已有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估問(wèn)題研究

劉 艷

1 概述

在役結(jié)構(gòu)可靠性理論是在20世紀(jì)70年代發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑維修業(yè)迅速發(fā)展的背景下產(chǎn)生和發(fā)展的。我國(guó)在此方面的研究最早始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)可靠性鑒定的研究是從處理建筑物事故開(kāi)始的，1990年，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)成立了“全國(guó)建筑物鑒定與加固技術(shù)委員會(huì)”，現(xiàn)在國(guó)家科委已經(jīng)把“建筑物鑒定和維修加固”列為國(guó)家重大科研項(xiàng)目。美國(guó)、歐洲、日本及澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)成立了相當(dāng)多的在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性鑒定公司。我國(guó)在這方面與國(guó)外有相當(dāng)?shù)牟罹啵墙晡覈?guó)內(nèi)地也有相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可靠性鑒定和加工方面的專業(yè)公司相繼成立，這使得我國(guó)在現(xiàn)役建筑結(jié)構(gòu)可靠性鑒定和加固方面慢慢縮小與國(guó)外尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

2 建筑物可靠性鑒定的程序及方法

在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定一般遵循如圖1所示的框圖程序。

2.1 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法

由有經(jīng)驗(yàn)的專家通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和簡(jiǎn)單的計(jì)算分析，以原設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)個(gè)人專業(yè)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)建筑物的可靠性做出評(píng)價(jià)。該法鑒定程序簡(jiǎn)單，但由于受檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算工具的制約，鑒定人員難以獲得較準(zhǔn)確和完備的數(shù)據(jù)和資料，也難以對(duì)結(jié)構(gòu)的性能和狀態(tài)做出全面的分析，因此評(píng)判過(guò)程缺乏系統(tǒng)性，對(duì)建筑物可靠性水平的判斷帶有較大的主觀性，鑒定結(jié)論往往因人而異，而工程處理方案多數(shù)偏于保守，造成浪費(fèi)。

2.2 實(shí)用鑒定法

該方法應(yīng)用各種檢測(cè)手段對(duì)建筑物及其環(huán)境進(jìn)行周密的調(diào)查、檢查和測(cè)試，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)和方法分析建筑物的性能和狀態(tài)，全面分析建筑物存在問(wèn)題的原因，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基準(zhǔn)，按照統(tǒng)一的鑒定程序和標(biāo)準(zhǔn)，從安全性、適用性多方面綜合評(píng)定建筑物的可靠性水平。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法相比，該法鑒定程序科學(xué)，對(duì)建筑物性能和狀態(tài)的認(rèn)識(shí)較準(zhǔn)確和全面，具有合理、統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，而且鑒定工作主要由專門(mén)的技術(shù)機(jī)構(gòu)承擔(dān)。

2.3 可靠性鑒定法

實(shí)用性鑒定法雖然較傳統(tǒng)法有較大的突破，評(píng)價(jià)的結(jié)論比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法更接近實(shí)際，但是由于在現(xiàn)役建筑結(jié)構(gòu)的效應(yīng) S、結(jié)構(gòu)抗力R等影響建筑物的諸因素實(shí)際上都是隨機(jī)變量甚至隨機(jī)過(guò)程，采用現(xiàn)有規(guī)程進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析均屬于定值法的范圍，用定值法的定值來(lái)估計(jì)在役建筑結(jié)構(gòu)的隨機(jī)過(guò)程，采用現(xiàn)有規(guī)程進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析均屬于定值法的范圍，用定值法的定值來(lái)估計(jì)在役建筑結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變量的不確定性的影響，顯然不合理。

3 在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性理論

3.1 在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展研究

在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性鑒定是在建筑物建成并投入使用后，根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)上的作用、結(jié)構(gòu)抗力及其相互關(guān)系的實(shí)際調(diào)查，評(píng)估其實(shí)際的結(jié)構(gòu)可靠性，使結(jié)構(gòu)持續(xù)正常地滿足各項(xiàng)預(yù)定功能。在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估即研究建筑結(jié)構(gòu)使用期的結(jié)構(gòu)可靠性。

3.2 結(jié)構(gòu)可靠性理論

結(jié)構(gòu)可靠度的研究始于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)主要是圍繞飛機(jī)失效進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度的研究以20世紀(jì)40年代美國(guó)S.O.Rice首次建立在給定時(shí)間內(nèi)交差次數(shù)期望的數(shù)學(xué)表達(dá)式為標(biāo)志。

結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的特性。結(jié)構(gòu)可靠性的測(cè)度是結(jié)構(gòu)可靠度。結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。運(yùn)用概率理論處理結(jié)構(gòu)靜力作用時(shí)的可靠度可劃分為三個(gè)水準(zhǔn):水準(zhǔn)一:分別在荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R的基礎(chǔ)上考慮概率原則，主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定安全系數(shù)。這種方法稱為半概率法。水準(zhǔn)二:將極限狀態(tài)函數(shù)中有關(guān)荷載效應(yīng) S和結(jié)構(gòu)抗力R的基本變量視為隨機(jī)變量，考慮兩者的聯(lián)合分布，以此建立與結(jié)構(gòu)失效概率有內(nèi)在聯(lián)系的安全指標(biāo)作為衡量結(jié)構(gòu)安全度的尺度。水準(zhǔn)三:對(duì)各隨機(jī)變量分別采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程的概率模型來(lái)描述，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精確概率分析，使其具有最大的可靠度。這種方法稱為全概率法。

