建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素與比較研究

崔波

【摘要】建筑結(jié)構(gòu)可靠性主要根據(jù)結(jié)構(gòu)承受的抗力與外界載荷進(jìn)行計(jì)算，將隨機(jī)性理論作為計(jì)算核心，根據(jù)概率分布函數(shù)確定結(jié)構(gòu)安全性，并且可以計(jì)算出安全性與成本的平衡關(guān)系。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，建筑結(jié)構(gòu)可靠性理論也得到了快速的發(fā)展，在建筑市場逐漸趨向平衡發(fā)展的新時(shí)代，如何平衡建筑實(shí)用效果與工程建設(shè)成本成為了建筑行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)問題。本文根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度進(jìn)行分析，提出了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中存在的不足，并且對可靠度影響因素進(jìn)行了分析，希望為廣大建筑設(shè)計(jì)人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；可靠度影響

建筑設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足三項(xiàng)基本要素，即使安全、適用、耐久，這三種要素也是評價(jià)建筑安全性的關(guān)鍵因素，也被稱為建筑結(jié)構(gòu)可靠性。在評價(jià)結(jié)構(gòu)可靠性時(shí)，需要計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求的概率，而我國建筑建設(shè)范圍不斷增長，結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算方法也在不斷優(yōu)化，為了了解目前建筑結(jié)構(gòu)可靠性的具體評價(jià)方法，需要從不足出發(fā)，制定出針對性的優(yōu)化方案，保證建筑可靠性滿足社會發(fā)展需求。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度分析方法

（一）結(jié)構(gòu)可靠度概念

結(jié)構(gòu)可靠度指設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)，以規(guī)定時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境作為計(jì)算基礎(chǔ)，得出結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)功能的實(shí)際能力。根據(jù)該理論，可以將結(jié)構(gòu)可靠度理解為建筑結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)，可以完成設(shè)計(jì)要求的概率，將P1作為概率符號，而建筑結(jié)構(gòu)無法滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，則稱之為結(jié)構(gòu)失效概率，具體情況標(biāo)注為P2，P1+P2=1。由于隨機(jī)變量數(shù)據(jù)的獲取難度較大，而且結(jié)構(gòu)可靠性模型的構(gòu)建工作較為繁瑣，所以使用積分計(jì)算方法計(jì)算P2很難獲得正確的計(jì)算結(jié)果，而工程結(jié)構(gòu)涉及的計(jì)算內(nèi)容較多，在這種數(shù)量較大的計(jì)算工作中，就不能使用積分計(jì)算方法。

（二）可靠度分析方法

目前主流使用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法可以分為四種：第一種近似計(jì)算方法，根據(jù)笛卡爾隨機(jī)理論作為核心，使用一次二階矩陣完成計(jì)算，該方法主要根據(jù)收集到的樣本方差與平均值進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算出概率分布基本特征，該方法對樣本數(shù)量的要求較高，只要數(shù)量足夠多，就可以非常精準(zhǔn)的計(jì)算出可靠性結(jié)果。第二種廣義隨機(jī)方法，通過廣義隨機(jī)空間理論作為基礎(chǔ)，使用一次二階矩陣進(jìn)行計(jì)算，在工程建筑結(jié)構(gòu)中，隨機(jī)變量的相關(guān)性非常密切，在這種環(huán)境中，就可以使用該方法進(jìn)行計(jì)算。第三種為二次二階矩陣，該方法使用數(shù)學(xué)逼近模型進(jìn)行計(jì)算，通過拉普拉斯?jié)u進(jìn)原理計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度，該方法計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)吻合度較高。第四種為響應(yīng)面方法，部分結(jié)構(gòu)無法給出準(zhǔn)確的功能函數(shù)表達(dá)式，所以需要該方法使用明確的函數(shù)替代不準(zhǔn)確的表達(dá)式，使結(jié)構(gòu)可靠性可以進(jìn)行計(jì)算。這些方法都是為了提高可靠性計(jì)算結(jié)果的精度，在不同的情況下選擇合理方法，對降低計(jì)算工作量，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度有著非常重要的意義。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)有問題

我國建筑業(yè)發(fā)展速度較快，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法大幅度變化的環(huán)境下，最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范出現(xiàn)了許多問題，雖然近年來正在不斷進(jìn)行改正與優(yōu)化，但是現(xiàn)有的問題仍然比較明顯，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（一）設(shè)計(jì)年限使用問題

目前標(biāo)準(zhǔn)的建筑使用年限按照50年、100年為主，這幾種基本的年限覆蓋了大多數(shù)建筑，但是仍有一些建筑提出了不同的使用年限要求。在傳統(tǒng)分析過程中，新標(biāo)準(zhǔn)無法明確反映出復(fù)雜的年限情況，而且年限變化主要根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性進(jìn)行計(jì)算，這種方法導(dǎo)致使用年限的標(biāo)準(zhǔn)不夠完善。在使用年限不斷增大的過程中，建筑結(jié)構(gòu)的可靠度也會發(fā)生變化，由于重要系數(shù)不斷增加，在考慮的過程中沒有明確分析使用年限的實(shí)際情況，導(dǎo)致最終計(jì)算的結(jié)果存在較大偏差。

