对建筑结构可靠度的认识工程结构设计的主要目的在于用最经济的的途径实现最理想的结构功能目标,做到两者的平衡协调。
然而,作为对于结构来说是一个安全成都衡量的可靠度来说不能设置得过高,因为这样不经济,但是也不能设置得过低,因为对人身安全没有保障。
这就引出了一个叫做可靠度理论的问题,这个理论最早在国外提出,直到20世纪80年代结构可靠度理论的应用才在国内开展。
我国标准《建筑结构设计统一标准》采用以概率论为基础的极限状态设计方法,设计表达式采用分项系数表达式。
可靠度大小用是用概率p f来度量,而可靠指标ß与失效概率在数值上对应,ß越大p f越小,此时结构的可靠度越大。
标准规范规定在安全等级为一、二、三级时,延性破坏ß为3.7、3.2、2.7;脆性破坏为4.2、3.7、3.2。
对于现阶段国内结构可靠度的研究以及一些相关规定,众说纷纭,下面我谈谈个人的一些看法。
1、目前工程结构可靠度的研究现状1.1现存的结构的可靠性评估和维修决策问题对正在使用的建筑结构的可靠性评估与维修决策已成为建筑结构学的一个边缘学科。
它不仅涉及结构力学、弹性力学断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论,而且与施工技术、检测手段和建筑物的维修使用情况等有密切的关系[1]。
对已有结构可靠度的评估采用的方法属于实用分析法,是在传统经验方法的基础上,结合现代检测手段和计算技术的一种评估方法。
目前,对已有结构的可靠度分析方法,是以当时实测的结构材料强度和构件截面尺寸为依据的,没有考虑腐蚀环境中材料性能的变化。
同时,如何根据已有结构本身材料性能的实测结果,来推断该结构的抗力随时间的变化而变化的规律,进而计算该结构继续使用期内的可靠度或评估该结构的使用寿命,是已有结构可靠度研究的一项重要内容。
随着使用年限的增长,混凝土的老化问题日益突出。
对于耐久性不足或老化的结构,存在一个最佳维修决策的问题。
在目前的研究中,有些内容过于理论化,与实际工程问题相差较远。
另外,对处于不同环境下建筑物使用寿命的安全性评估问题,在结构设计的工作寿命期如何通过正常使用和必要的维护保证结构应有的可靠度,超过正常使用年限后如何安全地继续服役等都应该是可靠度研究的重要方面。
1.2腐蚀环境下结构可靠度的分析对于钢筋混凝土结构,其常见的腐蚀失效模式为:混凝土的碳化作用引起钢筋腐蚀、氯离子侵蚀引起钢筋局部腐蚀、硫酸盐或硫酸溶液对混凝土的腐蚀破坏。
对腐蚀环境中混凝土结构的可靠度分析,目前国内外的研究多数集中在氯离子侵蚀环境中钢筋混凝土结构可靠度的变化,对硫酸盐腐蚀地下混凝土结构使混凝土体积膨胀,从而使其瓦解方面的研究还不是很多。
在现今的这些研究中,有的并未考虑结构设计参数对混凝土中钢筋腐蚀起始时间和钢筋锈蚀速度的影响,有的虽做了考虑,但并没有考虑二者之间的相关性[2]。
因此,结果不尽合理。
1.3基于时变抗力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。
因此结构的可靠度分析必须考虑抗力随时间变化的情况。
文献[1]对这一问题进行了详细地分析。
许多学者也做了很多的工作,主要有多维积分的拉普拉斯渐进法、蒙特卡洛法、随机过程的上跨阈理论等。
但是这些方法不仅在工程应用中比较困难,计算过程复杂,而且当考虑抗力随时间变化,结构可靠度的分析方法应与现行结构可靠度设计统一标准采用的可靠度分析方法有较好的协调性时,上述方法都不具备这样的特点[3]。
