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土木工程結(jié)構(gòu)可靠性理論分析論文
摘要：:工程結(jié)構(gòu)一般需要保持長時間的安全與穩(wěn)定，即保證建筑結(jié)構(gòu)的耐久性、可靠性、安全性。建筑結(jié)構(gòu)的組成成分主要有木材、鋼材、石材、磚材、混凝土和鋼筋混凝土。整個工程結(jié)構(gòu)的可靠性關(guān)系重大，不僅僅關(guān)系到工程進度，而且結(jié)構(gòu)的可靠性很大程度關(guān)系著經(jīng)濟與社會效益。
關(guān)鍵詞：:土木工程;結(jié)構(gòu);可靠性;理論;分析;影響因素
前言
結(jié)構(gòu)可靠性不僅關(guān)系到生命財產(chǎn)安全，而且關(guān)系到社會生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。我國在研究工程結(jié)構(gòu)可靠性上，開展了很多的理論性的整理分析、資料的收集等工作，并且對結(jié)構(gòu)工程實踐做了總結(jié)，借鑒了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2394:1998《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》，提出了施工系統(tǒng)的可靠性理論。
1結(jié)構(gòu)可靠性基本理論
工程結(jié)構(gòu)主要是由相關(guān)材料構(gòu)成的各種構(gòu)筑物和建筑物。建筑結(jié)構(gòu)的耐久性是指:結(jié)構(gòu)在正常使用、無故意破壞情況下，維護的情況下，具有耐久的性能。建筑結(jié)構(gòu)的安全性跟我們通常所認(rèn)為的安全的概念不同，我們所認(rèn)為的安全是不造成人身安全和財產(chǎn)的損失，而建筑結(jié)構(gòu)的安全性是在正常施工條件下，正常使用條件下，結(jié)構(gòu)需要具有承受可能會出現(xiàn)的各種外界對結(jié)構(gòu)的作用，在所預(yù)計的事故發(fā)生之前或事故發(fā)生之后，建筑結(jié)構(gòu)依舊可以保持計劃的整體穩(wěn)定的性能。我國對建筑工程結(jié)構(gòu)的安全等級大致分為三類:①安全等級第三級:次要房屋，比如車棚、臨時倉庫等，破壞后果不嚴(yán)重;②安全等級第二級:一般的房屋，比如民用建筑或工業(yè)建筑，破環(huán)后果嚴(yán)重;③安全等級第一級:重要的房屋，比如體育館、電影院、核電站、歌劇院等這類的建筑，破環(huán)后果很嚴(yán)重。同一結(jié)構(gòu)中各類構(gòu)件的安全等級與整體結(jié)構(gòu)的安全等級相同最好�？煽啃栽O(shè)計基本理論包括設(shè)計使用年限與設(shè)計的基準(zhǔn)期。設(shè)計使用年限就是說結(jié)構(gòu)在保持設(shè)計、施工、使用都正常的情況下應(yīng)該達到的使用年限。我國工程結(jié)構(gòu)規(guī)定中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期是50年，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期是100年，瀝青混凝土路面的設(shè)計基準(zhǔn)期不能大于15年，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期不能大于30年。結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限之間有一定的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)的可靠度三要素，即規(guī)定的時間、條件、預(yù)定功能。規(guī)定的時間就是建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該達到的設(shè)計使用時間;規(guī)定的條件就是不考慮人為造成的過失或者錯誤對結(jié)構(gòu)造成的影響，也不考慮結(jié)構(gòu)任意改建等原因造成的不良影響，結(jié)構(gòu)的正常施工、使用、維護;預(yù)定的結(jié)構(gòu)功能就是結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)各項使用功能。另外，結(jié)構(gòu)的可靠度還與失效率有關(guān)，失效概率越小，結(jié)構(gòu)的可靠性則越好，相反的，失效概率越大，結(jié)構(gòu)的可靠性越差。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)實際使用年限超過預(yù)期的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限時，并不是說結(jié)構(gòu)會立即失去使用性能立即報廢不能使用。各類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限大致分為了四類:第一類是臨時性的建筑結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限是5年;第二類是易于替換的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限是25年;第三類是構(gòu)筑物和普通的房屋，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限是50年;第四類是特別重要的建筑結(jié)構(gòu)和具有紀(jì)念性的建筑物，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限相對較長，是100年。