砌體結構可靠度等級評定

1、I摘 要在建筑物的維修改造過程中，首先要解決的問題是對已有建筑物進行可靠度等級評定。長期以來，結構可靠度評定一直只是采用傳統(tǒng)經(jīng)驗法。本文結合工程的實際需要， 綜合運用砌體結構基本理論、結構可靠度理論、模糊數(shù)學、可拓學理論、層次分析法等基本 方法，對已有砌體結構房屋的可靠度等級評定問題進行了深入的研究，提出了兩套有理論依 據(jù)的實用評定方法。結構的可靠度評定包括安全性評定與正常使用性評定兩部分，本文的研 究以安全性評定為主。本文共五章，主要研究內(nèi)容概述如下：第一章緒論，闡述了本課題 研究的目的和意義，回顧了結構可靠度研究的發(fā)展歷程，對結構的可靠度計算和可靠度評估 的國內(nèi)外研究發(fā)展水平作出綜述，對目

2、前的砌體結構可靠度計算和可靠度評估的必要性及其 重要意義、常用方法和存在的一些問題進行總結、分析和歸納，確定了本文的研究內(nèi)容和具 體目標。第二章首先介紹了模糊數(shù)學綜合評判方法的建模原理，探討了幾種常用的模糊數(shù) 學模型并具體分析了各自的特點及適用范圍，在此基礎上確定了適合砌體房屋可靠度評價的 數(shù)學模型；用層次分析法確定了影響砌體結構可靠度各種因素的權重向量；建立以構件可靠 度分析與房屋整體結構可靠度模糊綜合評判相結合的可靠度評定方法的框架，提出模糊綜合 評判的可靠度評定方法。第三章通過分析可拓學的基本理論確定了適合砌體結構房屋可 靠度評判的數(shù)學模型，緊接著引入改進的層次分析法來確定權重向量，并對

3、傳統(tǒng)的物元模型 進行改進，然后再分別通過分析一二三等級的評判模型來建立砌體結構可靠度評定的可拓綜 合評判模型框架。第四章以一個具體的砌體結構住宅為例，分別通過現(xiàn)行規(guī)范法、模糊綜 合評判法和可拓綜合評判法對其進行可靠度評判，最后對其評判結果進行比較分析，驗證了 兩種新方法的正確性和可行性。第五章對本文的研究成果進行了總結，并指出了需要進一 步研究的問題。關鍵詞：砌體結構，可靠度，模糊數(shù)學，可拓學第1章緒論1第1章 緒 論1.1引言建筑結構的可靠性是指結構在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預定功能的能力1。如何對已有建筑物進行可靠性鑒定，一 直是建筑物維修改造中首先要解決的問題。無論是做增層改造，還

4、是維修加固，對已有結構 進行可靠性的鑒定都是一個不可缺少的前提工作。并且，在一些自然災害（如：地震、火災、 強風、爆炸等）過后，出現(xiàn)了影響結構正常使用的情況時，也需要對結構進行可靠性的鑒定， 以便提出加固和維修的方案。或者是由于設計和施工等原因而造成的結構缺陷，同樣在采取 補強和加固措施前，也要對其進行可靠性鑒定。再者，隨著建筑業(yè)逐步走向市場，對于建筑 物的事故勘察工作日趨重要，無論是開發(fā)商與使用者關于質(zhì)量的糾紛，還是房屋的投保與理 賠，以及房屋產(chǎn)權的轉(zhuǎn)移，都需要對結構進行可靠性鑒定。砌體結構在我國有著悠久的 歷史，是我國目前使用最多最普遍的一種結構。建國以來，我國的砌體結構得到了迅速的發(fā) 展

5、，取得了顯著的成績。據(jù)統(tǒng)計，目前我國90%以上的墻體采用砌體材料。與鋼結構、 鋼筋混凝土結構相比，砌體結構雖然具有造價低、施工簡便、保溫隔熱性能及耐火性能良好 等優(yōu)點，但砌體材料強度較低，變異較大，結構的整體性、抗震性均較差。當?shù)鼗a(chǎn)生不均 勻沉降或有溫度變形時，極易產(chǎn)生各種裂縫。對已有砌體結構房屋進行定期或應急的可靠性 鑒定，及時采取維護措施，可消除隱患，延長房屋的使用壽命，對確保房屋安全性，充分發(fā) 揮房屋的經(jīng)濟效益具有重要作用3?；窘ㄔO的發(fā)展一般經(jīng)歷三個階段，第一階段以新建為主，第二階段新建與維修改造并重，第三階段維修為主，新建為輔。目前，我國的建設 正處于新區(qū)開發(fā)和舊城改造相結合的發(fā)展

