应用，为使结构工程师对结构设计基础和方法有充分的认识，美国结构工程师协会(ASCE)于2004年11月和2005年2月举办了“使用LRFD进行桥梁设计和加固”的培训，2005年1月和2月举办了“概率设计”的培训。ASCE就桥梁设计和加固进行培训的目的是，在2002年AAS HTO采用了基于概率的设计方法之后，促进工程师对设计新技术的了解。培训2天的内容包括:LRFD和极限状态概念的介绍，LRFD中新技术的纵览，荷载、荷载系数和荷载组合，可靠指标与荷载系数校准，LRFD的活荷载和活荷载模型，上部结构和下部结构的极限状态设计，基础的LRFD设计，LRFD钢结构设计:弯曲、剪切，钢桥的疲劳设计，钢桥的施工检查，LRFD钢结构设计的例子;混凝土设计，钢筋混凝土和预应力混凝土统一设计规定，基于改进的受压屈服理论的抗剪设计，LRFD混凝土设计的例子，对新的AASHTO指南中桥梁评估荷载和抗力系数的介绍，桥梁荷载模型、可靠指标和极限状态，评估公式中的荷载和抗力系数，HL93 , Legal荷载模型和允许荷载的校准系数，已有桥梁抗力修正系数和冗余度系数，LRFD设计的例子，使用LRFD加固已有桥梁建议的性能准则和安全标准。ASCE就概率设计进行培训的目的是促进技术管理人员和工程师对概率设计理论与应用的理解。培训3天的内容包括:在不确定性下进行决策，风险管理和通讯，安全系数方法的局限性，概率方法的介绍，应用问题的讨论;统计基础，概率论简介，蒙特卡洛方法，响应面方法，一次二阶矩和二次二阶矩方法，应用问题的讨论;重要抽样方法，时变可靠度，随机有限元方法，应用问题。

    为使未来结构工程师对结构设计基础和方法有充分的认识，国外很多设有土木工程专业的大学也开设了结构可靠度的课程。美国2002年做了一项调查，在设置有土木工程专业的大学中，有70个大学开设有结构可靠度课程(不包括一般只开始概率论和数理统计的大学)。

    目前国外有很多关于结构可靠度分析的商业软件，如CAREL、COSSAT、PROBAN、ISPUD、NESSUS和STRUREL，其中NESSUS既能进行随机有限元分析也能进行随机边界元分析。目前新版的大型有限元分析软件ANS YS也具有结构可靠度分析的功能。此外，JCSS还开发了一套根据结构设计表达式、设计变量统计特性进行结构可靠度校准及根据给定的目标可靠指标确定分项系数的软件Code Cal，以方便用户使用，进一步推动概率极限状态设计方法的发展。

 5 结语

    结构可靠度理论是用来帮助人们解决工程设计中认识已久的不确定性问题的一种决策方法，对它的研究不过几十年的历史，应用的时间更短，所以积累的经验不多。但毫无疑问的是，用科学的方法处理工程中的不确定性问题是工程结构设计的一大进步，具体这一步迈的多大，要看统计数据的多少、结构可靠度理论的成熟程度而论，显然，目前的应用只是初步的。工程设计是一个涉及多方面的大系统，对其中问题的认识不是一朝一夕的事，需要进行长期的研究和积累经验，包括可靠度理论的应用。因此，工程问题的解决总是理论与工程经验的结合，掌握的知识越多，主观经验越少，结构的设计越合理，这也正是工程技术研究追求的目标。

参考文献

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