影响大型复杂机械钢结构系统可靠性的因素评价分析

（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

影响大型复杂机械钢结构系统可靠性的因素评价分析

朱 磊

（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

目前，钢结构系统已被广泛应用到国民经济发展领域，其属系统的关键承载受力部分。本文围绕大型复杂钢结构系统展开论述，以期探索出更适用的现代方法来分析大型复杂房结构系统的可靠性。

钢结构系统；失效准则；可靠性

一、钢结构系统失效准则判定的影响因素

结构系统失效是指结构系统并未遵循设计要求来实施或完成既定的功能，但需注意并非所有的结构失效定义均相同，即结构系统可靠性的分析要求坚持“具体结构具体定义”的原则。目前，多数工程结构属大型复杂结构系统，而结构系统失效主要涉及三种情况，即结构已失效单元数目达到特定值，此时结构转换成机构；结构已失效单元数目达到特定值，此时从规范或者经验角度可判定该结构难以承载所加外载；结构整体承载能力或者结构整体失效初次呈下降趋势。就立体车库钢结构而言，若立柱与载车板支撑悬臂梁的相交刚节点转换成铰节点，那么便可判定结构系统的使用性能失效，而连接此类节点的单元统称关键单元或者关键元，可见立体车库钢结构失效原则可从两大方面进行判定，即立体车库钢结构的立柱与载车板支撑悬臂梁相交刚节点转换成铰节点；立体车库钢结构的某完全失效路径达到特定长度，若上述两方面的关系取“或者”，即两方面不同时成立，那么该系统失效。

本章节以三层、六层立体车库钢结构系统为例，试图采用RAPS（可靠性分析软件）来对钢结构系统失效准则判定的影响因素进行评价分析。若CAP（约界参数）取0.95，那么面对失效单元没有达到关键单元的情况，六层立体车库钢结构失效路径的长度最大可取8，此时系统转换成机构，此外三层立体车库失效路径的长度最大可取4。从理论角度而言，六层钢结构的复杂性较三层钢结构更明显，同时六层钢结构的冗余度也较三层钢结构更高，如此六层钢结构失效的可能性便更小，所以六层钢结构的失效路径应更长些。就三层立体车库钢结构而言，若CAP取0.95，那么失效路径允许取4，但若此时CAP取0.92，那么单元刚度矩阵元素主对角元素归零，另外若此时失效路径取3，那么分析结果完全正常。若CAP取0.88，失效路径取3，注意有限元计算前需进行释放约束处理，那么单刚矩阵主对角元素再次归零，此时若调小失效路径，那么分析记过也再次恢复正常。由此可见，若CAP取小，那么失效模式的数量必定增加，如此失效单元的数目及释放约束的单元也有所增加，此外结构系统也更有可能转换成机构。

综上所述，三层立体车库钢结构的CAP取0.95，那么失效路径取4； CAP取0.92，那么失效路径取3；六层立体车库钢结构的CAP取0.95，那么失效路径取8；CAP取0.92，那么失效路径取7，可见CAP的取值与失效路径的长度间存有关系，即失效路径的长度随着CAP的取值的增大而变大。

二、钢结构系统可靠性分析计算结果的影响因素

本章节以六层立体车库钢结构系统为例，分别分析失效路径的长度、约界参数CAP对钢结构可靠性的影响。

（一）失效路径的长度对钢结构可靠性的影响

针对六层立体车库钢结构系统而言，若CAP取0.98、失效路径取6，那么结构可靠性的部分分析结果如下：失效路径75→54→53→71→67→79、模式失效概率3.30336214532378E-05；失效路径75→54→53→71→79→47、模式失效概率3.30336214532378E-05。若失效路径更换成8，那么结构系统势必转换成机构。若失效路径取7、CAP取0.98，那么结构可靠性的部分分析结果如下：失效路径75→54→53→71→67→79→47、模式失效概率3.30127635287392E-05；失效路径75→54→53→71→67→79-→48、模式失效概率3.30127635287392E-05。结合上述分析结果可知，若失效模式数及系统的失效概率均随着失效路径取值的增大而减少，可见失效路径势必影响着系统的失效概率，因此针对六层立体车库钢结构而言，若CAP取0.98，那么失效路径应取7。

（二）约界参数CAP对钢结构可靠性的影响

针对六层立体车库钢结构而言，若CAP取0.95，那么结构系统可靠性的部分分析结果如下：失效路径67→48→47→71→53→54、模式失效概率3.30336215397242E-05；失效路径67→48→47→71→79→54、模式失效概率 3.30336215397242E-05。与CAP取0.98、失效路径取6的情况相比较可知，结构系统的失效概率随着约界参数CAP取值的增大而减小，同时结构系统的可靠性呈增大趋势。若相关条件不发生变化，那么结构可靠性的分析要求CAP视精度的要求进行取值。但需注意，CAP是指失效元的选择范围，因此研究对象的不同决定着所取数值亦不同，其中CAP的取值必须合理，以免取值过大或过小对分析结果造成不良影响。

结语

综上所述，针对大型复杂钢结构系统的可靠性而言，必须根据工程结构的实际情况选用适宜的分析计算方法，以确保分析计算结果的精准性。本文主要从钢结构系统失效准则判定及钢结构系统可靠性分析计算结果两方面分析了大型复杂机械钢结构系统可靠性的影响因素。研究表明，针对相同的结构，不同的约界参数CAP势必导致结构系统的失效模式有所不同，但针对相同约界参数CAP、不同结构参数的情况，其所对应的主要失效模式势必存有较大差异，同时若结构层数变大，主要失效模式数也随之增大。

[1]杨瑞刚，徐格宁，吕明，等.基于未确知信息的复杂结构能度可靠性分析[J].中国机械工程，2008，19（21）:2577-2581. [2]杨瑞刚，徐格宁.大型钢结构系统失效模式和失效准则的影响因素分析[J].起重运输机械，2008（03）:65-68.

[3]杨瑞刚，徐格宁.基于神经网络方法模拟的立体车库钢结构系统失效概率分析[J].建筑机械（上半月），2008（04）:71-75.

[4]袁松.简析影响大型机械钢结构系统可靠性的因素[J].城市建设理论研究（电子版），2012（36）.

[5]杨瑞刚，常红英，布志坤，等.钢结构系统可靠性分析及其应用[J].新技术新工艺，2008（02）:22-24.

U673 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A