土木工程可靠性理論及其應(yīng)用

前言

　　不確定性普遍存在子土木工程的設(shè)計與分析之中，能否合理、準確、可靠地處理不確定性因素對工程分析的影響，不僅關(guān)系到工程的安全與可靠，而且也直接影響工期與投資。隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，建立在確定性分析基礎(chǔ)上的設(shè)計方法越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模復(fù)雜土木工程體系分析與設(shè)計?！　∽陨蟼€世紀20年代可靠性理論被引入結(jié)構(gòu)工程分析以來，目前已經(jīng)得到了快速發(fā)展。研究領(lǐng)域從結(jié)構(gòu)工程擴展到巖土工程；研究內(nèi)容從隨機可靠度發(fā)展為隨機一模糊可靠度，使土木工程可靠性研究向著更廣泛、更深入和更實用的方向發(fā)展?！　〗?0年來，曾經(jīng)一度處于觀望、懷疑甚至爭論的巖土工程可靠性研究，也得到巖土工程界的高度重視，在修訂建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)工程可靠度設(shè)計進入了實質(zhì)性應(yīng)用階段；同時，先后制訂了鐵路、公路、港工、水利等工程可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準，為巖土工程可靠性設(shè)計逐步進入實用階段奠定了基礎(chǔ)，也使上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)在設(shè)計方法上的接軌成為可能?！　‰S著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們正在進行更加復(fù)雜、更大規(guī)模的土木工程開發(fā)建設(shè)，已建和在建工程的穩(wěn)定狀態(tài)與失穩(wěn)風險直接關(guān)系到人民的生活安全和國家財產(chǎn)損失。因此，進行已有土木工程的安全評估、在建和擬建工程的優(yōu)化設(shè)計和風險預(yù)測已勢在必行。縱覽國內(nèi)外土木工程可靠性研究與發(fā)展，使土木工程界同行為之振奮。尤其巖土工程領(lǐng)域的可靠性研究進展，不僅體現(xiàn)在土木工程設(shè)計方法的改變，更重要的是改變了人們對可靠性理論的認識，明確了可靠度方法在巖土工程設(shè)計中的重要作用。目前，可靠度分析已在橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)、水利工程、港口工程、建筑基礎(chǔ)、道路邊坡、基坑支護以及隧道、地鐵、洞室和港道等地下工程中得到應(yīng)用與發(fā)展。巖土錨固工程的可靠度優(yōu)化設(shè)計研究也十分活躍，已發(fā)表了具有重要價值的學(xué)術(shù)論文，出版了一些研究專著，特別是國家自然基金和各類專項資金資助的可靠性研究項目，使土木工程可靠性研究進入到一個嶄新的階段?！　榱诉m應(yīng)國內(nèi)外可靠性研究的發(fā)展，我國各高等院校土木工程專業(yè)的本科生和研究生相繼開設(shè)了可靠性理論與應(yīng)用課程，進行土木工程的可靠度理論學(xué)習(xí)?！　”緯髡咴?001年為高年級本科生和研究生開設(shè)土木工程可靠度課程時發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)還沒有合適的教材。一方面，大部分出版物多為專著，尤其是國家自然科學(xué)基金資助的研究專著；另一方面，很多出版物是針對某一工程，如地基基礎(chǔ)、樁基、橋梁等工程的專題研究，并且大部分出版物多側(cè)重于理論分析，工程應(yīng)用較少，也沒有復(fù)習(xí)要點和思考題。因此，這類出版物不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解，也不便于教師的教學(xué)和檢查。為此，作者在教學(xué)過程中，子2002年編寫了“土木工程可靠性理論及應(yīng)用”的教學(xué)講義，并逐步在研究生和高年級本科生中試用，效果良好。