1.4结构疲劳可靠度分析结构疲劳可靠度的分析包括结构或结构材料的疲劳性能、反复荷载的统计技术、疲劳累积损伤准则和可靠度分析方法等几个方面。
混凝土结构疲劳问题的研究要比钢结构的相应研究晚一些,但是其发展速度较快,并且已经成为系统的分析计算理论。
随着计算机技术的提高,重大工程和特殊建筑结构的疲劳可靠度设计得到了发展。
通过计算机,可以测试结构构件荷载效应谱和进行统计分析。
同时,在进行结构疲劳可靠度设计时,为了求得结构构件关键部位材料的应力谱,需要了解材料在变幅重复应力下的变形性能,为此应该加强对结构材料疲劳性能和材料本构关系的研究[4]。
1.5结构模糊可靠度分析结构的模糊可靠度就是应用模糊概率分析研究结构的可靠度。
模糊性是由于边界的不清晰引起的。
它是工程实际设计中两种不确定性中的一个。
由于使用年限的增长,现有结构的安全性能越来越低。
因此对结构随机模糊性的研究,对现有结构可靠度的评估具有重要的现实意义。
1.6结构动力可靠度分析结构动力可靠度的研究包括抗风结构可靠度的分析和抗震结构可靠度的研究。
对抗风结构可靠度的研究,主要从安全度和舒适度来分析,其中安全度是重点。
抗风结构的动力可靠性是指结构在强风作用下的安全度。
强风作用下结构动力可靠度分析要涉及到风荷载的统计、结构动力特性的计算、结构静力及动力反应的统计、结构破坏的机理等, 每个方面都十分复杂,需要认真地研究。
1.7构抗震可靠度分析在加速度峰值、特征周期、持续时间相同的条件下,利用规范给出的同一目标反应谱,合成了29条人工地震波。
对于选定的结构计算模型,输入地震波进行时程分析,通过最大商法统计得出结构位移最大值的概率密度函数,进而推断结构的失效概率和可靠指标。
“强柱弱梁”、“强剪弱弯”是保证钢筋混凝土结构在地震作用下不发生整体倒塌的基本设计原则。
利用可靠度分析方法,研究了在现行规范的基本规定下,柱先于梁屈服和剪切破坏先于弯曲破坏的概率。
根据分析结果,提出对有关参数进行调整的建议。
2、结构可靠度水平设定的标准问题关于是否需要提高我国现有建筑结构可靠度的水平,首先要解决结构可靠度水平设定的标准问题。
把可靠度水平定得高些,等于减小失效概率,提高结构抵把可靠度水平设定到与先进国家同样的水平。
但是原有水平事实偏低,考虑到目前的实际情况和条件,我认为适当提高是合适的。
提高的做法,采取全面提高似操之过急,大幅度提高更不适宜。
因为全面提高涉及到一系列的调查、统计和分析工作,在未有较成熟的结果之前,依据不足,难以落墨。
大幅度提高,对物力财力要求过大:高的可靠度等于要求高的构件抗力,这将导致一系列的反应,构件截面增大,多耗材料,建筑物重量增加,导致较大的地震反应,基础工程量也增加等。
虽然换来更大的安全,但代价很高,可靠度与经济能力似不平衡。
因此,个人认为比较恰当的做法是:先作局部的调整,同时组织力量,为较全面调整提高工作进行调查研究。
其中局部调整方面,可以考虑如下一些内容:对比较明显的,已掌握的资料说明的确偏低的某些标准荷载予以一定的提高,如写字楼及一些公共建筑的楼面活载、风荷载等;适当提高某些活荷载的分项系数;对于一些变异性较大的材料,如混凝土等,适当提高材料的分项系数。
此外,对于一些特别重要的结构构件或工程项目,允许设计单位或业主适当提高其重要性系数。
3、关于设计质量和施工质量问题在讨论可靠度水平的同时,我认为必须提及与之有密切关系的另一个问题,就是设计质量和施工质量问题。
上文已经提及,目前由于设计错误,施工质量低劣,从而导致工程质量事故的情况并不鲜见,但这些都是人为的非正常情况,已经不属于可靠度水平控制的范畴,不过它却实实在在地存在并威胁安全,是可靠度问题的大敌。
