影響大型復(fù)雜機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的因素評價(jià)分析

（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

影響大型復(fù)雜機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的因素評價(jià)分析

朱 磊

（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

目前，鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域，其屬系統(tǒng)的關(guān)鍵承載受力部分。本文圍繞大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)展開論述，以期探索出更適用的現(xiàn)代方法來分析大型復(fù)雜房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性。

鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；失效準(zhǔn)則；可靠性

一、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效準(zhǔn)則判定的影響因素

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并未遵循設(shè)計(jì)要求來實(shí)施或完成既定的功能，但需注意并非所有的結(jié)構(gòu)失效定義均相同，即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的分析要求堅(jiān)持“具體結(jié)構(gòu)具體定義”的原則。目前，多數(shù)工程結(jié)構(gòu)屬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效主要涉及三種情況，即結(jié)構(gòu)已失效單元數(shù)目達(dá)到特定值，此時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)已失效單元數(shù)目達(dá)到特定值，此時(shí)從規(guī)范或者經(jīng)驗(yàn)角度可判定該結(jié)構(gòu)難以承載所加外載；結(jié)構(gòu)整體承載能力或者結(jié)構(gòu)整體失效初次呈下降趨勢。就立體車庫鋼結(jié)構(gòu)而言，若立柱與載車板支撐懸臂梁的相交剛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成鉸節(jié)點(diǎn)，那么便可判定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的使用性能失效，而連接此類節(jié)點(diǎn)的單元統(tǒng)稱關(guān)鍵單元或者關(guān)鍵元，可見立體車庫鋼結(jié)構(gòu)失效原則可從兩大方面進(jìn)行判定，即立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的立柱與載車板支撐懸臂梁相交剛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成鉸節(jié)點(diǎn)；立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的某完全失效路徑達(dá)到特定長度，若上述兩方面的關(guān)系取“或者”，即兩方面不同時(shí)成立，那么該系統(tǒng)失效。

本章節(jié)以三層、六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，試圖采用RAPS（可靠性分析軟件）來對鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效準(zhǔn)則判定的影響因素進(jìn)行評價(jià)分析。若CAP（約界參數(shù)）取0.95，那么面對失效單元沒有達(dá)到關(guān)鍵單元的情況，六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)失效路徑的長度最大可取8，此時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成機(jī)構(gòu)，此外三層立體車庫失效路徑的長度最大可取4。從理論角度而言，六層鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性較三層鋼結(jié)構(gòu)更明顯，同時(shí)六層鋼結(jié)構(gòu)的冗余度也較三層鋼結(jié)構(gòu)更高，如此六層鋼結(jié)構(gòu)失效的可能性便更小，所以六層鋼結(jié)構(gòu)的失效路徑應(yīng)更長些。就三層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)而言，若CAP取0.95，那么失效路徑允許取4，但若此時(shí)CAP取0.92，那么單元剛度矩陣元素主對角元素歸零，另外若此時(shí)失效路徑取3，那么分析結(jié)果完全正常。若CAP取0.88，失效路徑取3，注意有限元計(jì)算前需進(jìn)行釋放約束處理，那么單剛矩陣主對角元素再次歸零，此時(shí)若調(diào)小失效路徑，那么分析記過也再次恢復(fù)正常。由此可見，若CAP取小，那么失效模式的數(shù)量必定增加，如此失效單元的數(shù)目及釋放約束的單元也有所增加，此外結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也更有可能轉(zhuǎn)換成機(jī)構(gòu)。

綜上所述，三層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的CAP取0.95，那么失效路徑取4； CAP取0.92，那么失效路徑取3；六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的CAP取0.95，那么失效路徑取8；CAP取0.92，那么失效路徑取7，可見CAP的取值與失效路徑的長度間存有關(guān)系，即失效路徑的長度隨著CAP的取值的增大而變大。

二、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析計(jì)算結(jié)果的影響因素

本章節(jié)以六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，分別分析失效路徑的長度、約界參數(shù)CAP對鋼結(jié)構(gòu)可靠性的影響。

（一）失效路徑的長度對鋼結(jié)構(gòu)可靠性的影響

針對六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，若CAP取0.98、失效路徑取6，那么結(jié)構(gòu)可靠性的部分分析結(jié)果如下：失效路徑75→54→53→71→67→79、模式失效概率3.30336214532378E-05；失效路徑75→54→53→71→79→47、模式失效概率3.30336214532378E-05。若失效路徑更換成8，那么結(jié)構(gòu)系統(tǒng)勢必轉(zhuǎn)換成機(jī)構(gòu)。若失效路徑取7、CAP取0.98，那么結(jié)構(gòu)可靠性的部分分析結(jié)果如下：失效路徑75→54→53→71→67→79→47、模式失效概率3.30127635287392E-05；失效路徑75→54→53→71→67→79-→48、模式失效概率3.30127635287392E-05。結(jié)合上述分析結(jié)果可知，若失效模式數(shù)及系統(tǒng)的失效概率均隨著失效路徑取值的增大而減少，可見失效路徑勢必影響著系統(tǒng)的失效概率，因此針對六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)而言，若CAP取0.98，那么失效路徑應(yīng)取7。

（二）約界參數(shù)CAP對鋼結(jié)構(gòu)可靠性的影響

針對六層立體車庫鋼結(jié)構(gòu)而言，若CAP取0.95，那么結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的部分分析結(jié)果如下：失效路徑67→48→47→71→53→54、模式失效概率3.30336215397242E-05；失效路徑67→48→47→71→79→54、模式失效概率 3.30336215397242E-05。與CAP取0.98、失效路徑取6的情況相比較可知，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率隨著約界參數(shù)CAP取值的增大而減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性呈增大趨勢。若相關(guān)條件不發(fā)生變化，那么結(jié)構(gòu)可靠性的分析要求CAP視精度的要求進(jìn)行取值。但需注意，CAP是指失效元的選擇范圍，因此研究對象的不同決定著所取數(shù)值亦不同，其中CAP的取值必須合理，以免取值過大或過小對分析結(jié)果造成不良影響。

結(jié)語

綜上所述，針對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性而言，必須根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選用適宜的分析計(jì)算方法，以確保分析計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性。本文主要從鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效準(zhǔn)則判定及鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析計(jì)算結(jié)果兩方面分析了大型復(fù)雜機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的影響因素。研究表明，針對相同的結(jié)構(gòu)，不同的約界參數(shù)CAP勢必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效模式有所不同，但針對相同約界參數(shù)CAP、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況，其所對應(yīng)的主要失效模式勢必存有較大差異，同時(shí)若結(jié)構(gòu)層數(shù)變大，主要失效模式數(shù)也隨之增大。

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