土木工程結構可靠性理論分析論文

　　摘要：:工程結構一般需要保持長(cháng)時(shí)間的安全與穩定，即保證建筑結構的耐久性、可靠性、安全性。建筑結構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(gè)工程結構的可靠性關(guān)系重大，不僅僅關(guān)系到工程進(jìn)度，而且結構的可靠性很大程度關(guān)系著(zhù)經(jīng)濟與社會(huì )效益。

　　關(guān)鍵詞：:土木工程;結構;可靠性;理論;分析;影響因素

　　前言

　　結構可靠性不僅關(guān)系到生命財產(chǎn)安全，而且關(guān)系到社會(huì )生產(chǎn)的可持續性發(fā)展。我國在研究工程結構可靠性上，開(kāi)展了很多的理論性的整理分析、資料的收集等工作，并且對結構工程實(shí)踐做了總結，借鑒了國際標準ISO2394:1998《結構可靠性總原則》，提出了施工系統的可靠性理論。

　　1結構可靠性基本理論

　　工程結構主要是由相關(guān)材料構成的各種構筑物和建筑物。建筑結構的耐久性是指:結構在正常使用、無(wú)故意破壞情況下，維護的情況下，具有耐久的性能。建筑結構的安全性跟我們通常所認為的安全的概念不同，我們所認為的安全是不造成人身安全和財產(chǎn)的損失，而建筑結構的安全性是在正常施工條件下，正常使用條件下，結構需要具有承受可能會(huì )出現的各種外界對結構的作用，在所預計的事故發(fā)生之前或事故發(fā)生之后，建筑結構依舊可以保持計劃的整體穩定的性能。我國對建筑工程結構的安全等級大致分為三類(lèi):①安全等級第三級:次要房屋，比如車(chē)棚、臨時(shí)倉庫等，破壞后果不嚴重;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(lèi)的建筑，破環(huán)后果很?chē)乐�。同一結構中各類(lèi)構件的安全等級與整體結構的安全等級相同最好�？煽啃栽O計基本理論包括設計使用年限與設計的基準期。設計使用年限就是說(shuō)結構在保持設計、施工、使用都正常的情況下應該達到的使用年限。我國工程結構規定中，建筑結構設計基準期是50年，橋梁結構設計基準期是100年，瀝青混凝土路面的設計基準期不能大于15年，水泥混凝土路面結構設計基準期不能大于30年。結構可靠度與結構設計使用年限之間有一定的聯(lián)系，結構的可靠度三要素，即規定的時(shí)間、條件、預定功能。規定的時(shí)間就是建筑結構應該達到的設計使用時(shí)間;規定的條件就是不考慮人為造成的過(guò)失或者錯誤對結構造成的影響，也不考慮結構任意改建等原因造成的不良影響，結構的正常施工、使用、維護;預定的結構功能就是結構設計應滿(mǎn)足結構各項使用功能。另外，結構的可靠度還與失效率有關(guān)，失效概率越小，結構的可靠性則越好，相反的，失效概率越大，結構的可靠性越差。當建筑結構實(shí)際使用年限超過(guò)預期的結構設計使用年限時(shí)，并不是說(shuō)結構會(huì )立即失去使用性能立即報廢不能使用。各類(lèi)建筑結構設計使用年限大致分為了四類(lèi):第一類(lèi)是臨時(shí)性的建筑結構，它的結構設計使用年限是5年;第二類(lèi)是易于替換的建筑結構構件，它的結構設計使用年限是25年;第三類(lèi)是構筑物和普通的房屋，它的結構設計使用年限是50年;第四類(lèi)是特別重要的建筑結構和具有紀念性的建筑物，它的結構設計使用年限相對較長(cháng)，是100年。建筑結構的設計使用年限不等于結構的設計基準期。當建筑結構出現以下任何一種情況，則認為超過(guò)了承載力極限狀態(tài):①結構或者構件失去穩定性;②整個(gè)結構或者構件發(fā)生傾覆、側滑失去平衡;③結構構件或連接因超過(guò)材料強度而發(fā)生疲勞破壞，或者因為變形而不能繼續作為承載的構件;④地基失去承載能力而發(fā)生失穩�？梢砸钥煽啃岳碚摓榛�礎，把影響建筑結構可靠性的幾乎所有參數都作為隨機變量，運用概率論和數據統計分析全部參數或者部分參數，計算結構的可靠指標或者失效概率，以此來(lái)設計或者校核結構。