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限不等于結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以下任何一種情況，則認(rèn)為超過了承載力極限狀態(tài):①結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件失去穩(wěn)定性;②整個結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件發(fā)生傾覆、側(cè)滑失去平衡;③結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而發(fā)生疲勞破壞，或者因為變形而不能繼續(xù)作為承載的構(gòu)件;④地基失去承載能力而發(fā)生失穩(wěn)�？梢砸钥煽啃岳碚摓榛A(chǔ)，把影響建筑結(jié)構(gòu)可靠性的幾乎所有參數(shù)都作為隨機變量，運用概率論和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析全部參數(shù)或者部分參數(shù)，計算結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)或者失效概率，以此來設(shè)計或者校核結(jié)構(gòu)。
2可靠度設(shè)計方法
假設(shè)將影響結(jié)構(gòu)功能的因素歸結(jié)為結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)，則可以采用以下結(jié)構(gòu)設(shè)計式:設(shè)計中取荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的值與一個常數(shù)的乘積，小于或者等于結(jié)構(gòu)抗力的均值。如果采用單一系數(shù)表達式，它的安全系數(shù)與抗力和荷載效應(yīng)的變異系數(shù)以及設(shè)計要求的可靠度指標(biāo)與安全指標(biāo)β有關(guān)系。由于設(shè)計時設(shè)計條件不統(tǒng)一，所以，安全系數(shù)與抗力和荷載效應(yīng)的變異系數(shù)也會在一個較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，為了使設(shè)計與規(guī)定的目標(biāo)可靠度指標(biāo)相一致，安全系數(shù)也會隨設(shè)計條件的變動而發(fā)生相應(yīng)的變動，如此一來，給實際的工程設(shè)計帶來很大不便。當(dāng)采用中心點法計算的時候，雖然計算簡便，但是也存在一些缺點，比如說，同一個問題采用不同形式的功能函數(shù)即不同數(shù)學(xué)表達式的極限狀態(tài)方程，可靠指數(shù)計算值就可能會有所不同，或者相差較大，或者基本變量的分布不是對數(shù)正態(tài)分布或正態(tài)分布，會使結(jié)構(gòu)可靠度的計算結(jié)果與實際結(jié)果有很大的出入，不能采用。對于非線性的功能函數(shù)，在平均值處展開不太合理，而且展開時只保留了線性項，所以可能存在較大的線性計算錯誤。所以對于非線性功能的函數(shù)，線性化近似不是選在中心點均值處，而是選在失效的邊界上，即已經(jīng)通過極限狀態(tài)方程上的某一個點的切平面作線性近似，可以提高可靠度的計算精度。結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計還有一個表達式，就是采用分項系數(shù)設(shè)計表達式。采用分項系數(shù)設(shè)計表達式的優(yōu)點在于:它可以對影響結(jié)構(gòu)可靠度的各種因素分別進行研究，不同的荷載效應(yīng)可以根據(jù)荷載的變異性質(zhì)，采用不同的荷載分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗力分項系數(shù)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的工作性能不同而采用不同的數(shù)值。實際中結(jié)構(gòu)荷載的效應(yīng)，通常是兩個或兩個以上荷載效應(yīng)組合，而且荷載效應(yīng)不一定為對數(shù)正態(tài)分布或者正態(tài)分布。另外結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程也很有可能是非線性形式，當(dāng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的抗力符合對數(shù)正態(tài)分布，它的變異系數(shù)即二階統(tǒng)計參數(shù)是一定的，可以預(yù)先確定，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是求取結(jié)構(gòu)抗力的平均值參數(shù)。自從我國從建設(shè)規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系過程中，將具有可靠性的結(jié)構(gòu)理論融入了進來之后，我國學(xué)者先后展開了有關(guān)于結(jié)構(gòu)可靠性方面的深入研究，并取得了極大的進展，促進了我國結(jié)構(gòu)工程的進一步發(fā)展。現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)僅僅在結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程非線性程度不高的時候適用，它是對于線性或線形化極限狀態(tài)方程。在實際工程應(yīng)用中，除活荷載外，結(jié)構(gòu)的恒荷載和結(jié)構(gòu)的相互作用力是相關(guān)的，這時需要根據(jù)變量之間的關(guān)系來分析結(jié)構(gòu)的可靠度，所以說結(jié)構(gòu)可靠度分析的方法只是局限于結(jié)構(gòu)隨機變量之間的關(guān)系、不相互作用的前提下。