我国现行可靠度水平已经偏低,如再让这些情况存在,安全确实难以保证。
因此,我认为当务之急是要抓好设计和施工质量,如制定严格的管理办法,提高设计和施工的素质,加强设计和施工监理等。
如果这方面解决了,那怕偏低的可靠度水平,对安全也有相应地保证;否则,纵使把可靠度提得很高,也起不了作用。
对建筑物来说,设定的可靠度较低,但设计和施工质量有保证;或者设定的可靠度很高,但设计和施工质量不保证,我宁愿选择前者。
4、建筑结构的抗震标准问题建筑结构的抗震标准的确也是值得探讨的问题。
我国目前的抗震设计原则是“小震(超越概率63%)不坏、中震(超越概率10%)可修、大震(超越概率2%~3%)不倒”。
具体设计分两阶段,首先是按小震进行计算,使结构处于弹性阶段以保证不坏,然后进行构造设计以保证大震不倒。
由此,在理论上说,当地震烈度超过小震,就有些构件进入塑性,经一定过程发展至损坏,此时结构处于非弹性工作状态;到中震时,相当一部分构件处于塑性发展阶段或已经损坏;随着地震烈度的再增加,破坏逐步加剧,直到大震,建筑物损坏非常严重,并且有较大的非弹性变形,但不倒塌。
小震(众值烈度)的超越概率为63%,一旦发生地震,烈度超过它的可能性还是比较大的;而中震(基本烈度)的超越概率为10%,烈度大于它的可能性就很小。
这就是说,建筑物遭受的地震,其烈度大多数在中震烈度以下。
根据上段所述,此时建筑物大概处于较轻或中等损坏状态,经过修理(要付出经济代价)是可以使用的。
当然,与此同时,人员可能受到一定的伤害;建筑物内的设施也会遭到一定的破坏,至于是否可修,就要看是什么样的设施,不能一概而论。
上面所述就是在我国抗震设计原则下,一旦遭受地震时可能出现的情况。
个人认为,这个标准基本是合理和符合我国国情的。
把抗震标准提高,发生地震时可以减少经济损失和人员伤亡这是显然的,提得越高越是如此。
但我们应该考虑两个问题:其一,威协建筑物安全的地震发生的机率是较低的,而较大地震的重现期往往超过建筑物的设计寿命。
因此,抗震标准与风险率是紧密联系的,标准越高风险率就越低,反之则正好相反。
我们要在这两者之间权衡决定;其二,标准越高建筑造价(结构部分)就越高。
目前按小震进行设计,在设防烈度为7度且基本风压较小以及设防烈度大于7度的地区,构件的强度基本上是地震作用控制的。
假如把设防烈度提高一度或按基本烈度进行弹性设计,由地震作用造成的构件内力,前者将增加至2倍而后者增加至约3倍,这不仅仅是钢筋而且构件截面都要增加。
由于刚度的需要,大量构件截面也要加大,从而引起其他相关部分的加强。
这些都要付出相当的经济代价。
我们也要在这两者之间取得平衡。
综上所述,抗震标准与国家经济实力和风险率有关,既要考虑国家经济负担,又要考虑地震发生的机率,还要考虑财产的损失和人民的安全,带有很强的政策性,需要由有关部门慎重考虑决定。
建筑抗震能力除与抗震标准有关外,也与设计和施工质量有密切关系,而抗震设计中概念设计是首要的。
我国国家标准《建筑抗震设计规范》(GBJ 11-89)中列出了一系列抗震设计的基本要求,就是概念设计很好的依据。
可是目前不少设计人员对抗震概念设计的观念比较淡薄,没能把握好从抗震原则方面来保证建筑物的抗震能力。
在这样的情况下,纵使通过提高抗震标准使各个构件的抗震能力很高,对建筑总体的抗震效果也不会有很大的帮助。
有抗震要求的细部构造一般比较复杂,要是在施工中马虎对待,达不到质量标准,也会大大的削弱建筑的抗震能力。
因此,抓好抗震设计和施工质量也是目前首先要解决的问题。
只有在这样的基础上去提高抗震标准才有意义。