內(nèi)容概要

本書詳細介紹了土木工程可靠性理論與分析方法，重點探討了可靠性理論在土木工程中的應(yīng)用。全書分3篇18章。    第一篇：土木工程中的不確定性問題。該篇深入分析了建筑結(jié)構(gòu)材料和巖土體介質(zhì)的力學(xué)與變形特性的不確定性、隨機特征以及統(tǒng)計特征，介紹了土體的空間變異性以及巖體的節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析方法。    第二篇：可靠性理論與分析方法。該篇針對單一失效模式、多種失效模式和復(fù)雜失效模式，系統(tǒng)地介紹了建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)體系和土木結(jié)構(gòu)復(fù)雜體系的可靠性概念、理論與方法；簡要介紹了隨機一模糊可靠度概念與計算方法。    第三篇：可靠性理論在土木工程中的應(yīng)用。該篇全面探討了可靠性理論在土木工程中的應(yīng)用研究，在此涉及橋梁結(jié)構(gòu)工程、巖土邊坡工程、地基工程、樁基礎(chǔ)工程、深基坑工程、地下工程以及城市生命線工程等。    本書可供結(jié)構(gòu)工程、巖土工程和防災(zāi)減災(zāi)等專業(yè)的研究生和高年級本科生使用，也可供土木工程領(lǐng)域從事研究、設(shè)計等方面的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1　緒論第一篇  土木工程中的不確定性問題　1.1　土木工程中的不確定性　1.2　工程設(shè)計處理不確定性的方法　1.3　可靠性理論發(fā)展歷史與應(yīng)用現(xiàn)狀　1.4　可靠度分析研究內(nèi)容　1.5　本書內(nèi)容　1.6　本章小結(jié)　1.7　要點與思考題　參考文獻　2　結(jié)構(gòu)工程中的隨機特性分析　　2.1　隨機特性的基本概念　　2.2　結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的統(tǒng)計分析　　2.3　建筑結(jié)構(gòu)荷載的統(tǒng)計分析　　2.4　本章小結(jié)　　2.5　要點與思考題　　參考文獻　3　巖土工程中的隨機特性分析　　3.1　地層資料的概率處理　　3.2　巖土性質(zhì)“點”變異性隨機特性分析　　3.3　巖土性質(zhì)“空間”變異性隨機場理論　　3.4　巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的隨機特性分析　　3.5　巖體力學(xué)參數(shù)的隨機一模糊統(tǒng)計分析　　3.6　本章小結(jié)　　3.7　要點與思考題　　參考文獻第二篇　可靠性理論與分析方法　4　土木工程結(jié)構(gòu)可靠度基本概念　　4.1　結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度　　4.2　結(jié)構(gòu)功能函數(shù)與極限狀態(tài)　　4.3　結(jié)構(gòu)可靠度與失效概率　　4.4　結(jié)構(gòu)可靠指標及幾何意義　　4.5　本章小結(jié)　　4.6　要點與思考題　　參考文獻　5　單失效模式結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度分析　　5.1　結(jié)構(gòu)一次可靠度計算方法（FORM）　　5.2　結(jié)構(gòu)二次可靠度計算方法（s0RM）　　5.3　結(jié)構(gòu)可靠度分析的蒙特卡洛法（Mcs法）　　5.4　統(tǒng)計矩法（R0senbluetIl法）　　5.5　本章小結(jié)　　5.6　要點與思考題　　參考文獻　6　多失效模式結(jié)構(gòu)體系可靠度分析　  6.1　結(jié)構(gòu)體系可靠度概念  　6.2　串聯(lián)系統(tǒng)可靠度近似算法　  6.3　并聯(lián)系統(tǒng)可靠度近似算法  　6.4　體系失效概率計算的蒙特卡洛法　  6.5　逐步等效平面法  　6.6　本章小結(jié)　  6.7　要點與思考題  　參考文獻　7　復(fù)雜失效模式結(jié)構(gòu)體系可靠度分析　　7.1　隨機有限元法　　7.2　可靠度分析的響應(yīng)面法　　7.3　可靠度分析優(yōu)化算法　　7.4　最大熵密度函數(shù)法　　7.5　本章小結(jié)    ……　8　模糊-隨機可靠度分析方法　9　可靠度設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計理論第三篇　可靠性理論在土木工程中的應(yīng)用　10　橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析與評估　11　土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性可靠性分析　12　巖質(zhì)國坡穩(wěn)定性可靠性分析　13　地基與基礎(chǔ)工程可靠度分析　14　樁基承載力可靠度分析　15　建筑基坑工程可靠度分析　16　地下工程可靠度分析與設(shè)計　17　地下管線地震可靠度分析　18　生命線網(wǎng)絡(luò)可靠度分析

章節(jié)摘錄

　　第一篇 土木工程中的不確定性問題　　1 緒論　　改革開放以來，我國為滿足日益復(fù)雜、高效的現(xiàn)代化生產(chǎn)及生活的需要，加快了基礎(chǔ)性工程建設(shè)的步伐，特別是與能源、交通、生產(chǎn)及生活密切相關(guān)的土木工程，如水利高壩、高層建筑、道路橋梁、港口碼頭、地鐵隧道、海洋工程等，構(gòu)成了現(xiàn)代土木工程的代表群，其建設(shè)項目越來越多、建筑規(guī)模越來越大?！　⊥聊竟こ淌菄窠?jīng)濟發(fā)展的主要支柱之一。巖土與結(jié)構(gòu)工程學(xué)科則是這根支柱的兩大基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的需要，近代科學(xué)理論和計算技術(shù)的創(chuàng)新，學(xué)科之間的交叉滲透，以及計算機科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，對土木工程這一古老專業(yè)賦予新的活力，也為土木工程的分析與設(shè)計提出更高的要求；同時，.土木工程分析理論與計算技術(shù)的發(fā)展，預(yù)示著更大規(guī)模的土木工程的建設(shè)正朝著更經(jīng)濟、更安全的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方向發(fā)展。土木工程可靠性理論與工程應(yīng)用正是這一發(fā)展趨勢的突出顯現(xiàn)。　　1.1 土木工程申的不確定性　　土木工程通常包括結(jié)構(gòu)工程和巖土工程兩大類工程。結(jié)構(gòu)工程通常是指人工材料構(gòu)筑的工程，如建筑結(jié)構(gòu)、堤壩、渡槽、水閘、橋梁、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)工程；巖土工程一般是指建造（或開挖）巖石或土體中（或上）的道路、隧道、地基基礎(chǔ)、地鐵、涵洞、巖土邊坡、基坑和礦山工程等?！　⊥聊竟こ膛c其他人造產(chǎn)物的最大區(qū)別在于：建造費用高，少則要耗資千萬元，多則要上千億元；使用周期長，短則要幾十年，長則要上百年。作為基礎(chǔ)設(shè)施，工程結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到國計民生，還會影響到一個國家的生存與發(fā)展。因此，以最少費用保證土木工程在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠承受設(shè)計的各種作用，滿足設(shè)計要求的各項使用功能，及具有不需過多維護而能保持其自身工作性能的能力是至關(guān)重要的。既要保證結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，又要確保結(jié)構(gòu)的耐久性。與人造產(chǎn)物相比，土木工程的另一顯著特點，就是工程分析和設(shè)計中存在大量的不確定性?！　〔淮_定性是指事件出現(xiàn)或發(fā)生的結(jié)果是不確定的，或在事件出現(xiàn)或發(fā)生之前不能預(yù)測其結(jié)果，需要用不確定性理論和方法進行分析和推斷。　　……

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