大型高層建筑結構構件可靠度綜合評估模型構建

何卓應

(廣東誠實建設工程設計有限公司,廣東 梅州 514000)

0 引 言

大型高層建筑結構由于其復雜性和特殊性,面臨著多種潛在的風險和挑戰。質量問題、自然災害、設計和施工缺陷等都可能導致結構的失效或損壞。對于大型高層建筑而言,其穩定性在很大程度上取決于建筑結構構件的可靠性。[1]在對該指標進行評估時,考慮到不同建筑結構自身構成的特殊性[2],要實現對其的綜合評價首先需要對構件的屬性以及結構特點進行分析[3],在此基礎上,結合構件的目標應用環境,對其可靠性作出全面分析。[4]通過構件可靠度的綜合評估,可以準確識別結構中的薄弱環節和潛在風險,從而采取相應的措施來提高結構的可靠性和安全性。因此,對于大型高層建筑結構的可靠性綜合評估成了一個重要的研究方向。

許多研究人員對該方面進行研究,如:文獻[5]以FRP筋混凝土為研究對象,分析了受彎構件在裂縫控制作用下的可靠度,分析結果具有一定的準確性,但是其在具體的應用過程中對基礎結構構成的要求較高,因此應用范圍相對有限。文獻[6]以內置型鋼鋼管混凝土軸壓構件為研究對象,在對其進行設計的基礎上,對相應可靠度分析方法進行研究,大大提高了分析結果的準確性,但是同樣地,其在應用階段的局限性相對較強。文獻[7]將貝葉斯更新融入在役鋼筋混凝土橋梁構件可靠度的分析研究綜合,并通過與逆高斯過程進行有機結合,實現了隨著時間的推進,對構件可靠度的動態預測,并且預測結果具有較高的準確性,但是值得關注的是,由于在運行過程中構件受到的外力作用并非恒定不變,因此該方法對突變情況下的可靠性分析結果存在優化空間。通過對上述關于建筑構件可靠性分析方法的研究可以看出,加深對該問題的研究仍然對于現實施工具有重要的指導價值。

在上述研究的基礎上,本文以大型高層建筑結構構件為研究對象,構建了以可靠度綜合評估為目標的模型,并通過試驗測試的方式分析驗證了設計模型在實際應用中的價值。借助本文構建的模型,希望可以為實際的工程建設提供有價值的參考,最大限度保障建筑結構的穩定性和安全性。

1 建筑結構構件可靠度綜合評估模型設計

1.1 建筑結構構件可靠度評價指標構建

要確保構建的大型高層建筑結構構件可靠度綜合評估模型能夠真實準確地反饋構件的實際情況[8],首先需要對構件具體的可靠度評級指標進行合理設計。一般情況下,建筑結構構件的可靠性是不能夠直接應用的。作為一個相對定性化的指標參量,需要借助可靠度這一指標實現對其的度量[9,10]。在此基礎上,本文將構件在規定時間和條件下完成設計功能的概率作為結構可靠度的評價指標。那么對應地,結構在規定時間和條件下,不能完成設計功能的概率即為結構的失效概率。根據可靠度分析理論可知,建筑結構構件的狀態可以表示為“可靠-失效”的二級化模式,可靠度代表了構件在給定使用條件下,不發生失效的能力。而失效概率則是衡量構件在給定時間內發生失效的可能性。可靠度和失效概率是互為補充的概念,失效概率是可靠度的補數。構件的安全狀態和失效狀態是以獨立對立的形式存在的,這種互不相容的關系使得構件的可靠度和失效概率之間的存在以下關系:

Kw+Pl=1

(1)

式中:Kw為構件能夠在規定時間和條件下完成設計功能的概率值,Pl為構件無法在規定時間和條件下完成設計功能的概率值。以此為基礎,構件整體的可靠度就可以用上述兩個參數進行表述。但是需要注意的是,雖然從整體上分析影響建筑結構構件可靠度的因素僅分為上述兩個指標,但是在實際的施工過程中,上述兩個因素是以相對宏觀的形式表現的。這就意味著Kw和Pl均是由相關施工條件、構件加工條件以及構件應用條件等因素共同作用形成的。針對該問題,為了進一步提高建筑結構構件可靠度評價指標的應用價值,需要對其進行進一步細化。

