结构整体性评估方法研究

结构整体性评估方法研究摘要：土木工程与水利工程作为与人们的生活息息相关的两大工程，给人们带来很多福利，但同时，某些老旧的结构物存在一定的安全隐患，因此对其定期进行安全性评估是十分必要的。

其中，码头检测与评估是一门新兴的边缘学科，其整体性的评估方法还不完善，十分有研究的价值。

本文主要将前人对码头、桥梁、建筑以及大坝的评估方法进行总结与分析，以期待更好的显现结构整体性评估的全貌。

关键字：土木工程码头结构评估方法1.引言无论是发达的国家还是发展中的国家，结构的安全仍是二十一世纪的热点问题。

随着时间的流逝，长期暴露在自然环境下的结构物逐渐破损，这是一个不可逆转的过程。

大量解放前的老建筑，还在继续使用中，而且有些建筑物已经达到设计使用年限，这些潜伏的危害，如果不及时采取措施，将会酿成更大的事故。

对已有的老旧结构以及因某些事故而造成破坏的结构进行安全性评价鉴定已经关系到社会经济、安全和使用的重大问题。

此问题已经到了刻不容缓的地步。

近年来，不少学者对结构物的整体的评估方法进行了研究，主要是针对使用较多的码头、桥梁、建筑以及水利工程中较有代表性的大坝。

本文对这些成果进行梳理，以期对结构物评估方法有个更全面的了解。

2.结构整体性评估方法研究2.1码头建国以来，我国的国民经济突飞猛进，这与港口建设的发展有着不可分割的关系。

我国加入世贸组织后，对港口的需求量更是有增无减。

然而，在我国已建的港口码头建筑物中，大部分已经生产运营超过了十年甚至更多，这些码头在自然环境或某些事故中，不可避免的发生腐蚀、老化、过载、疲劳的等一系列损伤。

这些破损存在一定的安全隐患，如果不及时采取防治措施，将会带来难以想象的经济损失，甚至是人员伤亡。

与此同时，现役的港口码头已不能满足运输生产的要求，急需吞吐能力大的码头。

新建的码头能否与老旧码头协调满足整体承载力的要求是码头设计人员十分重视的环节。

因此，这些问题的解决就要对码头进行全面的评估，以保证对码头的现状的健康状态有个更全面的分析。

码头的评估主要是对其可靠性进行评估，包括安全性、使用性与耐久性评估。

依据《港口水工建筑物检测评估技术规范》[1]中规定，码头的安全性评估以目标为基础来确定分级界限，并将安全性等级分为A、B、C、D四个等级。

可靠指标β使用性评估按正常使用极限状态进行验算，评估分级以现行规范规定的现值与实测值或验算值的比值进行划分，划分的基本原则同安全性评估分级相似。

对水工结构建筑物耐久性的评估主要针对混凝土结构、钢结构因材料劣化造成的损伤程度，划分为不同的极限状态进行评估，并考虑维修难易程度进行评估分级。

《港口码头结构安全性检测与评估指南》[2]中规定，结构的安全性评估主要有以下步骤：划分评估单元、依据不同的码头结构型式确定验算项目并验算、码头安全性等级的确定等。

其中验算项目主要是计算结构的抗力与效应。

对码头的安全性评估分级应从基本单元、子单元和评估单元依次进行。

结构构件安全性评估应按下表规定分别验算个验算项目等级，取最低一级作为该构件安全性评估等级。

表1 结构构件安全性评估分级标准等级构件类别A B C D主要构件Rd /Sd≥1.00 0.95≤Rd/Sd＜1.00 0.90≤Rd/Sd＜0.95 Rd/Sd＜0.90一般构件Rd /Sd≥1.00 0.90≤Rd/Sd＜1.00 0.85≤Rd/Sd＜0.90 Rd/Sd＜0.85对结构的安全性而言，主要体现在结构构件承载力的安全性、结构的整体牢固和耐久性等。

混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致结构安全事故，日本土木工程协会混凝土结构委员会(1987)提出了混凝土结构耐久性设计方法[3]。

