已有结构可靠性评估问题研究

刘 艳

1 概述

在役结构可靠性理论是在20世纪70年代发达国家的建筑维修业迅速发展的背景下产生和发展的。我国在此方面的研究最早始于20世纪80年代。我国的建筑结构可靠性鉴定的研究是从处理建筑物事故开始的，1990年，中国工程建设标准化协会成立了“全国建筑物鉴定与加固技术委员会”，现在国家科委已经把“建筑物鉴定和维修加固”列为国家重大科研项目。美国、欧洲、日本及澳大利亚等国家和地区已经成立了相当多的在役建筑结构可靠性鉴定公司。我国在这方面与国外有相当的差距，但是近年我国内地也有相当的结构可靠性鉴定和加工方面的专业公司相继成立，这使得我国在现役建筑结构可靠性鉴定和加固方面慢慢缩小与国外尤其是发达国家的差距。

2 建筑物可靠性鉴定的程序及方法

在役建筑结构的可靠性鉴定一般遵循如图1所示的框图程序。

2.1 传统经验法

由有经验的专家通过现场观察和简单的计算分析，以原设计规范为依据，根据个人专业知识和工程经验直接对建筑物的可靠性做出评价。该法鉴定程序简单，但由于受检测技术和计算工具的制约，鉴定人员难以获得较准确和完备的数据和资料，也难以对结构的性能和状态做出全面的分析，因此评判过程缺乏系统性，对建筑物可靠性水平的判断带有较大的主观性，鉴定结论往往因人而异，而工程处理方案多数偏于保守，造成浪费。

2.2 实用鉴定法

该方法应用各种检测手段对建筑物及其环境进行周密的调查、检查和测试，应用计算机技术及其他相关技术和方法分析建筑物的性能和状态，全面分析建筑物存在问题的原因，以现行标准规范为基准，按照统一的鉴定程序和标准，从安全性、适用性多方面综合评定建筑物的可靠性水平。与传统经验法相比，该法鉴定程序科学，对建筑物性能和状态的认识较准确和全面，具有合理、统一的评定标准，而且鉴定工作主要由专门的技术机构承担。

2.3 可靠性鉴定法

实用性鉴定法虽然较传统法有较大的突破，评价的结论比传统经验法更接近实际，但是由于在现役建筑结构的效应 S、结构抗力R等影响建筑物的诸因素实际上都是随机变量甚至随机过程，采用现有规程进行应力计算、结构分析均属于定值法的范围，用定值法的定值来估计在役建筑结构的随机过程，采用现有规程进行应力计算、结构分析均属于定值法的范围，用定值法的定值来估计在役建筑结构的随机变量的不确定性的影响，显然不合理。

3 在役建筑结构可靠性理论

3.1 在役建筑结构可靠性理论的发展研究

在役建筑结构可靠性鉴定是在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。在役建筑结构可靠性评估即研究建筑结构使用期的结构可靠性。

3.2 结构可靠性理论

结构可靠度的研究始于20世纪30年代，当时主要是围绕飞机失效进行研究。结构动力可靠度的研究以20世纪40年代美国S.O.Rice首次建立在给定时间内交差次数期望的数学表达式为标志。

结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的特性。结构可靠性的测度是结构可靠度。结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。运用概率理论处理结构静力作用时的可靠度可划分为三个水准:水准一:分别在荷载效应S和结构抗力R的基础上考虑概率原则，主要根据经验确定安全系数。这种方法称为半概率法。水准二:将极限状态函数中有关荷载效应 S和结构抗力R的基本变量视为随机变量，考虑两者的联合分布，以此建立与结构失效概率有内在联系的安全指标作为衡量结构安全度的尺度。水准三:对各随机变量分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述，对整个结构体系进行精确概率分析，使其具有最大的可靠度。这种方法称为全概率法。

