建筑结构的可靠性问题及既有结构的可靠性分析

建筑结构的可靠性问题及既有结构的可靠性分析

【摘 要】工程结构的使用目标为完成其设计时预定的功能，结构是否能完成其预定动能，主要取决于结构在整个使用过程中的表现。工程结构可划分为两类：设计中虚拟的结构—拟建结构，为“图纸上的结构”，是可靠性设计的对象；已建成的现实的结构——既有结构，也称“服役结构”等，则是可靠性评定的对象。

【关键词】建筑结构；可靠性设计；极限状态；统计方法；不确定性分析；随机变量

0 引言

可靠性设计的目的是在目标可靠度下保证结构完成预定的功能，可靠性评定的目的是判定结构完成预定功能的可靠度水平是否满足目标可靠度的要求。既有结构与拟建结构可靠性分析，两者均以结构可靠性基本理论为基础，控制与评定结构在各种不确定因素影响下完成预定功能的能力，其方法上不应有本质的差别。

1 结构可靠性

1.1 结构可靠性的要素

工程结构的可靠性是在一定时间区域的前提下而言的，即对结构使用时间的要求。对于拟建结构，时间区域即为设计使用年限，指设计结构或结构构件不需进行大修即可按预期日使用的年数。对于既有结构，其所考虑的时间区域为评估使用年限，指可靠性评定所预估的既有结构在规定条件下的使用年限。

1.2 条件要素

工程结构可靠性与人们对于结构性能、作用、作用效应、环境影响等的认识，及人们在设计、施工、使用、维护等过程中的行为有关。这些认识水平和行为方面的限定是结构可靠性分析的前提和条件。对于拟建结构，我国标准设定结构能够得到合理的设计、施工及正常的使用维护，对于设计失误、施工缺陷、使用不当、维护不周等问题均不在考虑范围之内，而既有结构的可靠性评定对于这些问题可能产生的不利影响均应予以考虑。

1.3 功能要素

完成预定功能的能力是结构可靠性的核心。无论是拟建结构还是既有结构，都要满足一定的功能要求，一般要求结构在规定的目标使用年限内满足安全性、适用性和耐久性三个方面的要求：

1.3.1 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用（安全性）； 1.3.2 在正常使用时具有良好的工作性能（适用性）； 1.3.3 在正常维护下具有足够的耐久性能（耐久性）；

1.3.4 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性（安全性）。

2 结构的极限状态 结构是否满足要求、能否完成预定的功能，是以极限状态为基准进行衡量的。如果结构或结构的一部分超过某一特定状态便不再满足设计规定的某一项功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。结构或构件的极限状态是将其从可靠与不可靠状态区分的界限状态。

工程结构的极限状态划分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态为结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载变形

时的状态；正常使用极限状态为结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的规定限制值时的状态。工程结构的可靠性分析应同时考虑承载能力极限状态与正常使用极限状态。

3 结构可靠性的概率指标

结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的概率称为结构的可靠度，结构可靠度是可靠性的度量指标，是对可靠性的一种定量的描述。

若以随机向量X=（X■，X■，X■，……，X■）表示结构上的各种作用、环境影响、几何尺寸、结构的材料等影响结构或结构构件状态的基本变量，以功能函数G（·）的形式定义结构工作状态：

G（X■，X■，……，X■）>0，结构处于可靠状态=0，结构处于极限状态<0，结构处于失效状态

以S表示结构作用效应，如内力、变形等，以C表示对变形等作用效应的限值，以R表示结构抗力，则结构的极限状态可以综合变量的形式表示为Z =R-S和Z =C-S。

结构功能函数为随机过程，记为{Z（t），t≥t■}，它描述了结构在未来任意时刻的状态，其中t■为结构的建成时刻。再记结构功能函数在设计使用年限T内的最小值为Zmin（T），即Zmin（T）=■Z（T），它反映了结构在设计使用年限T内的最不利状态。

