摘 要：工程建筑結(jié)構(gòu)設計的基本目的是在一定的經(jīng)濟條件下，賦予結(jié)構(gòu)以適當?shù)目煽慷�，使結(jié)構(gòu)在預定的使用期限內(nèi)能滿足設計所預期的各種功能要求。一般來說，結(jié)構(gòu)(包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件)必須滿足安全性、適用性和耐久性的要求。我國現(xiàn)行國家標準規(guī)定，結(jié)構(gòu)設計采用"基于概率的極限狀態(tài)設計方法"，并將極限狀態(tài)分為兩類:承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。目前，混凝土結(jié)構(gòu)適用性和耐久性的研究己逐漸成為研究熱點，而其可靠性分析方法，也正受到越來越多的關注。
關鍵詞：鋼筋混凝土 可靠度計算 鑒定方法
The reliability of the reinforced concrete structure identification
Hu qiangsheng
(Jiangsu university of science and technology civil architecture and engineering college zhenjiang)
Abstract: The basic purpose of civil engineering construction structure design, under a certain economic conditions, is to give a appropriate reliability for the structure and make sure all sorts of function requirement available in expected time. Generally speaking, structure should fulfill the safety, applicability and durability requirements. In china, the current national standard, the structure design is named “based on the probability of the limit state design method”, and also divided into two types: the ultimate state and bearing capacity of normal use limit state. At present, the durability of concrete structure and applicability have gradually become the research focus, after all, the reliability analysis method is receiving more and more attention.
Keywords: reinforced concrete reliability calculation appraisal method
1 可靠度計算理論的研究現(xiàn)狀
1.1 可靠度計算
按照現(xiàn)行結(jié)構(gòu)可靠度設計標準的定義，結(jié)構(gòu)可靠度為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成預定功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠度理論的研究，起源于對結(jié)構(gòu)設計、施工和使用過程中存在的不確定性的認識，以及結(jié)構(gòu)設計風險決策理論中計算結(jié)構(gòu)失效概率的需要。
早期的可靠度計算方法是只考慮隨機變量平均值和標準差的所渭“二階矩模式”，可靠度用可靠指標表示。這種模式先后有德國的Mayer.瑞士的Basler、前蘇聯(lián)的爾然尼采和美國的Comell提出過，但只是在Cornell之后，二階矩模式才得到重視。二階矩模式的特點是形式簡單，但要求隨機變量服從正念分布。但在實際工程當中，并不是所有隨機變量都服從正態(tài)分布，此時的可靠度指標只是可靠度的一個的近似代用指標。直到1973年加拿大學者Lind在一次二階矩模式的基礎上，采用分離函數(shù)的方式將可靠度指標B值表達成適用于設計規(guī)范的分項系數(shù)式，才又重新確立了二階矩模式的地位。我國對結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究始于20世紀50年代，曾討論了數(shù)理統(tǒng)計方法在結(jié)構(gòu)設計中的應用問題。
二階矩模式計算結(jié)構(gòu)可靠度要求結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的表達式是顯式的。往往實際工程面對的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)不是一個簡單表達式，這時可以用有限差分來求解功能函數(shù)的一階偏導數(shù)。
