土木工程结构的安全性评估与研究

姜 华

(大同煤炭职业技术学院，山西 大同 037003)

0 引言

我国的建筑结构的设计规范必须考虑好土木工程结构的安全性、合理性和结构的稳固性等方面的问题。基于建筑结构的安全性进行评估和分析,建立了符合建筑安全标准的计算模型，以期对建筑结构的设计和施工提供指导。

以建筑安全性为基础条件的工程设计才是最佳的设计方案，在国内外提出的很多技术工程规范中也很明显地体现了这一点，只有优化的土木工程结构的安全设计思想，才可以有效提高建筑的安全系数,便于工程应用。

土木工程结构的安全性是当前很多建筑施工工程都需要考虑的问题。因此,对土木工程结构的安全性能进行监测和诊断,开展这方面的相关研究,逐步提高建筑施工的安全系数,将是土木工程结构学今后发展的一个重要方向。

1 土木工程结构安全性评估

土木工程结构的设计应使所设计的结构不仅仅是符合美观性的设计要求,与此同时也要满足下列的安全性评估的要求:首先该结构要能承载日常施工和使用的压力，避免建筑结构变形现象的发生;其次在供人类使用时结构必须具有强大的工作性能，当突发性的安全事故如地震、冰雹等发生时,结构必须保持原样或者其整体的外形不严重变样，只有这样才可以保证人身财产的安全。由此可见，土木结构的安全性评估工作是非常重要的一件事。

不同的土木工程结构,其安全性的程度也不同，这个需要工作人员进一步的鉴别。如果是大型复杂的土木工程结构，一般要用多元方法进行分析,例如土木结构的承载力一般都是被多种结构构件所影响的，所以当工作人员进行土木工程结构的安全性分析时,最好建立结构性的安全指数分析方程，以此来确定大型土木工程结构的安全性。

2 土木工程结构安全性评估与研究的应用

土木结构工程是以钢筋混凝土等建造材料为主的各种建筑工程。稳固的工程结构可以保证在相当长的时间内,无论是何种用途的建筑，都可以承受人群、车辆等造成的压力。土木工程结构安全性评估与研究的应用,不但影响工农业的生产,而且还常常与人类的人生安全挂钩,所以对土木工程结构提出安全可靠、实用、美观等技术要求是必然的趋势。

2.1 应用领域

土木工程结构安全性评估愈来愈成为重大建筑工程结构设计的一门重要技术,也愈来愈成为一种重要的工程化的研究手段。通过建立建筑结构安全性监测系统，再加以数据管理和分析,确定安全性原则，可以逐步应用与桥梁施工监控、建筑养护管理和成桥试验等相关的领域。

(1)桥梁施工监控。桥梁施工监控是对桥梁结构健康监测的一个重要的发展方向。实施桥梁的施工监测，为的是保障桥梁的安全运营,同时为桥梁的安全施工提供数据依据,与此同时，还可以大大节约桥梁的维修费用,减少桥梁安全事故的发生。

在监控系统的分析过程中,选择适合桥梁结构安全性检测的传感器绝对是一个关键性的问题，不过要经过仔细的分析之后尽量避免一些无线监测系统的信号线老化的问题，还有测量仪器的精度以及测量条件不明确等造成的误差。

(2)建筑养护管理。建筑养护管理工作首先应该考虑建筑系统的安全性和功能实用性,只有平衡好建筑的投入和产出效益，才可以更好地实施建筑的健康养护管理，其目的主要表现在结构监测与安全性评估、建筑结构设计与养护和建筑结构的研究与发展三个方面。目前的建筑养护管理的方法仅局限于建筑结构的随机变量不相关的情形,但是在实际的工程中,有些情况下变量是极有可能变动的,例如研究以重力为主要承载力的桥梁建筑的抗压力,就需要考虑其余变量之间的相关性，以此,建立随机变量相关性的结构方程，以便获得更可靠的分析数据。

建筑养护管理系统的创建，需要支持系统平稳运行的数据采集系统的支持，另外建筑建成后的安全监控系统也需要一定的资金投入，考虑好建筑的安全效益,即建筑养护管理系统的设计应该是一个协调好系统经济和安全性能的优化组合。

(3)成桥试验。由于桥梁结构安全性的很多不确定因素的存在，再加上复杂的工作环境可能会对桥梁的结构安全系数造成不良的影响,因此目前对于桥梁结构的安全性监测还需要进行成桥实验。在这个方面的应用,主要就是将完工的桥梁工程看成一个整体的结构,通过对这个结构进行安全性能的检测来判断整个系统的安全状态。

