结构可靠度理论与应用的瓶颈_摘自科学网博文.docx

前言以结构可靠度理论为基础的概率极限状态设计法是工程结构设计理论的核心。概率极限状态设计法通过构造工程结构在不同工作环境和荷载状态下的极限状态及其所对应的功能函数，引入设计变量和设计参数的不确定性，根据概率理论计算结构不同极限状态或失效模式的失效概率和与之对应的可靠指标，进而在设计规范当中采用分项系数的办法实现设计结构的目标可靠指标。我国在结构可靠度理论、方法和应用的研究，客观地讲，应该是处在第一阵营当中的。这与这个学科的发展历史以及学科特性有关。结构可靠度研究的第一个高潮大概在上个世纪的七十年代。中美建交之后，我国当时有几个单位（不准确的记忆当中有建研院、同济大学等）先后邀请了这一领域中非常活跃的两名美籍华人教授洪华生 (Alfred H S Ang)和姚冶平(James Y PYao)回国讲学，他们的传经送宝，加上改革开放后国内科研人员只争朝夕的精神，使得我国新一代的建筑结构设计规范体系当中的《建筑结构设计统一标准》于1984年率先出版。它的出版，标志着概率极限状态设计法在我国得以全面实施，也标志着我国的建筑结构设计方法一步就跨入世界先进行列。在此之后，我国自己培养了一大批结构可靠度领域的研究人员。这个研究人员的比例，我看在世界范围内是非常高的。我个人不完整的估计，这个比例可能只会比日本低一点，而高于美国或欧洲。仅以湖南大学土木工程学院为例，能够开设结构可靠度研究生课程的老师应当不下八人。这在北美众多高校里，是不可想象的。但是，我们还得认识到，近年来国际上在结构可靠度领域的研究热情明显不如原来，国内许多这一领域的研究人员也在做着许多低水平重复工作。近年来，国内也逐渐冒出许多对结构可靠度研究的悲观情绪。红旗到底能打多久？这是一个我们必须面对的问题。前两个礼拜在湖南大学土木学院为部分研究生做了几个系列讲座，同时每天大概一个小时还单独和易伟建教授，讨论一些有意思的研究问题。我们有些争论，同时也有些疑惑。这篇博文也是在这次讲座以及和易老师的讨论基础上形成的。说得对与不对，请大家批评。此文并不代表易老师的观点，错误的地方，我一人的责任。概率是什么？可以实证吗？首先，一个常见的误区就是认为，结构可靠度的基础是概率论，而概率论是建立在Kolmogorov的公理化体系基础之上，因而结构可靠度理论是严密的，其正确性是不容置疑的。然而，事实远非想象的那么简单。不简单的原因在于，概率到底是一个什么东西？在概率公理化体系之上，根据概率运算法则计算得到的概率又是一个什么东西？它如何解释和验证？“概率是什么”的问题，历史上纷纷扰扰，吵过很长很长的时间，至今没有一个统一的答案。从概率论历史发展的角度，著名学者Ian Hackings提出过概率“双面胶”(Janus-faced)的论述。这一论述强调的是概率这个概念自一开始就显现了主观概率和客观概率齐头并进的特点。仔细梳查历史，实际上，主观概率派和客观概率派各自内部又持有不同的观点，这一纷争在上个世纪二、三十年代量子力学出现后达到顶峰。Kolmogorov在1933年以一个数学家所独到的眼光，建立了概率论的公理化体系，使得概率论的发展跳出了“概率到底是什么”这样一个理论发展的陷阱，从此它在构造法的康庄大道上得以迅速发展，成为现代数学的一个重要分支。可是作为天然应用数学家的工程师，在应用概率理论时，“概率是什么”是一个不可回避的问题。这好比学算术时我们只需要认同1+1=2即可在此基础上学习1+2=3，……。但在卖菜时，我们必须小心陷入1（个鸡蛋）+ 1（个苹果）= 2（个什么？）的陷阱。可是，仔细考察结构可靠度理论方法，我们会发现，在整个概率建模过程当中，人们有时不得不同时使用客观概率和主观概率两种概率。尽管两种概率它们各自都满足概率公理化的基本要求，但这样演算最后得到的概率值，到底该如何解释呢？这个问题，迄今为止，尚未得到令人信服并普遍接受的答案。自然科学的一个共同特征是它的可重复性，但随机事件的特质恰恰正是它们的不可重复性，这就给我们带来一个问题，那就是：用概率方法描述随机事件，是不是科学的？一块不均匀硬币抛起来落地是正面、反面的概率，可以通过统计试验来估计。每一次新的试验都是对现有认知的一个扰动和修正，但这种扰动和修正随着次数的推移而逐渐减弱，直至忽略不计。这是大数定律的要义，它从理论上保证了在无穷多次抛试后，计算出来的频率等于其概率。但理想很丰满，现实很骨感，现实世界永远都是有限的。Pearson-Neyman引理作为假设检验的基础理论，是具有划时代意义的，它为经验科学，为“可重复性”提供了非常明确的、逻辑统一的理论基础。把概率统计的这些基本理论应用于结构可靠度问题，有时我们又不得不感叹，“理论很丰满，结构很骨感”。暂时抛开结构可靠度中纠结不清的主观概率不论，即便只是讨论诸如荷载、材料强度等“客观”