4 既有结构可靠性的分析

4.1 既有结构可靠性分析的特点 4.1.1 可靠性要素的变化

对于既有结构可靠性评定所考虑的时间区域，即结构的评估使用年限，指可靠性评定所预估的既有结构在规定条件下的使用年限，是从当前算起的未来的一段时间，为人们对结构剩余使用时间的要求。

对于既有结构，设计工作、施工过程均已完成，并经历了一定时间的使用，而设计失误、施工缺陷、使用不当等问题均已成事实，所以对于设计失误，施工缺陷，使用不当、维护不周等可能产生的不利影响均应予以考虑。另外，为提高结构的可靠性，延长结构加固、更新的周期，可能对既有结构的使用和维护提出特殊的要求，其要求也属于既有结构可靠性分析、评定的前提和条件。

对于既有结构，其应完成的预定功能原则上应与拟建结构的一致，但有时会因使用目的和环境的变化，可能会对这些预定功能提出新的要求，如正常使用极限状态因使用环境的恶化而发生的改变、承载能力极限状态因地震烈度区划的变更而变化等。

4.1.2 基本变量取值的变化

既有结构的荷载及环境与拟建结构相比更为具体，其统计特性并不完全遵循拟建结构的统计特性，而应以自身实际存在的信息为基础，利用已有信息的统计分析来估计荷载在结构评估使用年限内的统计特性。既有结构的材料性能应按照结构实际情况考虑，借助现代检测手段进行实测，并采用统计方法确定其值。对于既有结构的计算模型，也应根据既有结构的实际状态来建立。

4.1.3 可靠性控制级别

拟建结构的设计中可靠性控制是以满足现行规范为准则，其设计结果只有两种：满足或不满足。而既有结构的可靠性分析评定结果一般以等级指标给出，如A、B、C、D级，这是因为既有结构的可靠性分析与评定过程中须考虑规范的变更、既有结构的使用效果、对评估使用年限的要求以及经济原因等，因此对其进

行分析评定的结果不能仅以满足或不满足来衡量，而应根据其可靠度水平给予不同的可靠性等级。

4.2 既有结构可靠性分析的原则 4.2.1 明确可靠性的含义

由于既有结构与拟建结构的不同，在分析时应明确其可靠性的含义，统一要求。对于作用的预测、抗力的变化及其影响和可靠度的计算等，应采用同样的时间区段、同样的失效准则。一般情况下，不应直接利用拟建结构在设计基准期内的荷载或抗力的统计特性来分析既有结构评估使用年限内的可靠性，否则会使既有结构可靠性的含义模糊不清。

4.2.2 充分利用已有信息

既有结构是一个客观存在的实体，其材料强度和构件截面尺寸是可测的，在当前时刻原则上已不是随机变量，并且已经历了验证荷载，为可靠性的评估计算积累了一定的信息。因此，既有结构的可靠性分析应结合现代的检测手段，测定研究对象的已有信息，并进行合理的处理、检验及利用，以反映结构当前的状态和推断评估使用年限内的特性。

4.2.3 与既有结构的加固维修决策相结合

既有结构的可靠性分析评定是结构加固、维修的依据，因此既有结构的可靠性分析应与结构的加固维修经济性结合。在一定的技术水平下，用于加固、维修的费用越高，结构在评估使用年限内的可靠性越高；用于加固维修的费用越低，则结构在评估使用年限内的可靠性越低。

5 结束语 总之，既有结构可靠性分析与拟建结构存在一定的差异，其所考虑的时间区域具有更大的灵活性，一般比设计使用年限短，其可靠性分析的前提和条件以及结构预定的功能均可能与拟建结构存在差异。对于结构基本变量的取值也更为具体，结构的可靠性则以可靠性等级的形式进行评定。

【参考文献】

[1]陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]张俊芝.服役工程结构可靠性理论及其应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.