6、階段，并正向以舊城改造為主的第三階段邁進，改 造的對象主要是在我國已有的、量大面廣的多層砌體結構房屋，所以在這一過程中，已有砌 體結構房屋的可靠性鑒定與加固任務就顯得非常重要。對這些已有的砌體結構房屋進行可靠 性評定，目前尚無科學的、客觀的、完善的、簡單易行的方法。因此，建立一套已有砌體結 構房屋可靠性鑒定方法具有重要的理論意義和實際意義。 本文研究的目的是為正確鑒定 已有砌體結構房屋的可靠性，提出一些有理論依據(jù)的實用評定方法。砌體結構可靠性評定理 論與方法是涉及土木工程與數(shù)學兩大學科的重大研究課題，內(nèi)容豐富而復雜，該課題不僅具 有重大的理論意義，而且有著廣泛的工程應用前景。該理論的發(fā)展與完善

7、將為建筑結構的科 學管理和控制提供的依據(jù)，使砌體結構在我國現(xiàn)代化經(jīng)濟建設中更充分地發(fā)揮作用。所以研 究科學合理的評定方法來正確評定已有房屋的可靠性，對保證已有房屋繼續(xù)安全使用和挖潛 利用房屋資源具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。第1章緒論1. 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展1.2.1結構可靠性理論發(fā)展概述 以上世紀初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計學應用于結構安全度分析為標志，結構可靠性理論至今大 約有7 0至8 0年的發(fā)展歷史。本世紀4 0年代以前只有少數(shù)學者從事這方面的研究 工作。如60：1911年，匈牙利布達佩斯的卡欽奇（）就提出用統(tǒng)計數(shù)學的方法研究 荷載及材料強度。最早提出應用概率論進行結構安全度分析的學者

8、之一的德國的邁耶（H.Mayer），于 1 9 2 6年提出了基于隨機變量均值和方差的設計方法。在3 0年代， 主要是圍繞飛機失效進行可靠度的研究。第二次世界大戰(zhàn)中，德國曾用可靠度方法分析過火 箭，美國也對B-29飛機進行過可靠度分析。1935年斯特列律茨基（.C），1947年爾然 尼欽（.）和蘇拉（.）等人相繼發(fā)表了文章59,結構安全度的研究逐漸開始進入到應用 概率論和數(shù)理統(tǒng)計學的階段。50年代開始，美國國防部專門建立了可靠度研究機構（AGREE），對一系列可靠度問題進行研究，促進了空間研究計劃?？煽慷仍诮Y構設計中 的應用大約是從40年代開始。1946年，弗羅伊詹特（A.M.Freude）發(fā)

9、表題為結構的安 全度4的論文，開始較為集中地討論這個問題。同期，前蘇聯(lián)的爾然尼欽提出了一次二階 矩理論的基本概念和計算結構失效概率的方法及對應的可靠指標公式。但那時以及從那以后 的研究還局限于古典可靠度理論，設計中隨機變量完全為其均值和標準差所確定。顯然，這 只有在隨機變量都是正態(tài)分布的條件下才是精確的。美國柯涅爾C.A.Cornell在爾然尼欽工 作的基礎上，于1969年提出了與結構失效概率相聯(lián)系的可靠指標0作為衡量結構安全度 的一種統(tǒng)一數(shù)量指標，并建立了結構安全度的二階矩模式 5。 1971年加拿大的林德（N.C.Lind）對這種模式采用分離函數(shù)方式，將可靠指標0表達成設計人員習慣采用的分

10、 項系數(shù)形式。這些進程都加速了結構可靠度方法的實用化 6。美國伊利諾斯大學洪華生（A.H.S.Ang）在結構可靠度研究方面有較大的貢獻：他對各種結構不定性作了分析，提出 了廣義可靠度概率法；他同鄧漢忠（W.H.Tang）合寫的工程規(guī)劃和設計中的概率概念 一書在世界上已廣為應用；他正致力于結構體系的可靠度研究工作。1976年，國際“結構安 全度聯(lián)合委員會”（JCSS）采用拉克維茨（Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler）等人提出的通 過“當量正態(tài)”的方法以考慮隨機變量實際分布的二階矩模式，這對提高二階矩模式的精度意 義極大。至此，二階矩模式的結構可靠度表達式與設計方法開始進入實用階段。

