已有結構可靠性評估問題研究

劉 艷

1 概述

在役結構可靠性理論是在20世紀70年代發達國家的建筑維修業迅速發展的背景下產生和發展的。我國在此方面的研究最早始于20世紀80年代。我國的建筑結構可靠性鑒定的研究是從處理建筑物事故開始的，1990年，中國工程建設標準化協會成立了“全國建筑物鑒定與加固技術委員會”，現在國家科委已經把“建筑物鑒定和維修加固”列為國家重大科研項目。美國、歐洲、日本及澳大利亞等國家和地區已經成立了相當多的在役建筑結構可靠性鑒定公司。我國在這方面與國外有相當的差距，但是近年我國內地也有相當的結構可靠性鑒定和加工方面的專業公司相繼成立，這使得我國在現役建筑結構可靠性鑒定和加固方面慢慢縮小與國外尤其是發達國家的差距。

2 建筑物可靠性鑒定的程序及方法

在役建筑結構的可靠性鑒定一般遵循如圖1所示的框圖程序。

2.1 傳統經驗法

由有經驗的專家通過現場觀察和簡單的計算分析，以原設計規范為依據，根據個人專業知識和工程經驗直接對建筑物的可靠性做出評價。該法鑒定程序簡單，但由于受檢測技術和計算工具的制約，鑒定人員難以獲得較準確和完備的數據和資料，也難以對結構的性能和狀態做出全面的分析，因此評判過程缺乏系統性，對建筑物可靠性水平的判斷帶有較大的主觀性，鑒定結論往往因人而異，而工程處理方案多數偏于保守，造成浪費。

2.2 實用鑒定法

該方法應用各種檢測手段對建筑物及其環境進行周密的調查、檢查和測試，應用計算機技術及其他相關技術和方法分析建筑物的性能和狀態，全面分析建筑物存在問題的原因，以現行標準規范為基準，按照統一的鑒定程序和標準，從安全性、適用性多方面綜合評定建筑物的可靠性水平。與傳統經驗法相比，該法鑒定程序科學，對建筑物性能和狀態的認識較準確和全面，具有合理、統一的評定標準，而且鑒定工作主要由專門的技術機構承擔。

2.3 可靠性鑒定法

實用性鑒定法雖然較傳統法有較大的突破，評價的結論比傳統經驗法更接近實際，但是由于在現役建筑結構的效應 S、結構抗力R等影響建筑物的諸因素實際上都是隨機變量甚至隨機過程，采用現有規程進行應力計算、結構分析均屬于定值法的范圍，用定值法的定值來估計在役建筑結構的隨機過程，采用現有規程進行應力計算、結構分析均屬于定值法的范圍，用定值法的定值來估計在役建筑結構的隨機變量的不確定性的影響，顯然不合理。

3 在役建筑結構可靠性理論

3.1 在役建筑結構可靠性理論的發展研究

在役建筑結構可靠性鑒定是在建筑物建成并投入使用后，根據對結構上的作用、結構抗力及其相互關系的實際調查，評估其實際的結構可靠性，使結構持續正常地滿足各項預定功能。在役建筑結構可靠性評估即研究建筑結構使用期的結構可靠性。

3.2 結構可靠性理論

結構可靠度的研究始于20世紀30年代，當時主要是圍繞飛機失效進行研究。結構動力可靠度的研究以20世紀40年代美國S.O.Rice首次建立在給定時間內交差次數期望的數學表達式為標志。

結構可靠性是指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的特性。結構可靠性的測度是結構可靠度。結構可靠度是指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。運用概率理論處理結構靜力作用時的可靠度可劃分為三個水準:水準一:分別在荷載效應S和結構抗力R的基礎上考慮概率原則，主要根據經驗確定安全系數。這種方法稱為半概率法。水準二:將極限狀態函數中有關荷載效應 S和結構抗力R的基本變量視為隨機變量，考慮兩者的聯合分布，以此建立與結構失效概率有內在聯系的安全指標作為衡量結構安全度的尺度。水準三:對各隨機變量分別采用隨機變量或隨機過程的概率模型來描述，對整個結構體系進行精確概率分析，使其具有最大的可靠度。這種方法稱為全概率法。