　　2可靠度設計方法

　　假設將影響結構功能的因素歸結為結構抗力和荷載效應，則可以采用以下結構設計式:設計中取荷載效應和結構抗力的值與一個(gè)常數的乘積，小于或者等于結構抗力的均值。如果采用單一系數表達式，它的安全系數與抗力和荷載效應的變異系數以及設計要求的可靠度指標與安全指標β有關(guān)系。由于設計時(shí)設計條件不統一，所以，安全系數與抗力和荷載效應的變異系數也會(huì )在一個(gè)較大的范圍內發(fā)生變化，為了使設計與規定的目標可靠度指標相一致，安全系數也會(huì )隨設計條件的變動(dòng)而發(fā)生相應的變動(dòng)，如此一來(lái)，給實(shí)際的工程設計帶來(lái)很大不便。當采用中心點(diǎn)法計算的時(shí)候，雖然計算簡(jiǎn)便，但是也存在一些缺點(diǎn)，比如說(shuō)，同一個(gè)問(wèn)題采用不同形式的功能函數即不同數學(xué)表達式的極限狀態(tài)方程，可靠指數計算值就可能會(huì )有所不同，或者相差較大，或者基本變量的分布不是對數正態(tài)分布或正態(tài)分布，會(huì )使結構可靠度的計算結果與實(shí)際結果有很大的出入，不能采用。對于非線(xiàn)性的功能函數，在平均值處展開(kāi)不太合理，而且展開(kāi)時(shí)只保留了線(xiàn)性項，所以可能存在較大的線(xiàn)性計算錯誤。所以對于非線(xiàn)性功能的函數，線(xiàn)性化近似不是選在中心點(diǎn)均值處，而是選在失效的邊界上，即已經(jīng)通過(guò)極限狀態(tài)方程上的某一個(gè)點(diǎn)的切平面作線(xiàn)性近似，可以提高可靠度的計算精度。結構可靠度設計還有一個(gè)表達式，就是采用分項系數設計表達式。采用分項系數設計表達式的優(yōu)點(diǎn)在于:它可以對影響結構可靠度的各種因素分別進(jìn)行研究，不同的荷載效應可以根據荷載的變異性質(zhì)，采用不同的荷載分項系數、結構抗力分項系數，可以根據結構的工作性能不同而采用不同的數值。實(shí)際中結構荷載的效應，通常是兩個(gè)或兩個(gè)以上荷載效應組合，而且荷載效應不一定為對數正態(tài)分布或者正態(tài)分布。另外結構的極限狀態(tài)方程也很有可能是非線(xiàn)性形式，當進(jìn)行結構設計時(shí)，一般可以認為結構的抗力符合對數正態(tài)分布，它的變異系數即二階統計參數是一定的，可以預先確定，建筑結構設計主要是求取結構抗力的平均值參數。自從我國從建設規范的結構設計體系過(guò)程中，將具有可靠性的結構理論融入了進(jìn)來(lái)之后，我國學(xué)者先后展開(kāi)了有關(guān)于結構可靠性方面的深入研究，并取得了極大的進(jìn)展，促進(jìn)了我國結構工程的進(jìn)一步發(fā)展�，F在的結構可靠指標僅僅在結構極限狀態(tài)方程非線(xiàn)性程度不高的時(shí)候適用，它是對于線(xiàn)性或線(xiàn)形化極限狀態(tài)方程。在實(shí)際工程應用中，除活荷載外，結構的恒荷載和結構的相互作用力是相關(guān)的，這時(shí)需要根據變量之間的關(guān)系來(lái)分析結構的可靠度，所以說(shuō)結構可靠度分析的方法只是局限于結構隨機變量之間的關(guān)系、不相互作用的前提下。

