談既有房屋結(jié)構(gòu)可靠性鑒定

周長(zhǎng)明 王春武

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑業(yè)正逐步進(jìn)入以維修與現(xiàn)代化改造為重點(diǎn)的第三個(gè)時(shí)期。為了保護(hù)自然資源，保持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，必須充分利用既有結(jié)構(gòu)。如果能夠科學(xué)地評(píng)估現(xiàn)存結(jié)構(gòu)損傷的規(guī)律和程度，及時(shí)采取有效處理措施可以延緩結(jié)構(gòu)損傷的進(jìn)程，達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。因此，既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估方法研究有著廣泛的工程應(yīng)用背景、社會(huì)意義。

1 可靠性定義

我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性定義為:結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力。

既有結(jié)構(gòu)的可靠性定義為:已建成的結(jié)構(gòu)在既定的工作條件下，在正常使用、正常維護(hù)條件下，在要求的服役基準(zhǔn)期內(nèi)，考慮環(huán)境等因素影響時(shí)能夠完成預(yù)定功能的能力。

2 可靠性評(píng)定的依據(jù)及現(xiàn)行房屋結(jié)構(gòu)鑒定方法

2.1 可靠性評(píng)定依據(jù)

1)反映結(jié)構(gòu)、環(huán)境特性和狀況的信息。既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定所依據(jù)的信息首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)、環(huán)境自身實(shí)際狀況的信息，它們最有效地反映了結(jié)構(gòu)當(dāng)前的實(shí)際特性、結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境歷史。既有結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)圖紙等信息，需經(jīng)核實(shí)之后作為評(píng)定依據(jù)。

2)有關(guān)結(jié)構(gòu)分析、校核的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。既有結(jié)構(gòu)多數(shù)依據(jù)以往的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的規(guī)定存在差異，現(xiàn)行規(guī)范主要適用于擬建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，擬建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般偏于安全，因此，既有結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)定應(yīng)以“最小結(jié)構(gòu)處理為目標(biāo)”。對(duì)既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定，應(yīng)以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)并不完全遵循，應(yīng)采取一定措施，保證結(jié)構(gòu)可靠性的同時(shí)將維修加固規(guī)模限制在一定范圍內(nèi)。

2.2 現(xiàn)役結(jié)構(gòu)鑒定方法

目前，結(jié)構(gòu)可靠性鑒定方法大致包括:傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法、實(shí)用鑒定法、概率鑒定法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鑒定法和響應(yīng)面法等。

1)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法是以原設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)個(gè)人專業(yè)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，然后對(duì)建筑物的可靠性給出評(píng)價(jià)的一種經(jīng)驗(yàn)判定方法。此方法鑒定程序簡(jiǎn)單，荷載計(jì)算以實(shí)際調(diào)查為準(zhǔn)，材料強(qiáng)度取值一般按經(jīng)驗(yàn)確定，受個(gè)人主觀因素影響較大，缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。因此，難以對(duì)結(jié)構(gòu)的性能和狀態(tài)做出全面的分析，評(píng)判過(guò)程缺乏系統(tǒng)性，鑒定結(jié)論往往因人而異。

2)實(shí)用鑒定法。實(shí)用鑒定法是在經(jīng)驗(yàn)鑒定法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，應(yīng)用各種檢測(cè)手段對(duì)建筑物及其環(huán)境條件進(jìn)行周密的調(diào)查、檢測(cè)、測(cè)試結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)性能參數(shù)，然后經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后用于結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，由此判定建筑物的性能和狀態(tài)，全面分析建筑物所存在問(wèn)題的原因。然后，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)，按照統(tǒng)一的鑒定程序和標(biāo)準(zhǔn)，從安全性、使用性多個(gè)方面綜合評(píng)定建筑物的可靠性水平的方法。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法相比，該法鑒定程序科學(xué)，實(shí)用鑒定法十分強(qiáng)調(diào)檢測(cè)手段和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，對(duì)建筑物性能和狀態(tài)的認(rèn)識(shí)較準(zhǔn)確和全面，可以為建筑物維修、加固、改造方案的決策提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

