土木工程結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估與研究

姜 華

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037003)

0 引言

我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范必須考慮好土木工程結(jié)構(gòu)的安全性、合理性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性等方面的問(wèn)題。基于建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估和分析,建立了符合建筑安全標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型，以期對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

以建筑安全性為基礎(chǔ)條件的工程設(shè)計(jì)才是最佳的設(shè)計(jì)方案，在國(guó)內(nèi)外提出的很多技術(shù)工程規(guī)范中也很明顯地體現(xiàn)了這一點(diǎn)，只有優(yōu)化的土木工程結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)思想，才可以有效提高建筑的安全系數(shù),便于工程應(yīng)用。

土木工程結(jié)構(gòu)的安全性是當(dāng)前很多建筑施工工程都需要考慮的問(wèn)題。因此,對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷,開(kāi)展這方面的相關(guān)研究,逐步提高建筑施工的安全系數(shù),將是土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅僅是符合美觀性的設(shè)計(jì)要求,與此同時(shí)也要滿足下列的安全性評(píng)估的要求:首先該結(jié)構(gòu)要能承載日常施工和使用的壓力，避免建筑結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象的發(fā)生;其次在供人類使用時(shí)結(jié)構(gòu)必須具有強(qiáng)大的工作性能，當(dāng)突發(fā)性的安全事故如地震、冰雹等發(fā)生時(shí),結(jié)構(gòu)必須保持原樣或者其整體的外形不嚴(yán)重變樣，只有這樣才可以保證人身財(cái)產(chǎn)的安全。由此可見(jiàn)，土木結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估工作是非常重要的一件事。

不同的土木工程結(jié)構(gòu),其安全性的程度也不同，這個(gè)需要工作人員進(jìn)一步的鑒別。如果是大型復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，一般要用多元方法進(jìn)行分析,例如土木結(jié)構(gòu)的承載力一般都是被多種結(jié)構(gòu)構(gòu)件所影響的，所以當(dāng)工作人員進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的安全性分析時(shí),最好建立結(jié)構(gòu)性的安全指數(shù)分析方程，以此來(lái)確定大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全性。

2 土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估與研究的應(yīng)用

土木結(jié)構(gòu)工程是以鋼筋混凝土等建造材料為主的各種建筑工程。穩(wěn)固的工程結(jié)構(gòu)可以保證在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),無(wú)論是何種用途的建筑，都可以承受人群、車輛等造成的壓力。土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估與研究的應(yīng)用,不但影響工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn),而且還常常與人類的人生安全掛鉤,所以對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)提出安全可靠、實(shí)用、美觀等技術(shù)要求是必然的趨勢(shì)。

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估愈來(lái)愈成為重大建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一門重要技術(shù),也愈來(lái)愈成為一種重要的工程化的研究手段。通過(guò)建立建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，再加以數(shù)據(jù)管理和分析,確定安全性原則，可以逐步應(yīng)用與橋梁施工監(jiān)控、建筑養(yǎng)護(hù)管理和成橋試驗(yàn)等相關(guān)的領(lǐng)域。

(1)橋梁施工監(jiān)控。橋梁施工監(jiān)控是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。實(shí)施橋梁的施工監(jiān)測(cè)，為的是保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng),同時(shí)為橋梁的安全施工提供數(shù)據(jù)依據(jù),與此同時(shí)，還可以大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用,減少橋梁安全事故的發(fā)生。

在監(jiān)控系統(tǒng)的分析過(guò)程中,選擇適合橋梁結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)的傳感器絕對(duì)是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，不過(guò)要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析之后盡量避免一些無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)線老化的問(wèn)題，還有測(cè)量?jī)x器的精度以及測(cè)量條件不明確等造成的誤差。

(2)建筑養(yǎng)護(hù)管理。建筑養(yǎng)護(hù)管理工作首先應(yīng)該考慮建筑系統(tǒng)的安全性和功能實(shí)用性,只有平衡好建筑的投入和產(chǎn)出效益，才可以更好地實(shí)施建筑的健康養(yǎng)護(hù)管理，其目的主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與安全性評(píng)估、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)和建筑結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展三個(gè)方面。目前的建筑養(yǎng)護(hù)管理的方法僅局限于建筑結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變量不相關(guān)的情形,但是在實(shí)際的工程中,有些情況下變量是極有可能變動(dòng)的,例如研究以重力為主要承載力的橋梁建筑的抗壓力,就需要考慮其余變量之間的相關(guān)性，以此,建立隨機(jī)變量相關(guān)性的結(jié)構(gòu)方程，以便獲得更可靠的分析數(shù)據(jù)。

建筑養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的創(chuàng)建，需要支持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的支持，另外建筑建成后的安全監(jiān)控系統(tǒng)也需要一定的資金投入，考慮好建筑的安全效益,即建筑養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是一個(gè)協(xié)調(diào)好系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和安全性能的優(yōu)化組合。

(3)成橋試驗(yàn)。由于橋梁結(jié)構(gòu)安全性的很多不確定因素的存在，再加上復(fù)雜的工作環(huán)境可能會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)造成不良的影響,因此目前對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性監(jiān)測(cè)還需要進(jìn)行成橋?qū)嶒?yàn)。在這個(gè)方面的應(yīng)用,主要就是將完工的橋梁工程看成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能的檢測(cè)來(lái)判斷整個(gè)系統(tǒng)的安全狀態(tài)。

