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時間的安全與穩定，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。整個工程結構的可靠性關系重大，不僅僅關系到工程進度，而且結構的可靠性很大程度關系著經濟與社會效益。

　　關鍵詞：:土木工程;結構;可靠性;理論;分析;影響因素

　　前言

　　結構可靠性不僅關系到生命財產安全，而且關系到社會生產的可持續性發展。我國在研究工程結構可靠性上，開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出現的各種外界對結構的作用，在所預計的事故發生之前或事故發生之后，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:①安全等級第三級:次要房屋，比如車棚、臨時倉庫等，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建筑，破環后果嚴重;③安全等級第一級:重要的房屋，比如體育館、電影院、核電站、歌劇院等這類的建筑，破環后果很嚴重。同一結構中各類構件的安全等級與整體結構的安全等級相同最好。可靠性設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系，結構的可靠度三要素，即規定的時間、條件、預定功能。規定的時間就是建筑結構應該達到的設計使用時間;規定的條件就是不考慮人為造成的過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足結構各項使用功能。另外，結構的可靠度還與失效率有關，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。當建筑結構實際使用年限超過預期的結構設計使用年限時，并不是說結構會立即失去使用性能立即報廢不能使用。各類建筑結構設計使用年限大致分為了四類:第一類是臨時性的建筑結構，它的結構設計使用年限是5年;第二類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，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，則認為超過了承載力極限狀態:①結構或者構件失去穩定性;②整個結構或者構件發生傾覆、側滑失去平衡;③結構構件或連接因超過材料強度而發生疲勞破壞，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生失穩。可以以可靠性理論為基礎，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有關系。由于設計時設計條件不統一，所以，安全系數與抗力和荷載效應的變異系數也會在一個較大的范圍內發生變化，為了使設計與規定的目標可靠度指標相一致，安全系數也會隨設計條件的變動而發生相應的變動，如此一來，給實際的工程設計帶來很大不便。當采用中心點法計算的時候，雖然計算簡便，但是也存在一些缺點，比如說，同一個問題采用不同形式的功能函數即不同數學表達式的極限狀態方程，可靠指數計算值就可能會有所不同，或者相差較大，或者基本變量的分布不是對數正態分布或正態分布，會使結構可靠度的計算結果與實際結果有很大的出入，不能采用。對于非線性的功能函數，在平均值處展開不太合理，而且展開時只保留了線性項，所以可能存在較大的線性計算錯誤。所以對于非線性功能的函數，線性化近似不是選在中心點均值處，而是選在失效的邊界上，即已經通過極限狀態方程上的某一個點的切平面作線性近似，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點在于:它可以對影響結構可靠度的各種因素分別進行研究，不同的荷載效應可以根據荷載的變異性質，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。實際中結構荷載的效應，通常是兩個或兩個以上荷載效應組合，而且荷載效應不一定為對數正態分布或者正態分布。另外結構的極限狀態方程也很有可能是非線性形式，當進行結構設計時，一般可以認為結構的抗力符合對數正態分布，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程中，將具有可靠性的結構理論融入了進來之后，我國學者先后展開了有關于結構可靠性方面的深入研究，并取得了極大的進展，促進了我國結構工程的進一步發展。現在的結構可靠指標僅僅在結構極限狀態方程非線性程度不高的時候適用，它是對于線性或線形化極限狀態方程。在實際工程應用中，除活荷載外，結構的恒荷載和結構的相互作用力是相關的，這時需要根據變量之間的關系來分析結構的可靠度，所以說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