3結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的基本變量
功能函數(shù)為多個隨機變量組成的非線性函數(shù)，或者不為對數(shù)正態(tài)分布或者正態(tài)分布時，可靠指標(biāo)很難直接用包含基本直接變量統(tǒng)計參數(shù)的公式來計算。四階矩方法的結(jié)構(gòu)可靠度分析是根據(jù)信息論中的最大熵原理，同時也考慮了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程的非線性化的影響，提出的可靠度的不交化最小路集的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)的新方法。根據(jù)不交化原理進行進一步計算，根據(jù)可靠性原理的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，可以建立施工系統(tǒng)可靠性的算法模式。為了進一步有效地計算復(fù)雜施工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠度，可通過編制計算機程序，運用鄰接矩陣法求解復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來進一步實現(xiàn)，可以解決復(fù)雜極限狀態(tài)方程不易求導(dǎo)的問題。土木工程建筑結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性的問題，直接關(guān)系到人身、財產(chǎn)的安全，一直是設(shè)計者與使用者非常關(guān)注的問題，并與國家現(xiàn)行建筑政策、法律法規(guī)以及未來的經(jīng)濟發(fā)展有著密不可分的關(guān)系，是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程的問題。我國在可靠性基本理論方面的研究工作主要包括:①結(jié)構(gòu)體系可靠性問題;②關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性的問題;③關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)動力的可靠性的問題;④關(guān)于巖土工程方面的可靠性的問題;⑤關(guān)于已有的工程結(jié)構(gòu)的可靠性的鑒定問題。
4項目可靠性的鑒定與分析
在結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度研究分析基礎(chǔ)上，必須進一步地去研究建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件體系的可靠性及建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件體系的失效概率。結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括脆性結(jié)構(gòu)構(gòu)件和延性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，脆性構(gòu)件，比如鋼筋混凝土受壓柱，一旦失效就立即完全失去承載力，延性構(gòu)件受拉構(gòu)件或者受彎構(gòu)件達到屈服的承載能力，依舊可以保持承載力繼續(xù)變形，也就是說，失效以后依舊可以保持原有的功能和承載能力。建筑工程系統(tǒng)的可靠性需要從工程建設(shè)的思想觀念以及建筑工程建設(shè)的實際情況等方面進行考慮。建筑工程項目的可靠性主要指建筑工程能夠在規(guī)定的條件下，對工程施工的可靠性進行設(shè)計、管理以及維修等方面進行分析設(shè)計。施工過程系統(tǒng)的概念主要來源于工程施工的生產(chǎn)過程。在經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大的過程中，工程建設(shè)的科學(xué)性設(shè)計及其管理的可靠性容易出現(xiàn)各種問題。結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的可靠性可以通過質(zhì)量評定來進行分析。相關(guān)的文件表明，要把從前的質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)分開進行檢驗，質(zhì)量預(yù)驗收項目的標(biāo)準(zhǔn)和程序分開進行，可以在工程項目建設(shè)的過程中將各個項目進展安排得更合理，促進項目建設(shè)的可靠性。結(jié)構(gòu)的破壞性質(zhì)是按照延性破壞和脆性破壞來確定的可靠指標(biāo)，脆性指標(biāo)大于延性指標(biāo)。