可靠度理论及应用

建筑物改造可靠度分析及结构可靠度理论

的应用现状及发展趋势

刘宏伟，吴胜兴, 唐业清,韩宁旭

（东北大学资源与土木学院李盼 1101625）

摘要：已有建筑结构的可靠性鉴定及加固技术是综合性较强的研究领域，涉及多学科与较宽知识面，研究难度较大。但开展本课题研究具有广泛的市场应

用前景和产业化转化途径。同时简要叙述了结构可靠度设计理论的发展历史和结构设计方法的演变过程。对目前可靠度研究中的抗力随时间变化的结构可靠度；腐蚀环境下结构的可靠度：已有结构的可靠度评估和最佳维修决策：结构动力可靠度方面等方面的研究现状加以评述。提出了结构可靠度理论研究的发展趋势。

关键词:已有建筑;可靠性鉴定;加固;模糊评判法;层次分析法_；结构工程；可靠度；应用现状；发展趋势

对已有建筑结构的维修加固改造业是二十一世纪最受欢迎的九大行业之一，受维修改造需求的驱动和现代化技术的发展，已有建筑结构的可靠性鉴定与加固改造技术作为一门新的学科正在逐渐形成并迅速发展。本文在研究近十年来结构可靠性鉴定与加固技术发展的基础上，结合多项工程鉴定加固工作实际，对已有建筑结构的可靠性鉴定和加固技术进行了系统的分析和理论探讨。研究主要内容有:

1、概括论述了国内外加固改造业的发展;简要介绍了结构可靠度理论发展和研究现状;介绍了己有建筑结构可靠性鉴定和维修加固方法的发展;有针对性提出了现行建筑物鉴定、加固工作发展方向。

2、简明扼要地介绍了结构可靠性理论基本知识及用一次二阶矩分析计算结构构件可靠度计算方法;对已有建筑与拟建建筑的可靠性的不同之处进行了对比;分析了已有结构的荷载、抗力问题;建立了已有建筑结构失效概率与可靠度指标间对应关系，简要给出了己有结构可靠性判定的基本计算原则和方法。【1】

3、论述了已有建筑可靠性鉴定与拟建建筑设计区别，可靠性鉴定中结构力学分析和构件校核原则;系统介绍了现行国家可靠性鉴定标准中评定体系和评定方法【2】;对现行鉴定体系的基本原则和适用性进行了分析，并结合工程鉴定实例说明结构安全性鉴定程序及具体方法。

4、研究了模糊综合评判法及层次分析法基本理论;将模糊评估方法引入结构可靠性分析领域，并建立了结构可靠性评价的多级评价模型i 【3,4】。通过用层次分析法确定各层构件在结构体系中的权重，建立了以结构构件权重系数评价结构安全性等级的评判模型。

5、综合分析已有建筑结构加固设计的基本原则;以棍凝土结构加固为例，对加固结构中的新旧材料共同工作问题进行了研究;对加大截面加固法、外包型钢加固法、粘贴纤维复合材料加固法、粘贴钢板加固法的加固机理、计算方法进行了介绍【5】。并结合加固工程实例，对粘贴纤维复合材料及粘贴钢板加固法的设计方法进行了分析。

1、结构可靠性理论的发展研究

己有建筑结构可靠性鉴定是建筑物建成并投入使用后，根据对结构上的作用、结构抗力及其相互关系的实际调查，评估其实际的结构可靠性，使结构持续正常地满足各项预定功能。各国建筑结构设计规范均以结构可靠性理论为基础得到修订和完善，并在结构设计中得到应用，已有建筑结构可靠性鉴定同样以结构可靠性理论为基础。因而，已有建筑结构可靠性鉴定的发展有赖于结构可靠性理论的研究与发展。

1.1 结构可靠性理论

无论是拟建结构还是己有结构，它们均应满足以下的功能要求：

(1 )在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用;

(2 ) 在正常使用时具有良好的工作性能

(3 )在正常维护下具有足够的耐久性能;

(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。

按照目前公认的定义，结构可靠性是指结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。“规定时间”指结构未来的目标使用期，在结构设计中也称为设计使用年限，如:普通房屋和构筑物为50年【6,7】:“规定条件”一般指人类活动的限定条件，在拟建结构可靠度分析中，一般要求结构能够得到正常设计、施工、使用和维护，不考虑人为过失的影响;“预定功能”指上述四项功能，其中第‘1)、(4)项为安全性要求，第(2)项为适用性要求，第(3)项为耐久性要求，因此通常也认为结构可靠性包括安全性、适用性、耐久性三个方面内容。工程结构要求具有一定的可靠性，是因为建筑结构在设计、施工、使用过程具有种种影响结构安全、适用、耐久的不确定性。这些不确定性大致有以下方面:

(1) 事物随机性。指事件发生条件不充分，使得在条件与事件之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性，这种不确定性称为事件随机性，研究事物随机性问题的数学方法主要有概率论、数理统计和随机过程。

(2)事物模糊性。事件本身的概念是模糊的，即一个对象是否符合这个概念难以确定，也是说一个集合到底包含哪些事件是模糊的，而非明确的。研究和处理模糊性的数学方法主要是1965年美国自动控制专家L.A.Zadeh 教授创始的“模糊数学”【8,9,10】。(3)事物知识的不完善性。事物是由若干相互联系、作用的要素所构成的具有特定功能的有机整体。目前常将知识掌握的完善程度把事物(系统)分为白色系统(完全掌握其知识系统)、黑色系统(毫无知识系统)、灰色系统(部分掌握其知识系统)。对知识不完善性的描述还没有成熟的数学方法，目前只能按经验法引入经验参数判定.