（二）重要性系數(shù)簡單

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)只使用0.9、1.0、1.1這幾個(gè)固定值，但是并沒有考慮不同環(huán)境下結(jié)構(gòu)的受力情況、荷載作用、重要性等數(shù)據(jù)，只使用簡單的固定值進(jìn)行計(jì)算，就會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)背離現(xiàn)象，而數(shù)據(jù)結(jié)果也會過于保守，使可靠度準(zhǔn)確性下降。由于計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，就會呈現(xiàn)出建筑安全性不足的問題，所以重要性系數(shù)在計(jì)算過程中，需要進(jìn)行合理的取值。

（三）設(shè)計(jì)表達(dá)缺陷

部分建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在表達(dá)上的缺陷，這種情況下就會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)不合理，而且我國大多數(shù)建筑企業(yè)仍然使用落后的結(jié)構(gòu)表達(dá)式，沒有及時(shí)學(xué)習(xí)國際上先進(jìn)的計(jì)算方法，導(dǎo)致表達(dá)式影響建筑結(jié)構(gòu)整體效果。

三、建筑結(jié)構(gòu)可靠度研究方法

根據(jù)現(xiàn)有制度存在的問題，結(jié)合我國可靠度設(shè)計(jì)規(guī)范，本文制定出集中針對性的可靠度設(shè)計(jì)實(shí)用方法，用以彌補(bǔ)制度缺陷。

（一）鋼筋混凝土可靠度設(shè)計(jì)

在明確建筑設(shè)計(jì)期限的前提下，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、功能、重要性、使用需求，提出了混凝土可靠度設(shè)計(jì)。該方案需要將耐久退化因素融入設(shè)計(jì)之中，對結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行綜合分析，由于環(huán)境因素差別較大，所以建筑結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同情況的耐久退化，而不同程度的退化，對預(yù)期使用荷載水平會帶來較大影響。在設(shè)計(jì)建筑可靠度的過程中，需要將多種因素融入其中，制定出科學(xué)的可靠性定量指標(biāo)。

（二）給定環(huán)境下的可靠度使用原則

在不同環(huán)境下使用的可靠性計(jì)算方法也需要進(jìn)行調(diào)整，在制定鋼筋混凝土使用壽命時(shí)也可以進(jìn)行使用。該方法要求在使用壽命內(nèi)的可靠度指標(biāo)需要高于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。在進(jìn)行計(jì)算的過程中，需要先計(jì)算試用期的抗力衰竭指標(biāo)，并且完成定量分析，之后逐漸提高初始可靠度指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將已經(jīng)完成分析的指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槟途眯哉蹨p系數(shù)，并且通過表達(dá)式計(jì)算荷載，該方法具有計(jì)算簡單，人工操作方便的優(yōu)點(diǎn)。

（三）預(yù)期耐久性參數(shù)

目前鋼筋混凝土構(gòu)建方法可以分為五種常用的構(gòu)建結(jié)構(gòu)，這五種結(jié)構(gòu)可以在計(jì)算不同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性上使用，其中包括構(gòu)建可靠性、試用期辯護(hù)、耐久可靠性、設(shè)計(jì)表達(dá)式、耐久性系數(shù)。大多數(shù)建筑環(huán)境中的鋼筋水泥銹蝕度接近，但是在潮濕環(huán)境下的鋼筋水泥銹蝕度會出現(xiàn)較大變化，部分建筑建設(shè)環(huán)境較為潮濕，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕作用，使建筑結(jié)構(gòu)受剪性發(fā)生較大變化。建筑結(jié)構(gòu)耐久性退化是非常重要的因素，我國常見的建筑使用期限為50年，在建筑使用過程中，期限較短，可靠性指標(biāo)并不會發(fā)生較大變化，所以無需考慮這種因素帶來的不良影響。但是如果建筑使用期限大于50年，就會導(dǎo)致這一因素的影響逐漸上升，對結(jié)構(gòu)耐久性也會造成較大影響，所以在設(shè)計(jì)階段，需要合理分析這一影響因素。

結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度直接影響國家建筑水平，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，人們對建筑可靠度提出了更多的要求。本文根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠度的概念進(jìn)行分析，提出了常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，并且對現(xiàn)有的可靠度設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了闡述。由于建筑所處的環(huán)境不同，所以可靠度也會出現(xiàn)較大變化，需要根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境進(jìn)行分析，以荷載作用、材料老化、服役環(huán)境進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出針對性的可靠度計(jì)算方案，為提高建筑工程質(zhì)量提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃挺.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素與比較研究[J].科技傳播，2013，16（23）15-16.

[2] 王杰華.當(dāng)議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠地的影響因素與對比[J].科技風(fēng)，2013，12（29）：45-46.

[3] 高守興.論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全度和可靠度[J].中國房地產(chǎn).20l2，10（12）：36-37.

[4] 梁偉盛.腋撐式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層理論分析及抗震性能研究[D].華南理工大學(xué)，2012（02）：1-65.

[5] 李春霞.CFRP加固負(fù)載混凝土梁抗彎承載力及可靠度研究[D].武漢理工大學(xué)，2012（10）：1-58.