當功能函數(shù)是隱式時，還有其他求解可靠度的方法，比如蒙特卡羅法及其改進法、隨機有限元法、響應面法和改進的遺傳算法等。當用蒙特卡羅法及其改進方法來求解功能函數(shù)為隱式時的可靠度問題，需要成千上萬次模擬，計算復雜。隨機有限元方法是另一種手段，但一般要求隨機變量的變異系數(shù)較小。響應面方法的求解精度取決于所研究的極限狀態(tài)面（線）的特征，該方法的關鍵是選取合適的方差增大系數(shù)h和一個合適的標準，確保擬合曲面g(x)能夠在失效區(qū)域很好的代表真實曲面，有時還能計算出錯誤的驗算點。
1.2 結(jié)構(gòu)體系可靠度
如果只有當結(jié)構(gòu)中的每一個構(gòu)件都失效時結(jié)構(gòu)才失效，則稱結(jié)構(gòu)體系為并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系。并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系一般都是超靜定體系，構(gòu)件破壞后會發(fā)生內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)體系的可靠度要大于每一個構(gòu)件的可靠度。對于靜定結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)每一個構(gòu)件的失效都會導致整個結(jié)構(gòu)體系的失效，稱為串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系。串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系屬最薄弱鏈系統(tǒng)，其可靠度要小于每一個構(gòu)件的可靠度。一個復雜的結(jié)構(gòu)往往是由多個構(gòu)件組成的，通過力學方法將結(jié)構(gòu)上荷載的統(tǒng)計特性轉(zhuǎn)化為構(gòu)件荷載效應的統(tǒng)計特性后，若結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力統(tǒng)計特性也是已知，則可由前面介紹的一次二階矩方法分析每一個構(gòu)件的可靠度，但每一個構(gòu)件的可靠度，并不能反映整個結(jié)構(gòu)體系的可靠度。事實上，整個結(jié)構(gòu)體系可靠度的計算是非常復雜的，大多數(shù)都是以并聯(lián)一串聯(lián)體系形式而存在的，按照并聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)失效要形成相應的失效路徑（模式），而失效路徑可能會有多個，所有失效路徑又構(gòu)成一最薄弱鏈系統(tǒng)。為分析方便，實際中多將并聯(lián)一串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系簡化為有多個失效模式構(gòu)成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，因此研究體系可靠度問題就以串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠度問題居多。分析結(jié)構(gòu)體系可靠度，首先要尋找結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)的各種失效模式。一般情況下，即使是一個非常簡單的結(jié)構(gòu)體系，其失效模式也非常多，全部搜尋出來計算量會很大。而實際上，在這些失效模式中，只有失效概率值較大的模式對結(jié)構(gòu)體系的失效概率有明顯的貢獻，稱為主要失效模式，其他的失效模式則可以忽略掉，所以分析中只考慮這些主要的失效模式即可。找到結(jié)構(gòu)主要的失效模式后，再應用多個失效模式的可靠度計算方法分析結(jié)構(gòu)體系可靠度。目前，已提出多種尋找結(jié)構(gòu)主要失效模式的方法，如網(wǎng)絡搜索法、分支約界法、荷載增量法、B約界法、截止枚舉法等。其中網(wǎng)絡搜索法和分支一約界法應用較廣，網(wǎng)絡搜索法首先將所有主要失效模式按彼此相關的密切程度分成若干組，在每組中選出一個失效概率最大的失效模式作為代表性失效模式，然后假定各代表性失效模式相互獨立，再估算結(jié)構(gòu)體系的失效概率。該法的關鍵是分組標準Pn（相關系數(shù)）的選�。喝鬚n取得較大，將會得到偏于保守的結(jié)果；相反，若Pn取得較小，又將得到偏于危險的結(jié)果；在Pn選取的比較合適時，才可以得到比較準確的結(jié)果。分支約界法首先根據(jù)構(gòu)件截面失效概率的大小形成失效路徑的第一級分支，對于每一分支，再根據(jù)構(gòu)件截面失效概率的大小形成失效路徑的第二級分支，在塑性鉸形成后的下一步分析中，都將截面的抗力視為外荷載，當結(jié)構(gòu)剛度矩陣的行列式值為0時，結(jié)構(gòu)就形成了一個機構(gòu)，也就產(chǎn)生了一條失效路徑，整個過程要進行多次變結(jié)構(gòu)重分析，計算量非常大，當然從尋找主要失效模式的觀點出發(fā)，按照預先規(guī)定的判斷準則，在形成失效路徑分支的過程中，就將對結(jié)構(gòu)體系失效概率貢獻不大的分支舍棄掉。
