土木工程结构可靠性理论分析

摘要:工程结构一般需要保持长时间的安全与稳定，即保证建筑结构的耐久性、可靠性、安全性。建筑结构的组成成分主要有木材、钢材、石材、砖材、混凝土和钢筋混凝土。整个工程结构的可靠性关系重大，不仅仅关系到工程进度，而且结构的可靠性很大程度关系着经济与社会效益。

关键词:土木工程;结构;可靠性;理论;分析;影响因素

前言

结构可靠性不仅关系到生命财产安全，而且关系到社会生产的可持续性发展。我国在研究工程结构可靠性上，开展了很多的理论性的整理分析、资料的收集等工作，并且对结构工程实践做了总结，借鉴了国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》，提出了施工系统的可靠性理论。

1结构可靠性基本理论

工程结构主要是由相关材料构成的各种构筑物和建筑物。建筑结构的耐久性是指:结构在正常使用、无故意破坏情况下，维护的情况下，具有耐久的性能。建筑结构的安全性跟我们通常所认为的安全的概念不同，我们所认为的安全是不造成人身安全和财产的损失，而建筑结构的安全性是在正常施工条件下，正常使用条件下，结构需要具有承受可能会出现的各种外界对结构的作用，在所预计的事故发生之前或事故发生之后，建筑结构依旧可以保持计划的整体稳定的性能。我国对建筑工程结构的安全等级大致分为三类:①安全等级第三级:次要房屋，比如车棚、临时仓库等，破坏后果不严重;②安全等级第二级:一般的房屋，比如民用建筑或工业建筑，破环后果严重;③安全等级第一级:重要的房屋，比如体育馆、电影院、核电站、歌剧院等这类的建筑，破环后果很严重。同一结构中各类构件的安全等级与整体结构的安全等级相同最好。可靠性设计基本理论包括设计使用年限与设计的基准期。设计使用年限就是说结构在保持设计、施工、使用都正常的情况下应该达到的使用年限。我国工程结构规定中，建筑结构设计基准期是50年，桥梁结构设计基准期是100年，沥青混凝土路面的设计基准期不能大于15年，水泥混凝土路面结构设计基准期不能大于30年。结构可靠度与结构设计使用年限之间有一定的联系，结构的可靠度三要素，即规定的时间、条件、预定功能。规定的时间就是建筑结构应该达到的设计使用时间;规定的条件就是不考虑人为造成的过失或者错误对结构造成的影响，也不考虑结构任意改建等原因造成的不良影响，结构的正常施工、使用、维护;预定的结构功能就是结构设计应满足结构各项使用功能。另外，结构的可靠度还与失效率有关，失效概率越小，结构的可靠性则越好，相反的，失效概率越大，结构的可靠性越差。当建筑结构实际使用年限超过预期的结构设计使用年限时，并不是说结构会立即失去使用性能立即报废不能使用。各类建筑结构设计使用年限大致分为了四类:第一类是临时性的建筑结构，它的结构设计使用年限是5年;第二类是易于替换的建筑结构构件，它的结构设计使用年限是25年;第三类是构筑物和普通的房屋，它的结构设计使用年限是50年;第四类是特别重要的建筑结构和具有纪念性的建筑物，它的结构设计使用年限相对较长，是100年。建筑结构的设计使用年限不等于结构的设计基准期。当建筑结构出现以下任何一种情况，则认为超过了承载力极限状态:①结构或者构件失去稳定性;②整个结构或者构件发生倾覆、侧滑失去平衡;③结构构件或连接因超过材料强度而发生疲劳破坏，或者因为变形而不能继续作为承载的构件;④地基失去承载能力而发生失稳。可以以可靠性理论为基础，把影响建筑结构可靠性的几乎所有参数都作为随机变量，运用概率论和数据统计分析全部参数或者部分参数，计算结构的可靠指标或者失效概率，以此来设计或者校核结构。

