大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評(píng)估模型構(gòu)建

何卓應(yīng)

(廣東誠(chéng)實(shí)建設(shè)工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東 梅州 514000)

0 引 言

大型高層建筑結(jié)構(gòu)由于其復(fù)雜性和特殊性,面臨著多種潛在的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。質(zhì)量問(wèn)題、自然災(zāi)害、設(shè)計(jì)和施工缺陷等都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效或損壞。對(duì)于大型高層建筑而言,其穩(wěn)定性在很大程度上取決于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性。[1]在對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估時(shí),考慮到不同建筑結(jié)構(gòu)自身構(gòu)成的特殊性[2],要實(shí)現(xiàn)對(duì)其的綜合評(píng)價(jià)首先需要對(duì)構(gòu)件的屬性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析[3],在此基礎(chǔ)上,結(jié)合構(gòu)件的目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境,對(duì)其可靠性作出全面分析。[4]通過(guò)構(gòu)件可靠度的綜合評(píng)估,可以準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)和潛在風(fēng)險(xiǎn),從而采取相應(yīng)的措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。因此,對(duì)于大型高層建筑結(jié)構(gòu)的可靠性綜合評(píng)估成了一個(gè)重要的研究方向。

許多研究人員對(duì)該方面進(jìn)行研究,如:文獻(xiàn)[5]以FRP筋混凝土為研究對(duì)象,分析了受彎構(gòu)件在裂縫控制作用下的可靠度,分析結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性,但是其在具體的應(yīng)用過(guò)程中對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的要求較高,因此應(yīng)用范圍相對(duì)有限。文獻(xiàn)[6]以內(nèi)置型鋼鋼管混凝土軸壓構(gòu)件為研究對(duì)象,在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)相應(yīng)可靠度分析方法進(jìn)行研究,大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,但是同樣地,其在應(yīng)用階段的局限性相對(duì)較強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]將貝葉斯更新融入在役鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件可靠度的分析研究綜合,并通過(guò)與逆高斯過(guò)程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了隨著時(shí)間的推進(jìn),對(duì)構(gòu)件可靠度的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),并且預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性,但是值得關(guān)注的是,由于在運(yùn)行過(guò)程中構(gòu)件受到的外力作用并非恒定不變,因此該方法對(duì)突變情況下的可靠性分析結(jié)果存在優(yōu)化空間。通過(guò)對(duì)上述關(guān)于建筑構(gòu)件可靠性分析方法的研究可以看出,加深對(duì)該問(wèn)題的研究仍然對(duì)于現(xiàn)實(shí)施工具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

在上述研究的基礎(chǔ)上,本文以大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件為研究對(duì)象,構(gòu)建了以可靠度綜合評(píng)估為目標(biāo)的模型,并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方式分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模型在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。借助本文構(gòu)建的模型,希望可以為實(shí)際的工程建設(shè)提供有價(jià)值的參考,最大限度保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評(píng)估模型設(shè)計(jì)

1.1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

要確保構(gòu)建的大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評(píng)估模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反饋構(gòu)件的實(shí)際情況[8],首先需要對(duì)構(gòu)件具體的可靠度評(píng)級(jí)指標(biāo)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。一般情況下,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性是不能夠直接應(yīng)用的。作為一個(gè)相對(duì)定性化的指標(biāo)參量,需要借助可靠度這一指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的度量[9,10]。在此基礎(chǔ)上,本文將構(gòu)件在規(guī)定時(shí)間和條件下完成設(shè)計(jì)功能的概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。那么對(duì)應(yīng)地,結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間和條件下,不能完成設(shè)計(jì)功能的概率即為結(jié)構(gòu)的失效概率。根據(jù)可靠度分析理論可知,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)可以表示為“可靠-失效”的二級(jí)化模式,可靠度代表了構(gòu)件在給定使用條件下,不發(fā)生失效的能力。而失效概率則是衡量構(gòu)件在給定時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的可能性。可靠度和失效概率是互為補(bǔ)充的概念,失效概率是可靠度的補(bǔ)數(shù)。構(gòu)件的安全狀態(tài)和失效狀態(tài)是以獨(dú)立對(duì)立的形式存在的,這種互不相容的關(guān)系使得構(gòu)件的可靠度和失效概率之間的存在以下關(guān)系:

Kw+Pl=1

(1)

式中:Kw為構(gòu)件能夠在規(guī)定時(shí)間和條件下完成設(shè)計(jì)功能的概率值,Pl為構(gòu)件無(wú)法在規(guī)定時(shí)間和條件下完成設(shè)計(jì)功能的概率值。以此為基礎(chǔ),構(gòu)件整體的可靠度就可以用上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行表述。但是需要注意的是,雖然從整體上分析影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素僅分為上述兩個(gè)指標(biāo),但是在實(shí)際的施工過(guò)程中,上述兩個(gè)因素是以相對(duì)宏觀的形式表現(xiàn)的。這就意味著Kw和Pl均是由相關(guān)施工條件、構(gòu)件加工條件以及構(gòu)件應(yīng)用條件等因素共同作用形成的。針對(duì)該問(wèn)題,為了進(jìn)一步提高建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用價(jià)值,需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。