　　3結構功能函數的基本變量

　　功能函數為多個(gè)隨機變量組成的非線(xiàn)性函數，或者不為對數正態(tài)分布或者正態(tài)分布時(shí)，可靠指標很難直接用包含基本直接變量統計參數的公式來(lái)計算。四階矩方法的結構可靠度分析是根據信息論中的最大熵原理，同時(shí)也考慮了結構極限狀態(tài)方程的非線(xiàn)性化的影響，提出的可靠度的不交化最小路集的復雜網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現的新方法。根據不交化原理進(jìn)行進(jìn)一步計算，根據可靠性原理的復雜網(wǎng)絡(luò )的系統，可以建立施工系統可靠性的算法模式。為了進(jìn)一步有效地計算復雜施工網(wǎng)絡(luò )系統的可靠度，可通過(guò)編制計算機程序，運用鄰接矩陣法求解復雜網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)一步實(shí)現，可以解決復雜極限狀態(tài)方程不易求導的問(wèn)題。土木工程建筑結構的耐久性和安全性的問(wèn)題，直接關(guān)系到人身、財產(chǎn)的安全，一直是設計者與使用者非常關(guān)注的問(wèn)題，并與國家現行建筑政策、法律法規以及未來(lái)的經(jīng)濟發(fā)展有著(zhù)密不可分的關(guān)系，是一個(gè)較為復雜的系統工程的問(wèn)題。我國在可靠性基本理論方面的研究工作主要包括:①結構體系可靠性問(wèn)題;②關(guān)于建筑結構疲勞的可靠性的問(wèn)題;③關(guān)于建筑結構動(dòng)力的可靠性的問(wèn)題;④關(guān)于巖土工程方面的可靠性的問(wèn)題;⑤關(guān)于已有的工程結構的可靠性的鑒定問(wèn)題。

　　4項目可靠性的鑒定與分析

　　在結構構件可靠度研究分析基礎上，必須進(jìn)一步地去研究建筑結構構件體系的可靠性及建筑結構構件體系的失效概率。結構構件包括脆性結構構件和延性結構構件，脆性構件，比如鋼筋混凝土受壓柱，一旦失效就立即完全失去承載力，延性構件受拉構件或者受彎構件達到屈服的承載能力，依舊可以保持承載力繼續變形，也就是說(shuō)，失效以后依舊可以保持原有的功能和承載能力。建筑工程系統的可靠性需要從工程建設的思想觀(guān)念以及建筑工程建設的實(shí)際情況等方面進(jìn)行考慮。建筑工程項目的可靠性主要指建筑工程能夠在規定的條件下，對工程施工的可靠性進(jìn)行設計、管理以及維修等方面進(jìn)行分析設計。施工過(guò)程系統的概念主要來(lái)源于工程施工的生產(chǎn)過(guò)程。在經(jīng)濟規模不斷擴大的過(guò)程中，工程建設的科學(xué)性設計及其管理的可靠性容易出現各種問(wèn)題。結構工程質(zhì)量的可靠性可以通過(guò)質(zhì)量評定來(lái)進(jìn)行分析。相關(guān)的文件表明，要把從前的質(zhì)量評定標準和質(zhì)量檢驗標準分開(kāi)進(jìn)行檢驗，質(zhì)量預驗收項目的標準和程序分開(kāi)進(jìn)行，可以在工程項目建設的過(guò)程中將各個(gè)項目進(jìn)展安排得更合理，促進(jìn)項目建設的可靠性。結構的破壞性質(zhì)是按照延性破壞和脆性破壞來(lái)確定的可靠指標，脆性指標大于延性指標。建筑結構功能可靠度函數具有的特點(diǎn)，為多個(gè)隨機變量組成的非線(xiàn)性函數，分析結構可靠度時(shí)需要進(jìn)行近似簡(jiǎn)化，即采用近似概率法，且變量并不是都符合正態(tài)分布和對數正態(tài)分布。從整個(gè)工程建設的過(guò)程來(lái)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進(jìn)行驗收。質(zhì)量控制和質(zhì)量驗收在相應的基礎上進(jìn)行。施工單位根據優(yōu)化項目工程的要求，對相關(guān)的可靠性進(jìn)行分析，選擇合適的施工項目建設標準�？紤]抗力隨時(shí)間變化的結構可靠度分析。結構在進(jìn)入老化期后，抗力隨時(shí)間不斷衰減。這屬于時(shí)變可靠度的范疇，但所考慮的結構抗力衰減不是由環(huán)境腐蝕引起的，而是所經(jīng)歷的荷載作用累積損傷的結果，而且其分析方法與結構疲勞可靠度又有所不同，所以，可靠度分析結果往往不盡合理。