徐云清（1997）建立了老化病害混凝土水工建筑物耐久性多层次评估模型,提出了对混凝土耐久性的评估方法——劣化速度法与劣化度法[4]。

两种方法均用耐久性系数作为其分级标准，能够保证对同一个建筑在正常运性条件下不同时期进行评估时，其结果的一致性。

刘伯清（1997）采用C语言编程和相应的开发环境，研究开发出可在基本的原始信息输入后，自动进行评估并输出评估结果的计算机软件[5]，可对码头评估该具有整体的宏观认识。

竺存宏（2000）提出了用模糊数学理论对海港高桩码头的可靠度进行评估[6]，并结合工程实例，得出该方法对结构整体的综合评价与现场调查情况基本一致的结论。

该方法中最重要的是建立模糊数学评估模型，建立因素集与评判集，采用加权平均法确定各因素的权重。

基于层次分析法，对各类构件进行单层综合评估及码头结构整体双层评判，双层评判可按下述步骤：①将因素集U按某一属性分成S个子集；②对子集U i 进行综合评判，设相应的因素权集为A i,某单因素的评价矩阵为R i，则V i=A i· R i；③将每个子集U i作为一个元素，V i为其单因素评判，这样{U1、U2……U i}的评价矩阵为R={V1、V2、……}T,由于每个子集U i反映了U的某种属性，按其对结构整体可靠度的重要程度，给出权集A，于是有：V=A·R。

应用评判集可知整体的可靠度等级。

王广德、田双珠（2002）等人对目前码头评估的方法进行概括性的总结[7],主要有经验法、模糊评判法、概率计算法、控制断面计算法、振动诊断——模态分析法、基于知识的专家系统、人工神经网络法及综合评估法。

各种方法各有各个有的特色，但文中未深入研究每种方法的应用。

陈强、冯涛（2003）等人对高桩码头承载力“论证方法”进行探讨[8]，在“静态论证”与“实测参数论证”方法的基础上，用“动态论证”方法，强调现场原型整体“模拟加载”的试验观测。

朱崇诚（2003）基于可靠度理论，采用概率极限状态设计法，对码头极限状态进行评估[9]。

一般将评估体系分为四层，即系统可靠性、子系统可靠性、单元可靠性以及子单元可靠性。

基于概率极限状态评估法理论，码头损伤其失效概率加大，可理解为码头出现不安全行的可能性增大。

引入码头可靠性判别指标Z0，定义Z0=R／γ0S，其中γ0为结构重要安全系数，R、S分别为码头结构或构件的抗力和荷载作用效应。

根据可靠性判别指标Z0将码头实际技术状态分为四个等级，具体见下表。

表2 码头可靠性评估标准级别Z0 文字解释技术状态破损程度处理要求评估结构Ⅰ级Z0≥1.0 符合规范要求正常无破损不必采取措施继续使用Ⅱ级0.92＜Z0＜1.0略低于规范要求稍差轻微破损可不采取措施改善使用Ⅲ级0.87＜Z0＜0.92不符合规范要求较差较重损伤应采取措施限制使用Ⅳ级Z0＜0.87严重不符合规范要求极差严重破损必须及时或立刻采取措施停止使用徐秀娟(2009)运用灰色关联度为准则，对在役高桩码头的安全性及耐久性进行综合评估[10]。

该方法是在多层次评估模型的基础上，确定各个层次的初始权重，在用熵的性质对权重数修正，最后用表示结构或构件耐久性的灰色关联度R作为划分等级的标准。

孟静（2009）将影响高桩码头安全运行的因素有机的结合起来，利用Matlab软件编制出层次分析法计算程序确定各个部分的权重[11]，经过模糊运算得出评估结果。

将定量分析和定性分析相结合，在模糊环境下考虑多种因素的影响，提高了评估的准确性。

码头结构的安全性评估主要是对其构件承载力的评估。

古松（2009）将模糊数学与层次分析法相结合，将不确定因素系统化[12]，并利用模糊隶属函数把定性转化为定量，计算综合折减系数，并根据实测结果，来估算既有钢筋混凝土的承载力，从而对整体结构的安全性进行评估。