不過(guò)對(duì)于成橋?qū)嶒?yàn)的可行性以及橋梁安全健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系始終還是缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),并且成橋?qū)嶒?yàn)比較難以反映某個(gè)局部的橋梁構(gòu)件的不安全性，從而可能會(huì)對(duì)整個(gè)橋梁的建成造成不良的影響。

在基于成橋?qū)嶒?yàn)的檢測(cè)方法中,最好還是要繼續(xù)推廣應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)的量化參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。因?yàn)橹挥辛炕u(píng)價(jià)指標(biāo)，一次來(lái)判斷整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全程度才有一個(gè)可靠的保證,這樣就要求測(cè)得的安全指數(shù)要建立在科學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,并且能夠準(zhǔn)確地表示出建筑結(jié)構(gòu)的安全性量化指標(biāo),很好地反映建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況[1～4]。

2.2 存在的問(wèn)題

縱觀土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的發(fā)展,安全性的技術(shù)理論方面雖然有所進(jìn)展，但正如前所述,建筑結(jié)構(gòu)的安全具有很多的不確定性，并且受到了來(lái)自各種環(huán)境的復(fù)雜影響,有的甚至還缺乏一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，為了使得安全性的評(píng)估技術(shù)可以在建筑工程的實(shí)踐應(yīng)用得到更好的推廣，需要對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、使用以及維修等方面均進(jìn)行可靠性的技術(shù)評(píng)估。目前看來(lái)，該技術(shù)主要有以下幾個(gè)尚待解決的問(wèn)題:

(1)混凝土的分析設(shè)施不完善。對(duì)于破壞程度較大或使用年限較長(zhǎng)的建筑混凝土,要求在可評(píng)估的范圍內(nèi)獲取可靠的性能分析數(shù)據(jù)，并且以此來(lái)構(gòu)建模型分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式,這顯得異常困難。因?yàn)椴粌H僅是分析設(shè)施的結(jié)構(gòu)條件不完善，還有就是數(shù)據(jù)分析方法的選擇不當(dāng)，導(dǎo)致以此所建立的混凝土構(gòu)件安全性的評(píng)估模型不正確,得出的結(jié)論自然是不可以使用的。

在混凝土的使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)材料等等的內(nèi)部因素的綜合作用下,如果混凝土的分析設(shè)施不加以改進(jìn)，結(jié)構(gòu)性能就會(huì)逐步趨向于劣化,后期只能通過(guò)技術(shù)維修來(lái)延長(zhǎng)混凝土的老化結(jié)構(gòu)的使用壽命,由此可見(jiàn)，完善混凝土的分析設(shè)施是必不可少的。只有當(dāng)混凝土的結(jié)構(gòu)不存在技術(shù)錯(cuò)誤時(shí),才可以逐步地提高其穩(wěn)定性，再進(jìn)一步避免結(jié)構(gòu)的性能劣化。

(2)設(shè)計(jì)方案缺乏可操作性。由于建筑施工過(guò)程中建筑結(jié)構(gòu)的形狀、混凝土材料的選擇以及施工條件等等均具有隨機(jī)性，所以在施工方案的設(shè)計(jì)上面，必須先準(zhǔn)確分析建筑設(shè)計(jì)方案的合理性才能加以實(shí)施。

除隨機(jī)性外,影響安全性的因素還存在變動(dòng)性,如混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化在各種條件下就是模糊的,不代表是完全可信的數(shù)據(jù)，應(yīng)用合理的方案設(shè)計(jì)方法,提出結(jié)構(gòu)安全性的統(tǒng)一模型,同時(shí)考慮好影響因素的隨機(jī)性和變動(dòng)性,這是目前需要解決的問(wèn)題根源。然而在設(shè)備的診斷系統(tǒng)中，一些技術(shù)性的問(wèn)題經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失去可操作性，從而進(jìn)一步使得結(jié)果很不準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)出一個(gè)易操作的技術(shù)方案將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

(3)災(zāi)害預(yù)防作用少。一旦災(zāi)害發(fā)生了，建筑的不良影響作用顯得非常麻煩。災(zāi)害診斷作為土木基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)管理的一部分,越來(lái)越受到人們的重視。但是，有關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用于災(zāi)害的預(yù)防上面，這些都是亟待解決的問(wèn)題。災(zāi)難預(yù)防工作除了要準(zhǔn)備好應(yīng)付各種突如其來(lái)的自然災(zāi)害,也應(yīng)該確保在災(zāi)害過(guò)后的一段時(shí)間內(nèi)土木結(jié)構(gòu)設(shè)施的完整性,對(duì)此我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到開(kāi)展土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)于預(yù)防災(zāi)害作用的研究的必要性。與此同時(shí)，相關(guān)的技術(shù)人員也應(yīng)該提出土木工程結(jié)構(gòu)加固后的安全性的技術(shù)指標(biāo),分析現(xiàn)行建筑的技術(shù)規(guī)范所存在的問(wèn)題，為今后災(zāi)害預(yù)防方向發(fā)展提供科學(xué)性的參考[5～6]。

3 結(jié)語(yǔ)

土木工程結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估是以與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的土木結(jié)構(gòu)建設(shè)為基礎(chǔ)的,它一直是設(shè)計(jì)者非常關(guān)注的問(wèn)題,關(guān)系到建筑的安全與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào),并與國(guó)家未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān),是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，未來(lái)主要以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和評(píng)估等等幾個(gè)階段為主要路線,系統(tǒng)將試驗(yàn)所得到的土木工程的結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的研究成果繼續(xù)投入實(shí)施，逐步提高我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)的實(shí)用性以及安全性價(jià)值。

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