為此,本文假設影響建筑結構構件可靠度的因素為隨機變量,以構件為目標對象的環境中,各影響因素的聯合概率密度函數可以表示為:

f(X)=f(x1,x2,…,xn)

(2)

式中:f(X)為建筑結構構件各影響因素的聯合概率密度函數,xn表示任意影響建筑結構構件可靠度的因素,通過式(2)可以看出,存在X={x1,x2,…,xn},那么對應地,建筑結構構件的可靠度評價指標可以表示為:

∑Kw(xn)+∑Pl(xn)=n

(3)

式中:n為參與建筑結構構件的可靠度評估的影響因素總量。

按照這樣的方式,即可實現對建筑結構構件可靠度評價指標的構建,為后續評估模型的設計提供基礎。

1.2 建筑結構構件可靠度評估模型構建

在確定具體的評價指標后,本文在建筑結構構件可靠度評估模型構建階段的主要任務就是明確Kw和Pl對構件可靠度影響權重的大小。需要注意的是,不同建筑構件無論是在基礎材料組成上,還是具體的應用設計上都存在對應的差異性,也正是因為這種差異性,直接以定量化的參數對其可靠度影響權重進行計算難以計算得到準確的可靠度結果。為此,本文采用二階彈性分析設計法實現對其可靠度評價指標權重的計算。

對建筑結構構件可靠性進行計算的最終目標是提高分析結果的準確性,本文通過在各層柱頂附加假想水平荷載的方式得到各個影響因素在二階彈性分析設計法下的影響程度。在此基礎上,再綜合考慮構件結構中存在的整體幾何缺陷對可靠度的作用強度。不僅如此,為了避免由于構件長度差異對驗算結果的影響,本文以1.0作為統一長度系數。這樣也可以在一定程度上簡化對構件可靠性評價因素權重計算的復雜性。具體的二階彈性分析設計法計算結果可以表示為:

(4)

(5)

式中:WKw為Kw在建筑結構構件可靠度評估中的權重系數,WPl為Pl在建筑結構構件可靠度評估中的權重系數,L為構件長度。根據上述的設置,式(4)和式(5)中的L均取1.0。E表示施加在建筑結構構件各層的水平荷載強度,考慮到構件失效是一個逐漸發展的過程中,當作用與構件的荷載強度小于臨界荷載力時,構件是以相對穩態的形式存在的,對應的形變量以及內力的變化都是均勻發展的。當作用與構件的荷載強度大于臨界荷載力時,構件是以非穩態的形式存在的,對應的形變量以及內力的變化也將呈現出躍進式的發展特點。為此,本文在對E值進行設置時,將其初始變異系數設置為0.2,得到初始臨界荷載力閾值范圍后,設置E的變異系數為0.1。通過這樣的方式,確保最終計算得到的構件可靠性評價因素權重系數無限接近實際值。

按照上述方式計算得到的權重系數,本文構建的建筑結構構件可靠度評估可以表示為:

K=∑WKwKw(xn)-WPl∑Pl(xn)

(6)

式中:K為構件的可靠度評估模型。按照式(6)所示的方式,根據構件的實際應用需求,將對應的影響因素指標輸入到模型中,模型輸出的結果即為構件對應的可靠度評估結果。

通過這樣的方式,實現對構件可靠度的準確計算。

2 實例分析

本文在上述理論設計的基礎上,以實際施工案例為基礎進行了實例分析,考慮到直接對構件的可靠度進行測量難度較大。因此,本文采用現階段工程驗收中應用的蒙特卡羅法計算得到的結果作為基準。在此基礎上,分別采用文獻[5]和文獻[6]提出的方法作為對照組,通過比較不同方法計算結果與蒙特卡羅法計算對應結果之間的誤差,分析本文設計綜合評估模型的應用價值。