3)概率鑒定法。在實(shí)用鑒定法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，進(jìn)一步利用統(tǒng)計(jì)推斷方法分析影響特定建筑物可靠性的不確定因素的評(píng)定方法。概率鑒定法則針對(duì)具體的既有建筑物，找出建筑物在正常使用條件下和預(yù)期的使用期限內(nèi)發(fā)生破壞或失效的概率，通過(guò)對(duì)建筑物和環(huán)境信息的采集和分析，評(píng)定建筑物的可靠性水平，確定結(jié)構(gòu)的使用壽命。應(yīng)用該方法得出的鑒定結(jié)論更符合建筑物的實(shí)際狀態(tài)。

4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鑒定法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)。具有高度的并行處理、聯(lián)想記憶、良好的自適應(yīng)性和自組織能力。它無(wú)需預(yù)先確定系統(tǒng)的模型，而是以實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)有限次迭代計(jì)算，從而獲得一個(gè)反映實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能和容錯(cuò)性，可以模擬專家推理，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)評(píng)定中的應(yīng)用日益受到重視。

5)響應(yīng)面法。響應(yīng)面法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的進(jìn)行可靠度分析的一種有效的方法，其思想是通過(guò)一系列確定性試驗(yàn)擬合一個(gè)響應(yīng)面來(lái)模擬真實(shí)的極限狀態(tài)曲面。從本質(zhì)上講，響應(yīng)面是統(tǒng)計(jì)學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用于處理幾個(gè)變量對(duì)同一體系或結(jié)構(gòu)的作用問(wèn)題，也就是體系或結(jié)構(gòu)的輸入與輸出的轉(zhuǎn)化關(guān)系問(wèn)題。

3 既有結(jié)構(gòu)性能評(píng)定目的及內(nèi)容、原則、基本影響因素

3.1 可靠性評(píng)定的目的及內(nèi)容、原則

對(duì)既有結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)定并非對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的評(píng)定，主要目的是評(píng)定結(jié)構(gòu)能否在新的目標(biāo)使用期——評(píng)估使用年限內(nèi)完成預(yù)期的功能要求，即結(jié)構(gòu)在未來(lái)的時(shí)間里的可靠性。在評(píng)估使用年限內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)的使用、維護(hù)方面的要求，是既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定的前提和條件。

對(duì)既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定的基本內(nèi)容是對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和適用性的評(píng)定，對(duì)耐久性的評(píng)定應(yīng)包含在安全性和適用性的評(píng)定當(dāng)中，如圖1所示。

既有建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)定的原則:確保結(jié)構(gòu)的性能，盡量減少工程處置量，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的政策。

3.2 結(jié)構(gòu)可靠性的基本影響因素

圖1 既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定基本內(nèi)容

結(jié)構(gòu)可靠性的核心是結(jié)構(gòu)的功能要素，通常根據(jù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)判斷結(jié)構(gòu)能否完成預(yù)定的功能。結(jié)構(gòu)可靠性的基本影響因素及各因素之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)可靠性的基本影響因素

影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素還有很多方面:作用效應(yīng)、抗力性能、安全儲(chǔ)備、結(jié)構(gòu)的易損性和人為差錯(cuò)等。

4 現(xiàn)行結(jié)構(gòu)可靠性鑒定存在的缺陷及可靠性評(píng)定方法

4.1 現(xiàn)行既有結(jié)構(gòu)可靠性鑒定存在的主要缺陷

現(xiàn)行的可靠性鑒定方法及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中存在一些缺陷，其中最主要的因素包括以下幾個(gè)方面:

1)鑒定過(guò)程和結(jié)果從結(jié)構(gòu)構(gòu)件出發(fā)，不能很好地體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的性能。

我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范規(guī)定還主要是停留在構(gòu)件截面設(shè)計(jì)層面上，現(xiàn)行評(píng)定方法只考慮了安全性不足的構(gòu)件數(shù)量，對(duì)不同構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系承重功能中的不同地位和作用考慮不足。另外，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性的評(píng)定也較為籠統(tǒng)。如果能夠根據(jù)既有結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)整體性方面合理地進(jìn)行研究和把握，對(duì)結(jié)構(gòu)鑒定的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性具有重要的意義。

2)現(xiàn)有的可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)尚未形成統(tǒng)一。

規(guī)范中的規(guī)定，一部分要求結(jié)構(gòu)的精確數(shù)據(jù)，一部分則要求根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，民用和工業(yè)建筑以及結(jié)構(gòu)的抗震鑒定都有不同的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一便于在實(shí)際操作中的使用，其鑒定結(jié)果將更合理有效。