　　功能函數為多個隨機變量組成的非線性函數，或者不為對數正態分布或者正態分布時，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，同時也考慮了結構極限狀態方程的非線性化的影響，提出的可靠度的不交化最小路集的復雜網絡系統實現的新方法。根據不交化原理進行進一步計算，根據可靠性原理的復雜網絡的系統，可以建立施工系統可靠性的算法模式。為了進一步有效地計算復雜施工網絡系統的可靠度，可通過編制計算機程序，運用鄰接矩陣法求解復雜網絡來進一步實現，可以解決復雜極限狀態方程不易求導的問題。土木工程建筑結構的耐久性和安全性的問題，直接關系到人身、財產的安全，一直是設計者與使用者非常關注的問題，并與國家現行建筑政策、法律法規以及未來的經濟發展有著密不可分的關系，是一個較為復雜的系統工程的問題。我國在可靠性基本理論方面的研究工作主要包括:①結構體系可靠性問題;②關于建筑結構疲勞的可靠性的問題;③關于建筑結構動力的可靠性的問題;④關于巖土工程方面的可靠性的問題;⑤關于已有的工程結構的可靠性的鑒定問題。

　　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，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念以及建筑工程建設的實際情況等方面進行考慮。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行設計、管理以及維修等方面進行分析設計。施工過程系統的概念主要來源于工程施工的生產過程。在經濟規模不斷擴大的過程中，工程建設的科學性設計及其管理的可靠性容易出現各種問題。結構工程質量的可靠性可以通過質量評定來進行分析。相關的文件表明，要把從前的質量評定標準和質量檢驗標準分開進行檢驗，質量預驗收項目的標準和程序分開進行，可以在工程項目建設的過程中將各個項目進展安排得更合理，促進項目建設的可靠性。結構的破壞性質是按照延性破壞和脆性破壞來確定的可靠指標，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，為多個隨機變量組成的非線性函數，分析結構可靠度時需要進行近似簡化，即采用近似概率法，且變量并不是都符合正態分布和對數正態分布。從整個工程建設的過程來看，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行驗收。質量控制和質量驗收在相應的基礎上進行。施工單位根據優化項目工程的要求，對相關的可靠性進行分析，選擇合適的施工項目建設標準。考慮抗力隨時間變化的結構可靠度分析。結構在進入老化期后，抗力隨時間不斷衰減。這屬于時變可靠度的范疇，但所考慮的結構抗力衰減不是由環境腐蝕引起的，而是所經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性能，指材料在受力時，單位面積抵抗外力破壞的能力。可靠性是在規定的時間條件下滿足耐久性、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)、養護條件、齡期(混凝土拌合成型后所經過的養護時間)。除了上述因素外，施工條件、外加劑(減水劑或早強劑)等也會影響混凝土的強度發展。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境條件相適應的特殊性能。處于嚴寒環境中的外部工程，要具有一定的抗凍性能以及其他環境中需要的耐熱性、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，它主要與密實度以及內部孔隙的大小和構造有關。混凝土內部相互連通的孔以及成型時由于振搗不實而產生的孔洞都會造成混凝土滲水，所以，在施工中應提高混凝土的密實度或者加引氣劑、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度有關。有封閉孔的混凝土，環境水不容易侵入，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，提高混凝土的密實度也是提高耐久性的一個重要措施。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，保證混凝土的施工質量。

　　6可靠性研究

　　采用可靠性理論的優勢是在規定的時間和條件下，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，是指在規定時間和條件下，工程結構具有的滿足預期的安全性、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，稱為可靠概率;結構不能完成預定功能的概率，稱為失效概率。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客觀的統一度量。這種設計方法認為，考慮作用于結構的真實承載能力，并且力求達到最佳的經濟效益，將失效概率限制在人們實踐所能接受的程度上。概率設計法能夠根據設計進行分析計算已確定結構的可靠度;或根據任務提出的可靠度指標，確定構建的參數。

　　7結語

　　在不斷發展的現代社會，人類的需求對結構的可靠性提出了新的需求，在今后的理論實踐中，要根據已有的可靠性研究提出新的方法，不斷創新，提高結構的可靠性，這樣才能推動我國建筑行業的進步和發展。［ID:003365］

　　參考文獻:

　　［1］徐成君．建筑材料［M］．北京:高等教育出版社，2004．

　　［2］趙國藩．工程結構可靠性理論與應用［M］．大連:大連理工大學出版社，1996．

　　［3］趙國藩，王恒棟．廣義隨機空間內的結構可靠度實用分析方法［J］．土木工程學報，1996，43(4):48－52．

　　［4］GB50153:1992工程可靠度設計統一標準［S］.

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