2可靠度设计方法

假设将影响结构功能的因素归结为结构抗力和荷载效应，则可以采用以下结构设计式:设计中取荷载效应和结构抗力的值与一个常数的乘积，小于或者等于结构抗力的均值。如果采用单一系数表达式，它的安全系数与抗力和荷载效应的变异系数以及设计要求的可靠度指标与安全指标β有关系。由于设计时设计条件不统一，所以，安全系数与抗力和荷载效应的变异系数也会在一个较大的范围内发生变化，为了使设计与规定的目标可靠度指标相一致，安全系数也会随设计条件的变动而发生相应的变动，如此一来，给实际的工程设计带来很大不便。当采用中心点法计算的时候，虽然计算简便，但是也存在一些缺点，比如说，同一个问题采用不同形式的功能函数即不同数学表达式的极限状态方程，可靠指数计算值就可能会有所不同，或者相差较大，或者基本变量的分布不是对数正态分布或正态分布，会使结构可靠度的计算结果与实际结果有很大的出入，不能采用。对于非线性的功能函数，在平均值处展开不太合理，而且展开时只保留了线性项，所以可能存在较大的线性计算错误。所以对于非线性功能的函数，线性化近似不是选在中心点均值处，而是选在失效的边界上，即已经通过极限状态方程上的某一个点的切平面作线性近似，可以提高可靠度的计算精度。结构可靠度设计还有一个表达式，就是采用分项系数设计表达式。采用分项系数设计表达式的优点在于:它可以对影响结构可靠度的各种因素分别进行研究，不同的荷载效应可以根据荷载的变异性质，采用不同的荷载分项系数、结构抗力分项系数，可以根据结构的工作性能不同而采用不同的数值。实际中结构荷载的效应，通常是两个或两个以上荷载效应组合，而且荷载效应不一定为对数正态分布或者正态分布。另外结构的极限状态方程也很有可能是非线性形式，当进行结构设计时，一般可以认为结构的抗力符合对数正态分布，它的变异系数即二阶统计参数是一定的，可以预先确定，建筑结构设计主要是求取结构抗力的平均值参数。自从我国从建设规范的结构设计体系过程中，将具有可靠性的结构理论融入了进来之后，我国学者先后展开了有关于结构可靠性方面的深入研究，并取得了极大的进展，促进了我国结构工程的进一步发展。现在的结构可靠指标仅仅在结构极限状态方程非线性程度不高的时候适用，它是对于线性或线形化极限状态方程。在实际工程应用中，除活荷载外，结构的恒荷载和结构的相互作用力是相关的，这时需要根据变量之间的关系来分析结构的可靠度，所以说结构可靠度分析的方法只是局限于结构随机变量之间的关系、不相互作用的前提下。

3结构功能函数的基本变量

功能函数为多个随机变量组成的非线性函数，或者不为对数正态分布或者正态分布时，可靠指标很难直接用包含基本直接变量统计参数的公式来计算。四阶矩方法的结构可靠度分析是根据信息论中的最大熵原理，同时也考虑了结构极限状态方程的非线性化的影响，提出的可靠度的不交化最小路集的复杂网络系统实现的新方法。根据不交化原理进行进一步计算，根据可靠性原理的复杂网络的系统，可以建立施工系统可靠性的算法模式。为了进一步有效地计算复杂施工网络系统的可靠度，可通过编制计算机程序，运用邻接矩阵法求解复杂网络来进一步实现，可以解决复杂极限状态方程不易求导的问题。土木工程建筑结构的耐久性和安全性的问题，直接关系到人身、财产的安全，一直是设计者与使用者非常关注的问题，并与国家现行建筑政策、法律法规以及未来的经济发展有着密不可分的关系，是一个较为复杂的系统工程的问题。我国在可靠性基本理论方面的研究工作主要包括:①结构体系可靠性问题;②关于建筑结构疲劳的可靠性的问题;③关于建筑结构动力的可靠性的问题;④关于岩土工程方面的可靠性的问题;⑤关于已有的工程结构的可靠性的鉴定问题。

