影響大型復雜機械鋼結構系統可靠性的因素評價分析

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

影響大型復雜機械鋼結構系統可靠性的因素評價分析

朱 磊

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

目前，鋼結構系統已被廣泛應用到國民經濟發展領域，其屬系統的關鍵承載受力部分。本文圍繞大型復雜鋼結構系統展開論述，以期探索出更適用的現代方法來分析大型復雜房結構系統的可靠性。

鋼結構系統；失效準則；可靠性

一、鋼結構系統失效準則判定的影響因素

結構系統失效是指結構系統并未遵循設計要求來實施或完成既定的功能，但需注意并非所有的結構失效定義均相同，即結構系統可靠性的分析要求堅持“具體結構具體定義”的原則。目前，多數工程結構屬大型復雜結構系統，而結構系統失效主要涉及三種情況，即結構已失效單元數目達到特定值，此時結構轉換成機構；結構已失效單元數目達到特定值，此時從規范或者經驗角度可判定該結構難以承載所加外載；結構整體承載能力或者結構整體失效初次呈下降趨勢。就立體車庫鋼結構而言，若立柱與載車板支撐懸臂梁的相交剛節點轉換成鉸節點，那么便可判定結構系統的使用性能失效，而連接此類節點的單元統稱關鍵單元或者關鍵元，可見立體車庫鋼結構失效原則可從兩大方面進行判定，即立體車庫鋼結構的立柱與載車板支撐懸臂梁相交剛節點轉換成鉸節點；立體車庫鋼結構的某完全失效路徑達到特定長度，若上述兩方面的關系取“或者”，即兩方面不同時成立，那么該系統失效。

本章節以三層、六層立體車庫鋼結構系統為例，試圖采用RAPS（可靠性分析軟件）來對鋼結構系統失效準則判定的影響因素進行評價分析。若CAP（約界參數）取0.95，那么面對失效單元沒有達到關鍵單元的情況，六層立體車庫鋼結構失效路徑的長度最大可取8，此時系統轉換成機構，此外三層立體車庫失效路徑的長度最大可取4。從理論角度而言，六層鋼結構的復雜性較三層鋼結構更明顯，同時六層鋼結構的冗余度也較三層鋼結構更高，如此六層鋼結構失效的可能性便更小，所以六層鋼結構的失效路徑應更長些。就三層立體車庫鋼結構而言，若CAP取0.95，那么失效路徑允許取4，但若此時CAP取0.92，那么單元剛度矩陣元素主對角元素歸零，另外若此時失效路徑取3，那么分析結果完全正常。若CAP取0.88，失效路徑取3，注意有限元計算前需進行釋放約束處理，那么單剛矩陣主對角元素再次歸零，此時若調小失效路徑，那么分析記過也再次恢復正常。由此可見，若CAP取小，那么失效模式的數量必定增加，如此失效單元的數目及釋放約束的單元也有所增加，此外結構系統也更有可能轉換成機構。

綜上所述，三層立體車庫鋼結構的CAP取0.95，那么失效路徑取4； CAP取0.92，那么失效路徑取3；六層立體車庫鋼結構的CAP取0.95，那么失效路徑取8；CAP取0.92，那么失效路徑取7，可見CAP的取值與失效路徑的長度間存有關系，即失效路徑的長度隨著CAP的取值的增大而變大。

二、鋼結構系統可靠性分析計算結果的影響因素

本章節以六層立體車庫鋼結構系統為例，分別分析失效路徑的長度、約界參數CAP對鋼結構可靠性的影響。

（一）失效路徑的長度對鋼結構可靠性的影響

針對六層立體車庫鋼結構系統而言，若CAP取0.98、失效路徑取6，那么結構可靠性的部分分析結果如下：失效路徑75→54→53→71→67→79、模式失效概率3.30336214532378E-05；失效路徑75→54→53→71→79→47、模式失效概率3.30336214532378E-05。若失效路徑更換成8，那么結構系統勢必轉換成機構。若失效路徑取7、CAP取0.98，那么結構可靠性的部分分析結果如下：失效路徑75→54→53→71→67→79→47、模式失效概率3.30127635287392E-05；失效路徑75→54→53→71→67→79-→48、模式失效概率3.30127635287392E-05。結合上述分析結果可知，若失效模式數及系統的失效概率均隨著失效路徑取值的增大而減少，可見失效路徑勢必影響著系統的失效概率，因此針對六層立體車庫鋼結構而言，若CAP取0.98，那么失效路徑應取7。

（二）約界參數CAP對鋼結構可靠性的影響

針對六層立體車庫鋼結構而言，若CAP取0.95，那么結構系統可靠性的部分分析結果如下：失效路徑67→48→47→71→53→54、模式失效概率3.30336215397242E-05；失效路徑67→48→47→71→79→54、模式失效概率 3.30336215397242E-05。與CAP取0.98、失效路徑取6的情況相比較可知，結構系統的失效概率隨著約界參數CAP取值的增大而減小，同時結構系統的可靠性呈增大趨勢。若相關條件不發生變化，那么結構可靠性的分析要求CAP視精度的要求進行取值。但需注意，CAP是指失效元的選擇范圍，因此研究對象的不同決定著所取數值亦不同，其中CAP的取值必須合理，以免取值過大或過小對分析結果造成不良影響。

結語

綜上所述，針對大型復雜鋼結構系統的可靠性而言，必須根據工程結構的實際情況選用適宜的分析計算方法，以確保分析計算結果的精準性。本文主要從鋼結構系統失效準則判定及鋼結構系統可靠性分析計算結果兩方面分析了大型復雜機械鋼結構系統可靠性的影響因素。研究表明，針對相同的結構，不同的約界參數CAP勢必導致結構系統的失效模式有所不同，但針對相同約界參數CAP、不同結構參數的情況，其所對應的主要失效模式勢必存有較大差異，同時若結構層數變大，主要失效模式數也隨之增大。

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