　　5影響結構可靠性的因素

　　5.1材料強度強度是結構材料的一項重要技術(shù)性能，指材料在受力時(shí)，單位面積抵抗外力破壞的能力�？煽啃允窃谝幎ǖ臅r(shí)間條件下滿(mǎn)足耐久性、安全性、穩定性的要求。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力和集料的表面狀況有關(guān))、養護條件、齡期(混凝土拌合成型后所經(jīng)過(guò)的養護時(shí)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(huì )影響混凝土的強度發(fā)展。5.2材料耐久性建筑結構中最常用的混凝土，除了要具有結構設計所要求的強度外，還要具有與工程所處環(huán)境條件相適應的特殊性能。處于嚴寒環(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抗滲性抗滲性是指混凝土抵抗壓力水滲透的性能，它主要與密實(shí)度以及內部孔隙的大小和構造有關(guān)�；炷�土內部相互連通的孔以及成型時(shí)由于振搗不實(shí)而產(chǎn)生的孔洞都會(huì )造成混凝土滲水，所以，在施工中應提高混凝土的密實(shí)度或者加引氣劑、減水劑等，以提高抗滲性。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(shí)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(shí)度也是提高耐久性的一個(gè)重要措施。所以，在施工中應該控制單位體積中的最小水泥用量和最大水灰比，并且應攪拌均勻，精心振搗、加強養護，使混凝土能夠充分密實(shí)，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)勢是在規定的時(shí)間和條件下，工程結構完成預定功能的概率，是工程結構可靠性的概率度量。工程結構可靠性，是指在規定時(shí)間和條件下，工程結構具有的滿(mǎn)足預期的安全性、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(zhù)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，因而工程結構完成預定功能的能力只能用概率度量。結構能夠完成預定功能的概率，稱(chēng)為可靠概率;結構不能完成預定功能的概率，稱(chēng)為失效概率。結構可靠度方法的重要意義在于對結構安全性檢驗提出了建立在概率分析基礎上的一系列的標準。應綜合考慮工程結構中的各種不確定因素，對結構可靠性有一個(gè)客觀(guān)的統一度量。這種設計方法認為，考慮作用于結構的真實(shí)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(shí)踐所能接受的程度上。概率設計法能夠根據設計進(jìn)行分析計算已確定結構的可靠度;或根據任務(wù)提出的可靠度指標，確定構建的參數。

　　7結語(yǔ)

　　在不斷發(fā)展的現代社會(huì )，人類(lèi)的需求對結構的可靠性提出了新的需求，在今后的理論實(shí)踐中，要根據已有的可靠性研究提出新的方法，不斷創(chuàng )新，提高結構的可靠性，這樣才能推動(dòng)我國建筑行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。［ID:003365］

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