4项目可靠性的鉴定与分析

在结构构件可靠度研究分析基础上，必须进一步地去研究建筑结构构件体系的可靠性及建筑结构构件体系的失效概率。结构构件包括脆性结构构件和延性结构构件，脆性构件，比如钢筋混凝土受压柱，一旦失效就立即完全失去承载力，延性构件受拉构件或者受弯构件达到屈服的承载能力，依旧可以保持承载力继续变形，也就是说，失效以后依旧可以保持原有的功能和承载能力。建筑工程系统的可靠性需要从工程建设的思想观念以及建筑工程建设的实际情况等方面进行考虑。建筑工程项目的可靠性主要指建筑工程能够在规定的条件下，对工程施工的可靠性进行设计、管理以及维修等方面进行分析设计。施工过程系统的概念主要来源于工程施工的生产过程。在经济规模不断扩大的过程中，工程建设的科学性设计及其管理的可靠性容易出现各种问题。结构工程质量的可靠性可以通过质量评定来进行分析。相关的文件表明，要把从前的质量评定标准和质量检验标准分开进行检验，质量预验收项目的标准和程序分开进行，可以在工程项目建设的过程中将各个项目进展安排得更合理，促进项目建设的可靠性。结构的破坏性质是按照延性破坏和脆性破坏来确定的可靠指标，脆性指标大于延性指标。建筑结构功能可靠度函数具有的特点，为多个随机变量组成的非线性函数，分析结构可靠度时需要进行近似简化，即采用近似概率法，且变量并不是都符合正态分布和对数正态分布。从整个工程建设的过程来看，对项目的验收主要有分项目部、分部以及单位对项目的建设进行验收。质量控制和质量验收在相应的基础上进行。施工单位根据优化项目工程的要求，对相关的可靠性进行分析，选择合适的施工项目建设标准。考虑抗力随时间变化的结构可靠度分析。结构在进入老化期后，抗力随时间不断衰减。这属于时变可靠度的范畴，但所考虑的结构抗力衰减不是由环境腐蚀引起的，而是所经历的荷载作用累积损伤的结果，而且其分析方法与结构疲劳可靠度又有所不同，所以，可靠度分析结果往往不尽合理。

5影响结构可靠性的因素

5.1材料强度强度是结构材料的一项重要技术性能，指材料在受力时，单位面积抵抗外力破坏的能力。可靠性是在规定的时间条件下满足耐久性、安全性、稳定性的要求。以混凝土为例，普通混凝土是由水泥、粗集料、细集料与水拌合，经硬化而成的一种人造石材，影响混凝土强度的因素包括水泥的强度等级、水灰比(用水量与水泥用量之比)、粗集料(水泥浆体与集料的粘结力和集料的表面状况有关)、养护条件、龄期(混凝土拌合成型后所经过的养护时间)。除了上述因素外，施工条件、外加剂(减水剂或早强剂)等也会影响混凝土的强度发展。5.2材料耐久性建筑结构中最常用的混凝土，除了要具有结构设计所要求的强度外，还要具有与工程所处环境条件相适应的特殊性能。处于严寒环境中的外部工程，要具有一定的抗冻性能以及其他环境中需要的耐热性、耐酸性、耐磨性等。5.2.1抗渗性抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的性能，它主要与密实度以及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土内部相互连通的孔以及成型时由于振捣不实而产生的孔洞都会造成混凝土渗水，所以，在施工中应提高混凝土的密实度或者加引气剂、减水剂等，以提高抗渗性。5.2.2抗侵蚀性混凝土的抗侵蚀性与所选的水泥品种、孔隙特征和混凝土密实度有关。有封闭孔的混凝土，环境水不容易侵入，抗侵蚀性强。5.2.3提高耐久性的措施除了合理地选择原材料，提高混凝土的密实度也是提高耐久性的一个重要措施。所以，在施工中应该控制单位体积中的最小水泥用量和最大水灰比，并且应搅拌均匀，精心振捣、加强养护，使混凝土能够充分密实，保证混凝土的施工质量。

6可靠性研究

采用可靠性理论的优势是在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率;结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。结构可靠度方法的重要意义在于对结构安全性检验提出了建立在概率分析基础上的一系列的标准。应综合考虑工程结构中的各种不确定因素，对结构可靠性有一个客观的统一度量。这种设计方法认为，考虑作用于结构的真实承载能力，并且力求达到最佳的经济效益，将失效概率限制在人们实践所能接受的程度上。概率设计法能够根据设计进行分析计算已确定结构的可靠度;或根据任务提出的可靠度指标，确定构建的参数。

7结语

在不断发展的现代社会，人类的需求对结构的可靠性提出了新的需求，在今后的理论实践中，要根据已有的可靠性研究提出新的方法，不断创新，提高结构的可靠性，这样才能推动我国建筑行业的进步和发展。［ID:003365］

参考文献:

［1］徐成君．建筑材料［M］．北京:高等教育出版社，2004．

［2］赵国藩．工程结构可靠性理论与应用［M］．大连:大连理工大学出版社，1996．

［3］赵国藩，王恒栋．广义随机空间内的结构可靠度实用分析方法［J］．土木工程学报，1996，43(4):48－52．

［4］GB50153:1992工程可靠度设计统一标准［S］.

作者：齐向燕 单位：齐鲁理工学院土木工程学院

相关专题：微生物学杂志编辑部 吉林农业大学学报