為此,本文假設(shè)影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素為隨機(jī)變量,以構(gòu)件為目標(biāo)對(duì)象的環(huán)境中,各影響因素的聯(lián)合概率密度函數(shù)可以表示為:

f(X)=f(x1,x2,…,xn)

(2)

式中:f(X)為建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件各影響因素的聯(lián)合概率密度函數(shù),xn表示任意影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素,通過(guò)式(2)可以看出,存在X={x1,x2,…,xn},那么對(duì)應(yīng)地,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)可以表示為:

∑Kw(xn)+∑Pl(xn)=n

(3)

式中:n為參與建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度評(píng)估的影響因素總量。

按照這樣的方式,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建,為后續(xù)評(píng)估模型的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估模型構(gòu)建

在確定具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)后,本文在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估模型構(gòu)建階段的主要任務(wù)就是明確Kw和Pl對(duì)構(gòu)件可靠度影響權(quán)重的大小。需要注意的是,不同建筑構(gòu)件無(wú)論是在基礎(chǔ)材料組成上,還是具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)上都存在對(duì)應(yīng)的差異性,也正是因?yàn)檫@種差異性,直接以定量化的參數(shù)對(duì)其可靠度影響權(quán)重進(jìn)行計(jì)算難以計(jì)算得到準(zhǔn)確的可靠度結(jié)果。為此,本文采用二階彈性分析設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性進(jìn)行計(jì)算的最終目標(biāo)是提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文通過(guò)在各層柱頂附加假想水平荷載的方式得到各個(gè)影響因素在二階彈性分析設(shè)計(jì)法下的影響程度。在此基礎(chǔ)上,再綜合考慮構(gòu)件結(jié)構(gòu)中存在的整體幾何缺陷對(duì)可靠度的作用強(qiáng)度。不僅如此,為了避免由于構(gòu)件長(zhǎng)度差異對(duì)驗(yàn)算結(jié)果的影響,本文以1.0作為統(tǒng)一長(zhǎng)度系數(shù)。這樣也可以在一定程度上簡(jiǎn)化對(duì)構(gòu)件可靠性評(píng)價(jià)因素權(quán)重計(jì)算的復(fù)雜性。具體的二階彈性分析設(shè)計(jì)法計(jì)算結(jié)果可以表示為:

(4)

(5)

式中:WKw為Kw在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估中的權(quán)重系數(shù),WPl為Pl在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估中的權(quán)重系數(shù),L為構(gòu)件長(zhǎng)度。根據(jù)上述的設(shè)置,式(4)和式(5)中的L均取1.0。E表示施加在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件各層的水平荷載強(qiáng)度,考慮到構(gòu)件失效是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程中,當(dāng)作用與構(gòu)件的荷載強(qiáng)度小于臨界荷載力時(shí),構(gòu)件是以相對(duì)穩(wěn)態(tài)的形式存在的,對(duì)應(yīng)的形變量以及內(nèi)力的變化都是均勻發(fā)展的。當(dāng)作用與構(gòu)件的荷載強(qiáng)度大于臨界荷載力時(shí),構(gòu)件是以非穩(wěn)態(tài)的形式存在的,對(duì)應(yīng)的形變量以及內(nèi)力的變化也將呈現(xiàn)出躍進(jìn)式的發(fā)展特點(diǎn)。為此,本文在對(duì)E值進(jìn)行設(shè)置時(shí),將其初始變異系數(shù)設(shè)置為0.2,得到初始臨界荷載力閾值范圍后,設(shè)置E的變異系數(shù)為0.1。通過(guò)這樣的方式,確保最終計(jì)算得到的構(gòu)件可靠性評(píng)價(jià)因素權(quán)重系數(shù)無(wú)限接近實(shí)際值。

按照上述方式計(jì)算得到的權(quán)重系數(shù),本文構(gòu)建的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估可以表示為:

K=∑WKwKw(xn)-WPl∑Pl(xn)

(6)

式中:K為構(gòu)件的可靠度評(píng)估模型。按照式(6)所示的方式,根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用需求,將對(duì)應(yīng)的影響因素指標(biāo)輸入到模型中,模型輸出的結(jié)果即為構(gòu)件對(duì)應(yīng)的可靠度評(píng)估結(jié)果。

通過(guò)這樣的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件可靠度的準(zhǔn)確計(jì)算。