11、我國從50 年代開始，有關高等院校和科研單位開展了極限狀態(tài)法的研究和討論，用數(shù)理統(tǒng)計方法研究 荷載、材料強度的概率分布，確定超載系數(shù)及材料強度均質(zhì)系數(shù)。60年代初，組織了航空 及機械方面的可靠性研究隊伍。在工程結構方面，以中國土木工程學會為主，廣泛開展過安 全度問題的討論，當時的土木工程學報發(fā)表過不少這方面的論文，這些成果已部分納入 了 60年代初頒布的結構設計規(guī)范中。70年代，我國在制訂工業(yè)與民用建筑設計規(guī)范以及 公路橋梁和鐵路橋梁、水利水電工碩士研究生學位論文第1章 緒論3程、港口工程等設 計規(guī)范時，也對結構安全度問題做了大量的調(diào)查研究工作，基本上采用了多系數(shù)分析、單系 數(shù)表達的容許應力法

12、，屬半經(jīng)驗半概率的極限狀態(tài)法設計范疇。這雖然比以往的規(guī)范有不少 改進和提高，但仍存在不少問題，例如：各種材料的設計表達式不統(tǒng)一，缺乏明確的可靠度 定義，各類構件的可靠度水準不一致等。其中比較突出而急需解決的問題有兩個：一是改進 結構可靠度的分析方法和表達式；二是使各類結構的設計準則統(tǒng)一化。在這種情況下，建 筑結構設計統(tǒng)一標準和鐵路工程結構設計統(tǒng)一標準及其它一系列的部門標準也相繼出 臺，這些統(tǒng)一標準的共同特點是，采用了國際上正在發(fā)展和推行的以概率論為基礎的極限狀 態(tài)設計方法，統(tǒng)一了各類結構設計的基本原則，明確了結構的可靠指標，規(guī)定了適于各種材 料結構的可靠度分析和質(zhì)量控制與驗收標準。進入80年代

13、以后，對于復雜的結構系統(tǒng)可 靠度分析和計算方法有了蓬勃的發(fā)展。結構系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經(jīng)成為結構工程中 的熱點，并己經(jīng)出版了許多的專著。Hohenbichler和Rackwitz7提出了結構系統(tǒng)可靠度分析 的一階矩概念。Calambos8采用系統(tǒng)系數(shù)，針對結構各種破壞水平所對應的極限狀態(tài)不同， 提出了系統(tǒng)可靠度分析和結構設計方法。A. Karamchandani and C.A. Comell及 Melchers， Yaacob Ibrahime及等人采用重要抽樣技術，利用蒙特卡洛(MonteCarlo)法計算結構系 統(tǒng)可靠度9。李云貴、趙國藩55給出了一種新的結構系統(tǒng)可靠度的點值估算方

14、法。E. Vanmarcke、吳媚玲分別研究了利用隨機有限元法和隨機邊界元法分析結構系統(tǒng)可靠度 問題10ol.2.2在役結構的可靠度評估綜述為了在結構可靠性鑒定中引入現(xiàn)代理 論的概念和實用的計算方法，許多學者做了大量的工作。1981年，Hart和Fitzsimons 1 1 1 2 等提出了應用可靠指標來評估結構損壞的可靠性分析方法。1990年，王光遠院士提出并建 立了結構服役期間的動態(tài)可靠度分析和在役結構強度儲備評估方法。1991年，趙國藩院士 提出了在役結構在剩余壽命內(nèi)荷載及荷載效應的統(tǒng)計分析方法。19921996年，歐進萍、 杜修力、牛狄濤等人研究了結構概率損傷理論及構件抗力衰減規(guī)律。1