1.2 已有建筑可靠性模糊评定

对已有建筑物维修、加固、改造之前，需要对建筑物进行可靠性分析、评价，为建筑物加固改造的技术决策和方案制定提供依据。建筑结构可靠性评价的对象是现实、特定的空间实体，可统计性差，影响因素多，其间的相互作用大。从信息角度看，它的不确定性及模糊信息较多。结构构件在工作状态下从有效到失效是渐变的，从完好工作到完全不能工作之间存在中介状态，即使对于“失效”也很难准确把握，尤其在正常使用极限

状态情况下，“失效”的概念往往是模糊的。同时，可靠性评价的综合性很强，涉及到地基、基础、上部承重构件、一般构件、围护系统等多种因素，不仅要考虑到主要因素与次要因素在结构可靠性评价中所占的权重不同，还应注意到这些因素还具有层次性，不同因素存在祸联性，个别因素对可靠性的影响具有一定的模糊性。因此，综合已有建筑可靠性评估特点，运用模糊数学模糊综合评判理论来评定现有建筑结构的可靠性不失为一种有效的方法。模糊综合评判法是模糊数学的一种具体应用方法，【11,12】1965年，美国加利福尼亚大学控制论专家Zadeh. L. A教授在《Information and Control》杂志上发表论文"FuzzyS ets"，标志着模糊数学的诞生，1974年，英国的曼尼教授 (E.H .Ma ndani) 率先将模糊逻辑应用到蒸汽发电机的压力和速度控制中[3610 Z D世纪BD年代初，C.B.Brown 和D.I.Blockeyp8l 最早开始从事模糊数学在工程中的应用研究，J.T. P. Yaoli成功地将模糊数学应用于震后结构破损和旧有结构性能评估的专家系统。近年来，国内外广泛开展了模糊数学在结构可靠度分析中应用的研究，并取得了一定成绩。模糊综合评判法用于结构可靠度分析，是将不确定的各种信息用定量的方法表示出来，再借助于模糊数学运算综合得到结构的评判对象的评判等级，而且可以得到其隶属于各个等级的具体情况等有用信息。本内容是基于模糊数学基本理论，探讨在役建筑结构的可靠性评价方法。

2、结构可靠度理论的应用现状及发展趋势

2.1 概述

可靠度理论在结构设计中的应用始于20世纪40年代，从美国学者爱眯弗劳腾脱(A．M．Freudenthal)发表题为《结构的安全度》论文开始到1954年苏联的尔然尼采(A．P．P)K a H 14 lII H)提出了一次=阶矩理论，这一时期是可靠度理论的基础阶段。【13,14】1969年美国学者柯涅尔(Cornell)提出了与结构失效概率

相联系的可靠指标作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，建立了结构安全度的二次矩模式。同时美国伊利诺大学洪华生(A．卅s．Ang)对各种结构不定性作了分析，提出了广义可靠度概率法．这一阶段是结构可靠度理论研究的大发展时期。1976年国际“结构安全度联合委员会”(JCSS)，采用“当量正态”的方

法来考虑随机变量实际分布的二阶矩模式。。至此，=阶矩模式的结构安全可靠度表达式与设计方法开始进入实际使用阶段。我国对结构可靠度理论的研究工作开展的较晚，20世纪60年代土木工程界曾广泛开展过结构安全度的研究与讨论：20世纪70年代把半经验半概率的方法用于结构设计规范中去，并于1980年提出《结构设计统一标准》。从此，结构可靠度理论的应用才在国内开展。工程结构设计方法经历丁不同的发展阶段。从最早的“容许应力法”，到“破损阶段设计法”．这一转变在结构设计方法的演变过程中起到非常重要的作用。园为破损阶段设计法确定构件的极限承载力时考虑了钢筋混凝土材料的塑性性能在内．【15】因而更符合材料的实际情况。我国在1955年制定的《钢筋混凝土结构设计暂行规范》中采取的就是破损阶段设计法方法。随后在破损阶段设计法进一步发展的基础上又提出了极限状态设计法。该法与现在使用的概率极限状态设计法有相同之处，但并非以概率的理论为基础。其中规定了三种极限状态(承载能力、变形、裂缝)．分别进行计算或验算。对于安