2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠性鑒定分析方法
2.1 混凝土檢測
混凝土強度指標有混凝土抗壓強度、抗拉強度抗折強度等, 但抗壓強度是其關鍵指標, 它是各項力學指標的綜合性反映, 是結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算分析的主要數(shù)據(jù)之一, 亦是評定結(jié)構(gòu)可靠性的一個重要依據(jù)。檢測混凝土抗壓強度的方法有很多, 如錘擊印痕法、表面拉脫法、回彈法、拉拔法、射釘法、壓釘法等。我國目前用得較多的是回彈法、超聲法、取芯法、拉拔法、超聲回彈綜合法等�；貜椃y的是混凝土表面硬度, 超聲法測的是混凝土密實度, 均系間接推斷混凝土強度, 影響的因素較多, 對混凝土抗壓強度的推定誤差也較大。此兩種方法為非破損檢驗, 可對結(jié)構(gòu)各個部位進行全面檢測。取芯法和拉拔法, 系直接測定法, 能真實反映結(jié)構(gòu)中混凝土的實際強度, 但對結(jié)構(gòu)有局部損壞, 測定數(shù)量不能太多, 一般作為非破損法的校準�；炷撂蓟窃u價混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要指標, 其碳化深度是影響用回彈法評定混凝土抗壓強度的主要因素之一�；炷撂蓟疃葴y定方法是在選定的檢測位置將混凝土鑿孔, 孔內(nèi)清掃干凈后, 在孔內(nèi)噴灑酚酞試液, 觀察表面是否變色, 紅色為未碳化, 不變色為碳化, 量測不變色混凝土部分的垂直厚度, 即為混凝土碳化深度
2.2 鋼筋檢測
鋼筋數(shù)量、位置及保護層厚度, 可采用鋼筋保護層厚度測定儀測定, 鋼筋直徑及等級則輔以局部鑿去保護層檢驗校準。鋼筋銹蝕目前主要采用現(xiàn)場測量評定法和判別法檢測�，F(xiàn)場測量評定法是直接測定鋼筋的銹蝕情況，包括破樣法、電磁法、取樣法、紅外技術法、電阻棒法和電化學法；判別法則是以已有的科研成果為基礎, 結(jié)合現(xiàn)場檢測的有關數(shù)據(jù), 判斷鋼筋的銹蝕程度、銹蝕速度、截面損失大小等情況。
2.3 混凝土結(jié)構(gòu)可靠性鑒定
結(jié)構(gòu)可靠性鑒定目前主要有三種方法，即傳統(tǒng)經(jīng)驗法、實用鑒定法和可靠度鑒定法。
傳統(tǒng)經(jīng)驗法：傳統(tǒng)經(jīng)驗法是我國一直運用的習慣方法，是由有經(jīng)驗的工程技術人員進行現(xiàn)場目視檢查, 有時輔以按設計規(guī)范進行簡單的核算, 然后憑借所掌握的知識和經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)可靠性作出客觀評價。該方法簡單易行, 費用不多, 但調(diào)查過于簡單, 缺乏一整套的檢查要求和度量標準, 評定結(jié)果在很大程度上取決于評定者的經(jīng)驗, 因此, 在較復雜的結(jié)構(gòu)可靠性鑒定中, 甚至會出現(xiàn)為避免個人承擔風險而過于保守的現(xiàn)象。
實用鑒定法：實用鑒定法克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗法的缺點，利用現(xiàn)代測試技術和電算手段獲取必要的結(jié)構(gòu)功能參數(shù)指標, 并將這些指標與規(guī)范指標進行對比分析, 根據(jù)功能指標的差異程度, 評定出結(jié)構(gòu)的可靠性等級, 是我國當前普遍采用的方法。該法的優(yōu)點是準確、合理、可靠, 通過對結(jié)構(gòu)的可靠性評定, 在結(jié)構(gòu)加固改造中充分利用原結(jié)構(gòu)的潛力, 為提高改造工程的經(jīng)濟效益提供了依據(jù)，缺點是工作量較大，適,用于大型工程。
可靠度鑒定法(近似概率法)：可靠度鑒定法是應用概率論、數(shù)理統(tǒng)計和可靠度理論, 借助計算機手段, 對結(jié)構(gòu)的實際可靠度, 直接進行統(tǒng)計、分析、判斷和評價的方法, 能較真實地反映結(jié)構(gòu)的可靠性狀況。但是結(jié)構(gòu)功能函數(shù)求取比較復雜, 每一部件在整個結(jié)構(gòu)功能中的作用和地位難于量化，技術要求較高, 在實際工作中運用存在許多困難, 適用于特別重要的大型工程。
3 小結(jié)
結(jié)構(gòu)可靠度分析方法不僅是純粹的理論問題，更重要的是將其應用于解決實際問題。將可靠度分析的理論方法變?yōu)橛嬎銠C程序?qū)崿F(xiàn)，正是理論向?qū)嶋H邁出的一步。作為基本建設的主體,工程結(jié)構(gòu)不僅關系到國計民生,還會影響到一個國家的現(xiàn)代化進程,因此,保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠承受設計的各種作用,滿足設計要求的各項使用功能,及具有不需過多維護而能保持其自身工作性能的能力是至關重要的。
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