3.3 在役建筑結構可靠性理論

在役建筑結構可靠性是指在役建筑結構在正常使用條件下和預定的使用期限內滿足建筑結構規定的功能要求。在役建筑結構可靠性的評價是由在役建筑結構的可靠度來衡量的。在役建筑結構的可靠度是指在役建筑結構在正常使用條件下和預定的使用期限內完成的規定概率。一個建筑物從施工建造到投入使用，再到使用若干年后，性能逐漸退化，進入年期，經歷了一個類似人的生命歷程，那就是幼年期、中年期和老年期。在施工建造期(幼年期)，失效的風險率大;到使用期(中年期或壯年期)，失效風險率降低;到老化期(老年期)，失效風險率又逐漸提高，如果經過維修加固等措施，失效風險率又會有所下降。結構失效概率與時間過程的關系見圖2，因其形似浴盆，稱之為“浴盆曲線”。

對在役建筑結構進行可靠性評估，就是根據結構當前的狀況，如混凝土強度、鋼筋銹蝕情況，來推斷結構的剩余承載力或剩余使用壽命，以決定結構能否繼續使用或是否需要維護、加固。在役建筑結構可靠性評估研究的主要內容是如何將整體結構劃分為不同層次的子結構，以及如何將從最低層次的子結構獲得的信息，合理、準確地反映到最高層次的整體結構，以供決策使用。

上面論述的是在役建筑結構可靠性評估的常規方法，在應用常規的評估方法評估時存在困難或分析結果不可信時，可進行結構荷載檢驗。美國早在20世紀初就在這方面做過一些研究，1967年美國混凝土學會AC1437分委員會在其“已有結構的強度評估”報告中，包括了結構荷載檢驗的內容，之后，美國混凝土學會把荷載檢驗的內容納入1971年以后的美國混凝土規范。在進行了長達8年的研究之后，美國實驗與材料協會(ASTM)1975年發表了“建筑結構荷載檢驗指南”。英國在20世紀70年代末也對結構荷載檢驗問題做過廣泛的討論。

4 在役建筑結構可靠性評估準則

1)在役建筑結構的抗力問題。在役建筑結構的結構抗力效應比擬建建筑結構有所下降，這是其抗力效應與擬建建筑結構的最大區別。結構的抗力隨時間的變化是一個不可逆過程，在有些情況下結構抗力會隨時間而增長。但大多數情況下，由于外界環境的作用，結構抗力在降低。

2)在役建筑結構的荷載問題。對于在役建筑結構而言，荷載的概率模型應根據已有信息的變化而轉換成更適應實際的形式。一些原先設計時按隨機變量考慮的永久荷載可按確定性的永久荷載來考慮;而一些原設計時不按永久荷載來考慮的荷載可按永久荷載，甚至是確定性的永久荷載來考慮。如設備、儀器、管道的自重，設計時缺乏它們的具體信息及未來多長時間里更換、改造等，一般在設計時按可變荷載考慮;而對于在役建筑物而言，如果已知荷載信息及根據當前信息可對未來情況加以預測和控制，則可在未來不長的目標期(T′)內直接按確定性的永久荷載處理。

5 結語

從研究建筑業的發展入手，突出了進行在役建筑結構可靠性評估技術研究的必要性。簡明扼要地介紹了進行在役建筑結構可靠性評估的發展和意義及在役建筑結構加固的目的、要求與方法。

[1] GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標準[S].

[2] GB 50068-2001，建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[3] 張愛林.基于功能可靠度的結構全壽命設計理論研究綜述[J].北京工業大學學報，2000(9):20-22.

[4] 張愛林，趙國藩，王光遠.現役結構可靠性評定研究述評[J].北京工業大學學報，1998(6):80-82.

[5] 王曉鳴，李桂青.既有住宅的可靠性分析與評價[J].武漢工業大學學報，1999(6):10-13.

[6] 歐進萍，侯鋼領.建筑結構設計可靠度的影響因素與比較研究[J].建筑科學，1999(5):7-9.