3.3 在役建筑结构可靠性理论

在役建筑结构可靠性是指在役建筑结构在正常使用条件下和预定的使用期限内满足建筑结构规定的功能要求。在役建筑结构可靠性的评价是由在役建筑结构的可靠度来衡量的。在役建筑结构的可靠度是指在役建筑结构在正常使用条件下和预定的使用期限内完成的规定概率。一个建筑物从施工建造到投入使用，再到使用若干年后，性能逐渐退化，进入年期，经历了一个类似人的生命历程，那就是幼年期、中年期和老年期。在施工建造期(幼年期)，失效的风险率大;到使用期(中年期或壮年期)，失效风险率降低;到老化期(老年期)，失效风险率又逐渐提高，如果经过维修加固等措施，失效风险率又会有所下降。结构失效概率与时间过程的关系见图2，因其形似浴盆，称之为“浴盆曲线”。

对在役建筑结构进行可靠性评估，就是根据结构当前的状况，如混凝土强度、钢筋锈蚀情况，来推断结构的剩余承载力或剩余使用寿命，以决定结构能否继续使用或是否需要维护、加固。在役建筑结构可靠性评估研究的主要内容是如何将整体结构划分为不同层次的子结构，以及如何将从最低层次的子结构获得的信息，合理、准确地反映到最高层次的整体结构，以供决策使用。

上面论述的是在役建筑结构可靠性评估的常规方法，在应用常规的评估方法评估时存在困难或分析结果不可信时，可进行结构荷载检验。美国早在20世纪初就在这方面做过一些研究，1967年美国混凝土学会AC1437分委员会在其“已有结构的强度评估”报告中，包括了结构荷载检验的内容，之后，美国混凝土学会把荷载检验的内容纳入1971年以后的美国混凝土规范。在进行了长达8年的研究之后，美国实验与材料协会(ASTM)1975年发表了“建筑结构荷载检验指南”。英国在20世纪70年代末也对结构荷载检验问题做过广泛的讨论。

4 在役建筑结构可靠性评估准则

1)在役建筑结构的抗力问题。在役建筑结构的结构抗力效应比拟建建筑结构有所下降，这是其抗力效应与拟建建筑结构的最大区别。结构的抗力随时间的变化是一个不可逆过程，在有些情况下结构抗力会随时间而增长。但大多数情况下，由于外界环境的作用，结构抗力在降低。

2)在役建筑结构的荷载问题。对于在役建筑结构而言，荷载的概率模型应根据已有信息的变化而转换成更适应实际的形式。一些原先设计时按随机变量考虑的永久荷载可按确定性的永久荷载来考虑;而一些原设计时不按永久荷载来考虑的荷载可按永久荷载，甚至是确定性的永久荷载来考虑。如设备、仪器、管道的自重，设计时缺乏它们的具体信息及未来多长时间里更换、改造等，一般在设计时按可变荷载考虑;而对于在役建筑物而言，如果已知荷载信息及根据当前信息可对未来情况加以预测和控制，则可在未来不长的目标期(T′)内直接按确定性的永久荷载处理。

5 结语

从研究建筑业的发展入手，突出了进行在役建筑结构可靠性评估技术研究的必要性。简明扼要地介绍了进行在役建筑结构可靠性评估的发展和意义及在役建筑结构加固的目的、要求与方法。

[1] GB 50292-1999，民用建筑可靠性鉴定标准[S].

[2] GB 50068-2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[3] 张爱林.基于功能可靠度的结构全寿命设计理论研究综述[J].北京工业大学学报，2000(9):20-22.

[4] 张爱林，赵国藩，王光远.现役结构可靠性评定研究述评[J].北京工业大学学报，1998(6):80-82.

[5] 王晓鸣，李桂青.既有住宅的可靠性分析与评价[J].武汉工业大学学报，1999(6):10-13.

[6] 欧进萍，侯钢领.建筑结构设计可靠度的影响因素与比较研究[J].建筑科学，1999(5):7-9.