建筑結構的可靠性問題及既有結構的可靠性分析

吳 佳

（銀川市規劃建筑設計研究院有限公司 寧夏 銀川 750004）

0 引言

1 結構可靠性

1.1 結構可靠性的要素

工程結構的可靠性是在一定時間區域的前提下而言的，即對結構使用時間的要求。對于擬建結構，時間區域即為設計使用年限，指設計結構或結構構件不需進行大修即可按預期日使用的年數。對于既有結構，其所考慮的時間區域為評估使用年限，指可靠性評定所預估的既有結構在規定條件下的使用年限。

1.2 條件要素

工程結構可靠性與人們對于結構性能、作用、作用效應、環境影響等的認識，及人們在設計、施工、使用、維護等過程中的行為有關。這些認識水平和行為方面的限定是結構可靠性分析的前提和條件。對于擬建結構，我國標準設定結構能夠得到合理的設計、施工及正常的使用維護，對于設計失誤、施工缺陷、使用不當、維護不周等問題均不在考慮范圍之內，而既有結構的可靠性評定對于這些問題可能產生的不利影響均應予以考慮。

1.3 功能要素

完成預定功能的能力是結構可靠性的核心。無論是擬建結構還是既有結構，都要滿足一定的功能要求，一般要求結構在規定的目標使用年限內滿足安全性、適用性和耐久性三個方面的要求：

1.3.1 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現的各種作用（安全性）；

1.3.2 在正常使用時具有良好的工作性能（適用性）；

1.3.3 在正常維護下具有足夠的耐久性能（耐久性）；

1.3.4 在設計規定的偶然事件發生時及發生后，仍能保持必需的整體穩定性（安全性）。

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2 結構的極限狀態

結構是否滿足要求、能否完成預定的功能，是以極限狀態為基準進行衡量的。如果結構或結構的一部分超過某一特定狀態便不再滿足設計規定的某一項功能要求， 則此特定狀態稱為該功能的極限狀態。結構或構件的極限狀態是將其從可靠與不可靠狀態區分的界限狀態。

工程結構的極限狀態劃分為兩類：承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態為結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載變形時的狀態；正常使用極限狀態為結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的規定限制值時的狀態。工程結構的可靠性分析應同時考慮承載能力極限狀態與正常使用極限狀態。

3 結構可靠性的概率指標

結構在規定的時間內、規定的條件下完成預定功能的概率稱為結構的可靠度，結構可靠度是可靠性的度量指標，是對可靠性的一種定量的描述。

若以隨機向量X=（X1，X2，X3，……，Xn）表示結構上的各種作用、環境影響、幾何尺寸、結構的材料等影響結構或結構構件狀態的基本變量，以功能函數G（·）的形式定義結構工作狀態：

以S 表示結構作用效應，如內力、變形等，以C 表示對變形等作用效應的限值，以R 表示結構抗力，則結構的極限狀態可以綜合變量的形式表示為Z =R－S 和Z =C－S。

4 既有結構可靠性的分析

4.1 既有結構可靠性分析的特點

4.1.1 可靠性要素的變化

對于既有結構可靠性評定所考慮的時間區域，即結構的評估使用年限， 指可靠性評定所預估的既有結構在規定條件下的使用年限，是從當前算起的未來的一段時間，為人們對結構剩余使用時間的要求。

對于既有結構，設計工作、施工過程均已完成，并經歷了一定時間的使用，而設計失誤、施工缺陷、使用不當等問題均已成事實，所以對于設計失誤，施工缺陷，使用不當、維護不周等可能產生的不利影響均應予以考慮。另外，為提高結構的可靠性，延長結構加固、更新的周期，可能對既有結構的使用和維護提出特殊的要求，其要求也屬于既有結構可靠性分析、評定的前提和條件。

對于既有結構， 其應完成的預定功能原則上應與擬建結構的一致，但有時會因使用目的和環境的變化，可能會對這些預定功能提出新的要求， 如正常使用極限狀態因使用環境的惡化而發生的改變、承載能力極限狀態因地震烈度區劃的變更而變化等。

4.1.2 基本變量取值的變化

既有結構的荷載及環境與擬建結構相比更為具體，其統計特性并不完全遵循擬建結構的統計特性， 而應以自身實際存在的信息為基礎，利用已有信息的統計分析來估計荷載在結構評估使用年限內的統計特性。 既有結構的材料性能應按照結構實際情況考慮，借助現代檢測手段進行實測，并采用統計方法確定其值。 對于既有結構的計算模型，也應根據既有結構的實際狀態來建立。

4.1.3 可靠性控制級別

擬建結構的設計中可靠性控制是以滿足現行規范為準則，其設計結果只有兩種：滿足或不滿足。 而既有結構的可靠性分析評定結果一般以等級指標給出，如A、B、C、D 級，這是因為既有結構的可靠性分析與評定過程中須考慮規范的變更、既有結構的使用效果、對評估使用年限的要求以及經濟原因等，因此對其進行分析評定的結果不能僅以滿足或不滿足來衡量， 而應根據其可靠度水平給予不同的可靠性等級。

4.2 既有結構可靠性分析的原則

4.2.1 明確可靠性的含義

由于既有結構與擬建結構的不同，在分析時應明確其可靠性的含義，統一要求。 對于作用的預測、抗力的變化及其影響和可靠度的計算等， 應采用同樣的時間區段、同樣的失效準則。 一般情況下，不應直接利用擬建結構在設計基準期內的荷載或抗力的統計特性來分析既有結構評估使用年限內的可靠性，否則會使既有結構可靠性的含義模糊不清。

4.2.2 充分利用已有信息

既有結構是一個客觀存在的實體，其材料強度和構件截面尺寸是可測的，在當前時刻原則上已不是隨機變量，并且已經歷了驗證荷載，為可靠性的評估計算積累了一定的信息。 因此，既有結構的可靠性分析應結合現代的檢測手段，測定研究對象的已有信息，并進行合理的處理、檢驗及利用，以反映結構當前的狀態和推斷評估使用年限內的特性。

4.2.3 與既有結構的加固維修決策相結合

既有結構的可靠性分析評定是結構加固、維修的依據，因此既有結構的可靠性分析應與結構的加固維修經濟性結合。在一定的技術水平下，用于加固、維修的費用越高，結構在評估使用年限內的可靠性越高；用于加固維修的費用越低，則結構在評估使用年限內的可靠性越低。

5 結束語

總之，既有結構可靠性分析與擬建結構存在一定的差異，其所考慮的時間區域具有更大的靈活性，一般比設計使用年限短，其可靠性分析的前提和條件以及結構預定的功能均可能與擬建結構存在差異。對于結構基本變量的取值也更為具體，結構的可靠性則以可靠性等級的形式進行評定。

［1］陳肇元.土建結構工程的安全性與耐久性[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

［2］張俊芝.服役工程結構可靠性理論及其應用[M].北京:中國水利水電出版社,2007.