不过对于成桥实验的可行性以及桥梁安全健康状态的评价体系始终还是缺乏统一的标准,并且成桥实验比较难以反映某个局部的桥梁构件的不安全性，从而可能会对整个桥梁的建成造成不良的影响。

在基于成桥实验的检测方法中,最好还是要继续推广应用桥梁结构的量化参数评价系统。因为只有量化评价指标，一次来判断整个桥梁结构的安全程度才有一个可靠的保证,这样就要求测得的安全指数要建立在科学的实验基础上,并且能够准确地表示出建筑结构的安全性量化指标,很好地反映建筑结构的健康状况[1～4]。

2.2 存在的问题

纵观土木工程结构安全性评估的发展,安全性的技术理论方面虽然有所进展，但正如前所述,建筑结构的安全具有很多的不确定性，并且受到了来自各种环境的复杂影响,有的甚至还缺乏一个统一的技术规范，为了使得安全性的评估技术可以在建筑工程的实践应用得到更好的推广，需要对土木工程结构的设计、施工、使用以及维修等方面均进行可靠性的技术评估。目前看来，该技术主要有以下几个尚待解决的问题:

(1)混凝土的分析设施不完善。对于破坏程度较大或使用年限较长的建筑混凝土,要求在可评估的范围内获取可靠的性能分析数据，并且以此来构建模型分析的数学表达式,这显得异常困难。因为不仅仅是分析设施的结构条件不完善，还有就是数据分析方法的选择不当，导致以此所建立的混凝土构件安全性的评估模型不正确,得出的结论自然是不可以使用的。

在混凝土的使用环境及结构材料等等的内部因素的综合作用下,如果混凝土的分析设施不加以改进，结构性能就会逐步趋向于劣化,后期只能通过技术维修来延长混凝土的老化结构的使用寿命,由此可见，完善混凝土的分析设施是必不可少的。只有当混凝土的结构不存在技术错误时,才可以逐步地提高其稳定性，再进一步避免结构的性能劣化。

(2)设计方案缺乏可操作性。由于建筑施工过程中建筑结构的形状、混凝土材料的选择以及施工条件等等均具有随机性，所以在施工方案的设计上面，必须先准确分析建筑设计方案的合理性才能加以实施。

除随机性外,影响安全性的因素还存在变动性,如混凝土结构的强度变化在各种条件下就是模糊的,不代表是完全可信的数据，应用合理的方案设计方法,提出结构安全性的统一模型,同时考虑好影响因素的随机性和变动性,这是目前需要解决的问题根源。然而在设备的诊断系统中，一些技术性的问题经常会导致检测失去可操作性，从而进一步使得结果很不准确。设计出一个易操作的技术方案将成为未来发展的重点。

(3)灾害预防作用少。一旦灾害发生了，建筑的不良影响作用显得非常麻烦。灾害诊断作为土木基础设施系统管理的一部分,越来越受到人们的重视。但是，有关于建筑结构应用于灾害的预防上面，这些都是亟待解决的问题。灾难预防工作除了要准备好应付各种突如其来的自然灾害,也应该确保在灾害过后的一段时间内土木结构设施的完整性,对此我们也应该认识到开展土木工程结构对于预防灾害作用的研究的必要性。与此同时，相关的技术人员也应该提出土木工程结构加固后的安全性的技术指标,分析现行建筑的技术规范所存在的问题，为今后灾害预防方向发展提供科学性的参考[5～6]。

3 结语

土木工程结构的安全性评估是以与国民经济息息相关的土木结构建设为基础的,它一直是设计者非常关注的问题,关系到建筑的安全与经济效益的协调,并与国家未来的经济发展息息相关,是一个复杂的系统工程问题，未来主要以建筑结构的设计、使用和评估等等几个阶段为主要路线,系统将试验所得到的土木工程的结构安全性与耐久性的研究成果继续投入实施，逐步提高我国土木工程结构的实用性以及安全性价值。

参考文献:

[1]谢强,薛松涛.土木工程结构健康监测的研究现状与进展[R].中国科学基金,2001,(5):285～288.

[2]Housner G.W. et al. Structural Control: Past, Present, and Future[J].ASCE, Journal of Engineering Mechanics,1997,123(9):897～971.

[3]Stephanie A. et al. Computational Study on Plate Damage Identification[R].NDEfor Health Monitoring and Diagnostics, San Diego,2002,4702～4717.

[4]Sohn H. et al. Consideration of Environment and Operational Variability for Damage Diagnosis[R].Smart tructures and Materials, San Diego, 2002,4696～4712.

[5]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M].大连:大连理工大学出版社,1996.

[6]GB50153—92,工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1992.