3)既有結(jié)構(gòu)的荷載取值未能考慮結(jié)構(gòu)的客觀特性。

新建結(jié)構(gòu)荷載取值與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期有關(guān)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不同，荷載取值也將不同?，F(xiàn)役結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為其服役基準(zhǔn)期(后續(xù)使用年限)，其荷載的取值就應(yīng)以服役基準(zhǔn)期為依據(jù)，目前，我國(guó)國(guó)家規(guī)范中對(duì)既有結(jié)構(gòu)的荷載取值仍采用設(shè)計(jì)規(guī)范，與結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況不符。

4.2 現(xiàn)行既有房屋結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定方法

既有結(jié)構(gòu)的可靠性可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估進(jìn)行評(píng)定，某些情況下還可以輔以試驗(yàn)。既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定的基本方法可分為三類:

1)結(jié)構(gòu)分析的方法。

在對(duì)既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定中，根據(jù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境自身的實(shí)際情況，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在未來(lái)使用年限內(nèi)可能承受的荷載作用，推斷結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的實(shí)際性能以及在評(píng)估使用年限內(nèi)可能發(fā)生的變化，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析與校核，最終評(píng)定結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的可靠性是否滿足要求，即為結(jié)構(gòu)分析的方法。

2)結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的方法。

結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀況及環(huán)境的變化歷史是既有結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定的主要依據(jù)，在某些情況下，不必進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析和校核，直接通過(guò)對(duì)外觀、變形等結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估即可對(duì)既有結(jié)構(gòu)的可靠性作出評(píng)定，這種方法稱為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的方法。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的方法可按照評(píng)定結(jié)論的性質(zhì)劃分為兩種:判定結(jié)構(gòu)安全性、適用性不滿足要求的方法;判定結(jié)構(gòu)安全性、適用性滿足要求的方法。

3)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方法。

當(dāng)采用結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的方法難以對(duì)現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)的可靠性做出準(zhǔn)確的評(píng)定時(shí)，可考慮采用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方法減小或證實(shí)人們對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)安全性的懷疑?；诮Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)定的方法是建立在建筑物與現(xiàn)實(shí)環(huán)境所提供的信息上，為現(xiàn)行房屋結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定的特有方法。

5 可靠性鑒定的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性鑒定是對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和未來(lái)工作能力了解和掌握的必要途徑。鑒定方法的發(fā)展在一定程度上還要依賴于鑒定手段和技術(shù)的發(fā)展，理論上的突破同樣是不可或缺的重要條件。

從發(fā)展趨勢(shì)上講，概率鑒定法仍然是可靠性鑒定發(fā)展的方向，其理論基礎(chǔ)是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可靠性理論(又稱既有結(jié)構(gòu)可靠性理論)。先進(jìn)的鑒定技術(shù)，能準(zhǔn)確地獲得結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有資料，應(yīng)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn);深化概率鑒定法的理論和實(shí)踐應(yīng)用研究;開發(fā)可靠性較高的鑒定軟件，對(duì)鑒定過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范等。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性并不等于結(jié)構(gòu)整體的安全性，對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的研究對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠性鑒定的合理性和安全性有重要的意義，是結(jié)構(gòu)可靠性鑒定的一個(gè)發(fā)展方向。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，是用來(lái)解決工程設(shè)計(jì)中不確定性問(wèn)題的基本理論。因此，對(duì)工程設(shè)計(jì)中不確定性問(wèn)題的認(rèn)識(shí)需要進(jìn)行長(zhǎng)期的研究和經(jīng)驗(yàn)積累，建立和完善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，還需要考慮工程技術(shù)人員的素質(zhì)及計(jì)算方法。

［1］周虹霞.既有結(jié)構(gòu)可靠性鑒定方法研究［D］.南寧:廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:23-33.

［2］張 欣.現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可靠性鑒定評(píng)述［J］.四川建筑，2005，25(4):68-69.

［3］王東晶.既有結(jié)構(gòu)體系安全性的綜合評(píng)定方法［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011:10-24.

［4］薛 萍，張建軍，陸 路，等.建筑結(jié)構(gòu)可靠性的發(fā)展與鑒定概述［J］.工業(yè)建筑，2009，39(9):110-113.