建筑結(jié)構(gòu)功能可靠度函數(shù)具有的特點，為多個隨機變量組成的非線性函數(shù)，分析結(jié)構(gòu)可靠度時需要進行近似簡化，即采用近似概率法，且變量并不是都符合正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布。從整個工程建設(shè)的過程來看，對項目的驗收主要有分項目部、分部以及單位對項目的建設(shè)進行驗收。質(zhì)量控制和質(zhì)量驗收在相應(yīng)的基礎(chǔ)上進行。施工單位根據(jù)優(yōu)化項目工程的要求，對相關(guān)的可靠性進行分析，選擇合適的施工項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)�？紤]抗力隨時間變化的結(jié)構(gòu)可靠度分析。結(jié)構(gòu)在進入老化期后，抗力隨時間不斷衰減。這屬于時變可靠度的范疇，但所考慮的結(jié)構(gòu)抗力衰減不是由環(huán)境腐蝕引起的，而是所經(jīng)歷的荷載作用累積損傷的結(jié)果，而且其分析方法與結(jié)構(gòu)疲勞可靠度又有所不同，所以，可靠度分析結(jié)果往往不盡合理。
5影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素
5.1材料強度強度是結(jié)構(gòu)材料的一項重要技術(shù)性能，指材料在受力時，單位面積抵抗外力破壞的能力�？煽啃允窃谝�(guī)定的時間條件下滿足耐久性、安全性、穩(wěn)定性的要求。以混凝土為例，普通混凝土是由水泥、粗集料、細集料與水拌合，經(jīng)硬化而成的一種人造石材，影響混凝土強度的因素包括水泥的強度等級、水灰比(用水量與水泥用量之比)、粗集料(水泥漿體與集料的粘結(jié)力和集料的表面狀況有關(guān))、養(yǎng)護條件、齡期(混凝土拌合成型后所經(jīng)過的養(yǎng)護時間)。除了上述因素外，施工條件、外加劑(減水劑或早強劑)等也會影響混凝土的強度發(fā)展。5.2材料耐久性建筑結(jié)構(gòu)中最常用的混凝土，除了要具有結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的強度外，還要具有與工程所處環(huán)境條件相適應(yīng)的特殊性能。處于嚴(yán)寒環(huán)境中的外部工程，要具有一定的抗凍性能以及其他環(huán)境中需要的耐熱性、耐酸性、耐磨性等。5.2.1抗?jié)B性抗?jié)B性是指混凝土抵抗壓力水滲透的性能，它主要與密實度以及內(nèi)部孔隙的大小和構(gòu)造有關(guān)�；炷羶�(nèi)部相互連通的孔以及成型時由于振搗不實而產(chǎn)生的孔洞都會造成混凝土滲水，所以，在施工中應(yīng)提高混凝土的密實度或者加引氣劑、減水劑等，以提高抗?jié)B性。5.2.2抗侵蝕性混凝土的抗侵蝕性與所選的水泥品種、孔隙特征和混凝土密實度有關(guān)。有封閉孔的混凝土，環(huán)境水不容易侵入，抗侵蝕性強。5.2.3提高耐久性的措施除了合理地選擇原材料，提高混凝土的密實度也是提高耐久性的一個重要措施。所以，在施工中應(yīng)該控制單位體積中的最小水泥用量和最大水灰比，并且應(yīng)攪拌均勻，精心振搗、加強養(yǎng)護，使混凝土能夠充分密實，保證混凝土的施工質(zhì)量。
6可靠性研究
采用可靠性理論的優(yōu)勢是在規(guī)定的時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率，是工程結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。工程結(jié)構(gòu)可靠性，是指在規(guī)定時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)具有的滿足預(yù)期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計算模型的不完善，制作質(zhì)量的差異等，而這些影響因素是隨機的，因而工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的能力只能用概率度量。結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的概率，稱為可靠概率;結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率，稱為失效概率。結(jié)構(gòu)可靠度方法的重要意義在于對結(jié)構(gòu)安全性檢驗提出了建立在概率分析基礎(chǔ)上的一系列的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)綜合考慮工程結(jié)構(gòu)中的各種不確定因素，對結(jié)構(gòu)可靠性有一個客觀的統(tǒng)一度量。這種設(shè)計方法認(rèn)為，考慮作用于結(jié)構(gòu)的真實承載能力，并且力求達到最佳的經(jīng)濟效益，將失效概率限制在人們實踐所能接受的程度上。概率設(shè)計法能夠根據(jù)設(shè)計進行分析計算已確定結(jié)構(gòu)的可靠度;或根據(jù)任務(wù)提出的可靠度指標(biāo)，確定構(gòu)建的參數(shù)。
7結(jié)語
在不斷發(fā)展的現(xiàn)代社會，人類的需求對結(jié)構(gòu)的可靠性提出了新的需求，在今后的理論實踐中，要根據(jù)已有的可靠性研究提出新的方法，不斷創(chuàng)新，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，這樣才能推動我國建筑行業(yè)的進步和發(fā)展。［ID:003365］
參考文獻:
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