2.1 建筑結構構架基礎參數

本文進行測試的建筑結構構件為平面桁架多構件體系,彈塑性平面桁架的具體施工設計如圖1所示。

圖1 平面桁架結構示意圖

從圖1中可以看出,進行測試的彈塑性平面桁架構件由10個基礎構件組成,結構整體形態規則,并且平行構件之間設置了加固結構確保其穩定性。按照圖1所示,對構件各組成部分的具體性能參數進行分析,其中,各桿件截面屈服強度一致,均為200.0 MPa,單元截面面積均為0.5 m×0.5 m,構件受到的水平荷載力均值為12 500 kN,變異系數為0.35。構件水平和垂直組成部分之間的跨度均為 4 000.0 mm,結構對應的彈性模量為2.0×105N/mm2,撓度不確定性系數為1.07,對應的變異系數為0.02。對構件的施工設計情況進行分析,對應的混凝土強度等級和施工厚度分別為 C30和25.0 mm。

2.2 實驗指標

按照上述所示的方式,計算構件的可靠度。可靠度結果誤差是評估方法和模型的精確度和準確性的一種度量。較小的誤差表示評估方法和模型的可靠度較高,結果更接近真實情況。可靠度結果誤差的計算表達式為:

(7)

式中:Error為計算結果的誤差,KMC為蒙特卡羅法計算得到的構件可靠度標準解。

2.3 計算結果與分析

在上述測試的基礎上,本文統計了不同方法對構件可靠度計算結果,并按照式(7)所示的方式對各個方法對應結果與標準解之間的誤差進行計算,得到的數據信息見表1。

表1 不同方法建筑結構構件可靠度計算結果統計表

通過觀察表1中的數據可以看出,對比不同方法對施工構件可靠度的分析結果可以看出,其中,文獻[5]方法計算結果與標準解之間的誤差表現出了較為明顯的不穩定性,其中,最小值僅為0.55%,但是最大值達到了4.31%。文獻[6]方法的計算結果與標準解之間的擬合度有所提升,其中,最小誤差僅為0.10%,但是最大誤差也達到了4.07%,雖然與文獻[5]方法相比雖然表現出了一定的優勢,但是其仍存在一定的提升空間。相比之下,本文設計模型對測試建筑施工構件可靠度的計算結果與標準解之間的誤差始終穩定在2.50%以內,最大值僅為2.20%,最小值僅為0.10%。測試結果表明,本文設計的大型高層建筑結構構件可靠度綜合評估模型可以實現對構件應用狀態的準確分析,能夠為實際的建筑施工提供可靠的數據支撐。

為進一步驗證設計方法的實效性,進行建筑結構構件可靠度評估時間測試,測試結果見表2。

表2 測試結果

根據表2可以看出,本文方法的建筑結構構件可靠度評估時間最高為11 ms;而對比方法的建筑結構構件可靠度評估時間明顯高于本文方法,文獻[5]方法的建筑結構構件可靠度評估時間最高達到了39 ms,文獻[6]方法的建筑結構構件可靠度評估時間最高達到了42 ms。由此可見,本文方法的評估效率較高,具有實用性。

3 結束語

為了最大限度地降低由構件可靠度無法滿足建筑需求導致的安全問題,對構件的可靠度進行準確評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成,同時也與其實際應用環境的應力需求之間相關,因此,綜合考慮構件的各指標參數與應力能力是保障可靠度計算結果準確性的關鍵。本文設計了一種大型高層建筑結構構件可靠度綜合評估模型,實例結果表明,設計模型對構件可靠度的評估結果與標準解之間的誤差最大值為2.20%,最小值僅為0.10%,可靠度評估時間最高為11 ms,說明設計模型實現了對建筑結構構件可靠度準確高效的計算。通過本文的研究,希望可以為相關建筑施工提供有價值的幫助,保障建筑施工的穩定性和安全性。