2 實(shí)例分析

本文在上述理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,以實(shí)際施工案例為基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)例分析,考慮到直接對(duì)構(gòu)件的可靠度進(jìn)行測(cè)量難度較大。因此,本文采用現(xiàn)階段工程驗(yàn)收中應(yīng)用的蒙特卡羅法計(jì)算得到的結(jié)果作為基準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,分別采用文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出的方法作為對(duì)照組,通過(guò)比較不同方法計(jì)算結(jié)果與蒙特卡羅法計(jì)算對(duì)應(yīng)結(jié)果之間的誤差,分析本文設(shè)計(jì)綜合評(píng)估模型的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)架基礎(chǔ)參數(shù)

本文進(jìn)行測(cè)試的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件為平面桁架多構(gòu)件體系,彈塑性平面桁架的具體施工設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 平面桁架結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出,進(jìn)行測(cè)試的彈塑性平面桁架構(gòu)件由10個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件組成,結(jié)構(gòu)整體形態(tài)規(guī)則,并且平行構(gòu)件之間設(shè)置了加固結(jié)構(gòu)確保其穩(wěn)定性。按照?qǐng)D1所示,對(duì)構(gòu)件各組成部分的具體性能參數(shù)進(jìn)行分析,其中,各桿件截面屈服強(qiáng)度一致,均為200.0 MPa,單元截面面積均為0.5 m×0.5 m,構(gòu)件受到的水平荷載力均值為12 500 kN,變異系數(shù)為0.35。構(gòu)件水平和垂直組成部分之間的跨度均為 4 000.0 mm,結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的彈性模量為2.0×105N/mm2,撓度不確定性系數(shù)為1.07,對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)為0.02。對(duì)構(gòu)件的施工設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析,對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和施工厚度分別為 C30和25.0 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

按照上述所示的方式,計(jì)算構(gòu)件的可靠度。可靠度結(jié)果誤差是評(píng)估方法和模型的精確度和準(zhǔn)確性的一種度量。較小的誤差表示評(píng)估方法和模型的可靠度較高,結(jié)果更接近真實(shí)情況。可靠度結(jié)果誤差的計(jì)算表達(dá)式為:

(7)

式中:Error為計(jì)算結(jié)果的誤差,KMC為蒙特卡羅法計(jì)算得到的構(gòu)件可靠度標(biāo)準(zhǔn)解。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上,本文統(tǒng)計(jì)了不同方法對(duì)構(gòu)件可靠度計(jì)算結(jié)果,并按照式(7)所示的方式對(duì)各個(gè)方法對(duì)應(yīng)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差進(jìn)行計(jì)算,得到的數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。

表1 不同方法建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)觀察表1中的數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)比不同方法對(duì)施工構(gòu)件可靠度的分析結(jié)果可以看出,其中,文獻(xiàn)[5]方法計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差表現(xiàn)出了較為明顯的不穩(wěn)定性,其中,最小值僅為0.55%,但是最大值達(dá)到了4.31%。文獻(xiàn)[6]方法的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的擬合度有所提升,其中,最小誤差僅為0.10%,但是最大誤差也達(dá)到了4.07%,雖然與文獻(xiàn)[5]方法相比雖然表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì),但是其仍存在一定的提升空間。相比之下,本文設(shè)計(jì)模型對(duì)測(cè)試建筑施工構(gòu)件可靠度的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差始終穩(wěn)定在2.50%以內(nèi),最大值僅為2.20%,最小值僅為0.10%。測(cè)試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評(píng)估模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件應(yīng)用狀態(tài)的準(zhǔn)確分析,能夠?yàn)閷?shí)際的建筑施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的實(shí)效性,進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估時(shí)間測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表2可以看出,本文方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估時(shí)間最高為11 ms;而對(duì)比方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估時(shí)間明顯高于本文方法,文獻(xiàn)[5]方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估時(shí)間最高達(dá)到了39 ms,文獻(xiàn)[6]方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評(píng)估時(shí)間最高達(dá)到了42 ms。由此可見(jiàn),本文方法的評(píng)估效率較高,具有實(shí)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了最大限度地降低由構(gòu)件可靠度無(wú)法滿足建筑需求導(dǎo)致的安全問(wèn)題,對(duì)構(gòu)件的可靠度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估分析是十分必要的。考慮到影響其可靠度的因素不僅涉及其自身構(gòu)成,同時(shí)也與其實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的應(yīng)力需求之間相關(guān),因此,綜合考慮構(gòu)件的各指標(biāo)參數(shù)與應(yīng)力能力是保障可靠度計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評(píng)估模型,實(shí)例結(jié)果表明,設(shè)計(jì)模型對(duì)構(gòu)件可靠度的評(píng)估結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差最大值為2.20%,最小值僅為0.10%,可靠度評(píng)估時(shí)間最高為11 ms,說(shuō)明設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度準(zhǔn)確高效的計(jì)算。通過(guò)本文的研究,希望可以為相關(guān)建筑施工提供有價(jià)值的幫助,保障建筑施工的穩(wěn)定性和安全性。