通过确定影响钢筋混凝土的影响因素，进行模糊评价得到模糊关系矩阵，采用层次分析法将各组成因素呈递阶层次两两对比，求解判断矩阵，从而确定各因素的相对权重，评估等级用承载力折减系数集表示，即{1.0,0.9,0.8,0.7}。

最终的综合承载力折减系数用模糊综合评估结果乘以折减系数集，将对结构物的实测结果计算得到的承载力乘以最终的折减系数作为现有承载力设计值。

孙熙平（2012）根据重力式码头的特点，结合有限元软件强大的后处理功能，采用建立有限元计算软件的模型对重力式码头进行安全性评估[13]。

该种方法是计算过程更加方便，计算结果更加精确。

重力式码头利用结构自身的重力，抵抗墙后土压力的荷载作用，其破损状况程度较轻。

根据近10年的检测资料显示，重力式码头的破损较少，只有3例。

板桩码头是利用打入地基中的板作为挡土墙，并在板桩墙后设置拉杆，并由锚定结构锚固。

但目前对板桩码头的检测评估的研究较少。

相比重力式和板桩式码头，高桩码头的受损较为严重，其属透空式结构，对波浪不发生反射，不影响泄洪，并可减少淤积，适用于软土地基。

因此高桩码头大量的运用在港口码头中，但该种结构型式的耐久性和对加载工艺的变化适应能力较差。

目前对高桩的码头的检测评估研究较多，经验法虽然精确性不高，但对预防某些事故的发生起着很大的作用。

传统的以可靠度为理论的极限状态评估方法依然运用较广泛。

模糊层次分析法较为大多数学者接受，其将定性与定量相结合，具有一定的可行性，但如何确定层次分析法中的权重系数方法很多，这就要求提出更简便的方法。

随着有限元软件的推广，基于振动的模态分析法、人工神经网络法将在码头的评估中发挥着更大的作用，随着各种评估方法的成熟，综合评估法将会越来越完善。

2.2 桥梁随着我国经济迅速发展，对交通运输的需求也不断增大。

而桥梁作为交通工具的枢纽，其重要性是不言而喻的。

各种形式、各类体系的跨河（江）大桥、高架桥、立交桥、人行桥等都为现代化都市文明增色添彩，对推动经济发展发挥着巨大的作用。

然而由于结构自然老化、车辆荷载增加以及不利环境的影响，部分既有桥梁结构不可避免的要出现各种病害，导致桥梁的承载力的降低。

近年来，国内外大桥出现断裂、坍塌的现象屡见不鲜，如果长期不采取措施的话，将会给交通安全带来很大的危害。

因此开展桥梁检测和评估的研究，对我国交通事业的发展有着十分重要的意义。

20 世纪80年代中期以来，国内外学者针对桥梁的安全性评价进行了广泛深入的研究，为桥梁交通事业做进一步的贡献。

根据我国《公路桥梁技术状况评定标准》[14]规定，公路桥梁技术状况评定采用综合评估法与单项指标相结合，先对各构件评定，在对部件或整体进行评定。

通过对桥梁总体的技术状态评分，根据计算的评分结果判断等级。

桥梁总体的技术状况评分按下式计算：Dr=DCI×WD +SPCI×Wsp+SBCI×WSBDr—桥梁总体技术状况评定；SPCI—桥梁上部结构技术状况评分；SBCI—桥梁下部结构技术状况评分；DCI —桥面系技术状况评定；WD—桥梁系在全桥中的权重，按规定取值；Wsp—上部结构在全桥中的权重，按规定取值；WSB—下部结构在全桥中的权重，按规定取值；表3 桥梁技术状况分类表技术状况等级技术评分状况1类2类3类4类5类Dr [95,100] [80,95) [60,80) [40,60) [0,40) 《公路桥涵养护规范》[15]中指出，全桥总体技术等级评定，宜采用考虑桥梁各部件权重的综合评定方法。