3.3 在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性理論

在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性是指在役建筑結(jié)構(gòu)在正常使用條件下和預(yù)定的使用期限內(nèi)滿足建筑結(jié)構(gòu)規(guī)定的功能要求。在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)價(jià)是由在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠度來(lái)衡量的。在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠度是指在役建筑結(jié)構(gòu)在正常使用條件下和預(yù)定的使用期限內(nèi)完成的規(guī)定概率。一個(gè)建筑物從施工建造到投入使用，再到使用若干年后，性能逐漸退化，進(jìn)入年期，經(jīng)歷了一個(gè)類似人的生命歷程，那就是幼年期、中年期和老年期。在施工建造期(幼年期)，失效的風(fēng)險(xiǎn)率大;到使用期(中年期或壯年期)，失效風(fēng)險(xiǎn)率降低;到老化期(老年期)，失效風(fēng)險(xiǎn)率又逐漸提高，如果經(jīng)過(guò)維修加固等措施，失效風(fēng)險(xiǎn)率又會(huì)有所下降。結(jié)構(gòu)失效概率與時(shí)間過(guò)程的關(guān)系見(jiàn)圖2，因其形似浴盆，稱之為“浴盆曲線”。

對(duì)在役建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)估，就是根據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀況，如混凝土強(qiáng)度、鋼筋銹蝕情況，來(lái)推斷結(jié)構(gòu)的剩余承載力或剩余使用壽命，以決定結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用或是否需要維護(hù)、加固。在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估研究的主要內(nèi)容是如何將整體結(jié)構(gòu)劃分為不同層次的子結(jié)構(gòu)，以及如何將從最低層次的子結(jié)構(gòu)獲得的信息，合理、準(zhǔn)確地反映到最高層次的整體結(jié)構(gòu)，以供決策使用。

上面論述的是在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的常規(guī)方法，在應(yīng)用常規(guī)的評(píng)估方法評(píng)估時(shí)存在困難或分析結(jié)果不可信時(shí)，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載檢驗(yàn)。美國(guó)早在20世紀(jì)初就在這方面做過(guò)一些研究，1967年美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)AC1437分委員會(huì)在其“已有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估”報(bào)告中，包括了結(jié)構(gòu)荷載檢驗(yàn)的內(nèi)容，之后，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)把荷載檢驗(yàn)的內(nèi)容納入1971年以后的美國(guó)混凝土規(guī)范。在進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)8年的研究之后，美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(ASTM)1975年發(fā)表了“建筑結(jié)構(gòu)荷載檢驗(yàn)指南”。英國(guó)在20世紀(jì)70年代末也對(duì)結(jié)構(gòu)荷載檢驗(yàn)問(wèn)題做過(guò)廣泛的討論。

4 在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估準(zhǔn)則

1)在役建筑結(jié)構(gòu)的抗力問(wèn)題。在役建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)比擬建建筑結(jié)構(gòu)有所下降，這是其抗力效應(yīng)與擬建建筑結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別。結(jié)構(gòu)的抗力隨時(shí)間的變化是一個(gè)不可逆過(guò)程，在有些情況下結(jié)構(gòu)抗力會(huì)隨時(shí)間而增長(zhǎng)。但大多數(shù)情況下，由于外界環(huán)境的作用，結(jié)構(gòu)抗力在降低。

2)在役建筑結(jié)構(gòu)的荷載問(wèn)題。對(duì)于在役建筑結(jié)構(gòu)而言，荷載的概率模型應(yīng)根據(jù)已有信息的變化而轉(zhuǎn)換成更適應(yīng)實(shí)際的形式。一些原先設(shè)計(jì)時(shí)按隨機(jī)變量考慮的永久荷載可按確定性的永久荷載來(lái)考慮;而一些原設(shè)計(jì)時(shí)不按永久荷載來(lái)考慮的荷載可按永久荷載，甚至是確定性的永久荷載來(lái)考慮。如設(shè)備、儀器、管道的自重，設(shè)計(jì)時(shí)缺乏它們的具體信息及未來(lái)多長(zhǎng)時(shí)間里更換、改造等，一般在設(shè)計(jì)時(shí)按可變荷載考慮;而對(duì)于在役建筑物而言，如果已知荷載信息及根據(jù)當(dāng)前信息可對(duì)未來(lái)情況加以預(yù)測(cè)和控制，則可在未來(lái)不長(zhǎng)的目標(biāo)期(T′)內(nèi)直接按確定性的永久荷載處理。

5 結(jié)語(yǔ)

從研究建筑業(yè)的發(fā)展入手，突出了進(jìn)行在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估技術(shù)研究的必要性。簡(jiǎn)明扼要地介紹了進(jìn)行在役建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的發(fā)展和意義及在役建筑結(jié)構(gòu)加固的目的、要求與方法。

[1] GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB 50068-2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 張愛(ài)林.基于功能可靠度的結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)理論研究綜述[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(9):20-22.

[4] 張愛(ài)林，趙國(guó)藩，王光遠(yuǎn).現(xiàn)役結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定研究述評(píng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(6):80-82.

[5] 王曉鳴，李桂青.既有住宅的可靠性分析與評(píng)價(jià)[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(6):10-13.

[6] 歐進(jìn)萍，侯鋼領(lǐng).建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素與比較研究[J].建筑科學(xué)，1999(5):7-9.