15、994年，張愛林等人 對在役石油井架的可靠性進行了研究1 3。1996年Ajay Singha和Anne S. K iremidjian 利用非線性動力分析，研究了框架結構在地震下的損傷評價方法。目前，國內(nèi)外對房屋可 靠性鑒定的方法主要分為：傳統(tǒng)經(jīng)驗法、實用鑒定法和概率鑒定法3。(1)傳統(tǒng)經(jīng)驗法是習慣采用的鑒定方法。長期以來，在役建筑結構可靠性鑒定，一直是依賴有經(jīng)驗的設計人 員進行現(xiàn)場目測檢查和必要的結構驗算，憑借其個人的知識和經(jīng)驗作出評價和處理，這就是 最初的“傳統(tǒng)經(jīng)驗法”。這種方法過多的依賴個人經(jīng)驗，缺乏一套科學的評估程序和現(xiàn)代測試 技術，因此鑒定結果具有很大的隨機性和主觀性。但是，由于這

16、一方法比較簡單、節(jié)約時間 和鑒定費用，至今仍廣泛采用。(2)實用鑒定法是在傳統(tǒng)經(jīng)驗法的基礎上發(fā)展起來的，它克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗法的缺點，4第1章緒論碩士研究生學位論文利用現(xiàn)代檢測手段和測 試技術，運用數(shù)學和數(shù)理統(tǒng)計理論，通過專家組全面分析已有建筑損傷的原因，列出明確的 調(diào)查項目，一般經(jīng)過數(shù)次調(diào)查，并結合結構計算或檢測結果，經(jīng)逐項評估后，綜合得出較為 完整準確的鑒定結論。該方法非常強調(diào)個人和集體的雙重作用，利用現(xiàn)代檢測技術獲取各種 結構信息。(3)概率鑒定法是把影響房屋結構可靠性的因素，如外部荷載或作用使得結構 產(chǎn)生效應S和結構本身的抗力R等作為隨機變量來考慮，按照概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法， 通過計算結構

17、的可靠概率或失效概率來對房屋的可靠性進行鑒定。國內(nèi)外的許多專家和學 者從事著房屋可靠性鑒定方法的研究。中國建筑科學研究院的趙鵬飛1 4在校核原有規(guī)范 可靠指標的基礎上，分別研究了實際在役構件的受荷特點和抗力特點，提出了一種在役 鋼筋混凝土結構構件的可靠指標求法。鄭州工學院的李清富和劉晨輝在引入“主觀概率”的 基礎上，對現(xiàn)有結構的破損狀況進行了概率估計；建議了兩種確定結構破損指標概率分布的 方法，近似的估計現(xiàn)有結構正常使用可靠度等問題1 5。但是，文獻在分析過程中只考慮 了各個影響因素之間相互獨立的情況，而在實際工程中，各個因素之間常常會存在著相互影 響，如對于受彎構件，變形越大，則裂縫的寬度往

18、往也越寬等等。在實際工程中卻很難找到 這樣一個結構，其各個構件之間的相互作用是完全獨立的或者是造成其結構失效的各種影響 因素之間也是相互獨立的。冶金部安全環(huán)保研究院的趙挺生探討了現(xiàn)存結構可靠性評價的 極限狀態(tài)方法，提出利用荷載水平方法對現(xiàn)存結構構件進行可靠性評價16。山東建筑工 程學院的徐茂波和清華大學的李惠明、劉西拉提出的根據(jù)結構體系中構件的不同作用，將構 件分為直接構件和間接構件，在此基礎上提出了結構功能指標法和分級評價法1 7。需要 指出的是，此方法目前還不完善，關鍵問題仍然是失效模式的確定以及不同失效事件之間的 相關性處理。同濟大學的張譽、李立樹提出了一種改進的三級模糊綜合評判方法。用類比 法對非定量因素定量化，建立隸屬函數(shù)；用層次分析法確定因素權重；用加權平均模型作為綜合評判模型；用非對稱貼近度劃分房屋質(zhì)量等級1 8。使用此方法確實可以比較簡單快速的評判出房屋的質(zhì)量等級，但是，如果需要明確的知道房屋的可靠度，則并不是輕而易舉 的，這需要建立一套從質(zhì)量等級到可靠度指標的計算公式。目前還沒有發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外有相關的 研究資料。上海市政工程設計研究院的王恒棟、王大齡和葛春輝等人結合現(xiàn)役建筑結構評 估的實際背景，利用經(jīng)典數(shù)學理論中的最小二乘法確立了多目標權重分配方法以及多人評估 水平權重分配方法，建立了加權平均型多目標多人現(xiàn)役建筑結構性能評估的新方法2。上 海建筑設