安全工業(yè)研究成果對(duì)土木工程質(zhì)量影響探究

王陸軍

(中鐵十八局集團(tuán) 第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

眾所周知,80%的民用結(jié)構(gòu)事故都是由人為失誤造成的[1]。錯(cuò)誤的根源是知識(shí)水平不足、缺乏經(jīng)驗(yàn)、文件不準(zhǔn)確、違反工作規(guī)程[2]。在工作執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的缺陷,影響到將產(chǎn)品應(yīng)用于其指定用途的可能性、可靠性和安全性[3]。如果有不準(zhǔn)確的工程文檔(工作執(zhí)行計(jì)劃、流程圖、質(zhì)量監(jiān)控圖等),錯(cuò)誤概率會(huì)隨著工作的復(fù)雜性而增加。

1 事故原因及缺陷分析

高空結(jié)構(gòu)及其高性能特性主要取決于地基和地基的承載力。與地面結(jié)構(gòu)不同的是,需要考慮的元素?zé)o法被視覺(jué)觀察到,是隱蔽的,需要注意可能的改變和評(píng)估材料及結(jié)構(gòu)性能的變化[4]。

根據(jù)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),大約60%的在建工程在承重結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中出現(xiàn)了重大和關(guān)鍵的缺陷,降低了其強(qiáng)度和剛度。20%的測(cè)試結(jié)構(gòu)威脅到施工作業(yè)的安全。缺陷整改費(fèi)用達(dá)到3%的造價(jià)估算,住宅過(guò)早改造費(fèi)用達(dá)到2.5%。根據(jù)目前的估計(jì),大約10%的建設(shè)成本被用于消除設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)缺陷。

通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裝配缺陷頻次的分析,證明了該結(jié)果的正確性:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷數(shù)量,通過(guò)連接和多節(jié)點(diǎn)的總結(jié),鋼結(jié)構(gòu)的缺陷數(shù)量為56.5%,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷數(shù)量為57.7%。我們可以看到,有一半以上的缺陷發(fā)生在難以控制的結(jié)構(gòu)化合物中。因此,可構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)遵循V.G. Shukhov的設(shè)計(jì)原則,即減少荷載傳遞的步驟和結(jié)構(gòu)體系中承重構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是無(wú)缺陷施工方法之一。

2 工作質(zhì)量的計(jì)算

為了對(duì)零缺陷的性能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行公正地評(píng)價(jià),確定了工程過(guò)程的精確性[5]。計(jì)算依據(jù)是運(yùn)行控制的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)際測(cè)地示意圖、材料性能的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)。

通過(guò)參數(shù)X在水平容差區(qū)間[a,b]內(nèi)隨機(jī)值的分布比例計(jì)算出零缺陷。在正態(tài)分布規(guī)律下,零缺陷的水平為:

(1)

在具體施工作業(yè)方面,根據(jù)公式計(jì)算工程過(guò)程的精度為:

Kr=Δx/(2·ta,vSx)

(2)

式中:x為標(biāo)準(zhǔn)公差;v是工程精度,由水平自由度v=n-1和水平的置信度n計(jì)算。

只要精度系數(shù)不小于1,就可以保證工程過(guò)程的精度。否則,就不能保證工程過(guò)程的準(zhǔn)確性,需要進(jìn)行工藝設(shè)置以改變操作技術(shù)、技術(shù)設(shè)備和模式。此外,過(guò)程的穩(wěn)定性也很重要。

與隨機(jī)誤差相關(guān)的過(guò)程穩(wěn)定性系數(shù)為:

(3)

其中Smax、Smin為精度控制特定時(shí)段(建筑不同級(jí)別)的標(biāo)準(zhǔn)差最大值和最小值。

與系統(tǒng)誤差相關(guān)的過(guò)程穩(wěn)定性系數(shù)為:

(4)

通過(guò)將系數(shù)(3)和(4)與極限值進(jìn)行比較,根據(jù)采樣量和置信度,得出了工藝穩(wěn)定性的結(jié)論。在過(guò)程不穩(wěn)定的隨機(jī)誤差,有必要通過(guò)調(diào)整方法和操作方式以及執(zhí)行人員的資格和控制方法來(lái)減少過(guò)程的可變性。在系統(tǒng)誤差導(dǎo)致過(guò)程不穩(wěn)定的情況下,需要通過(guò)調(diào)整加工因素來(lái)減少系統(tǒng)誤差。

與隨機(jī)(系統(tǒng))誤差相關(guān)的工程過(guò)程穩(wěn)定性系數(shù):

Ks(x)=ns(x)/Ns(x)

(5)

式中:ns(x)是相對(duì)于隨機(jī)(系統(tǒng))誤差而言為常數(shù)的參數(shù);Ns(x)是通過(guò)(3)和(4)準(zhǔn)則檢驗(yàn)穩(wěn)定性的參數(shù)總數(shù)。

3 安全性能評(píng)估

除了所考慮的過(guò)程精度參數(shù)外,還需要從產(chǎn)品安全[6]的角度分析過(guò)程的質(zhì)量。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全要素及其參數(shù)最重要的應(yīng)在設(shè)計(jì)和過(guò)程控制文件中明確。

架設(shè)結(jié)構(gòu)的基本安全參數(shù)之一是承載力:

(6)

(7)

在承載力正態(tài)分布規(guī)律下,結(jié)構(gòu)無(wú)故障運(yùn)行的概率為:

(8)

考慮缺陷后的承載力減小系數(shù)為:

(9)

其中R0為設(shè)計(jì)承載力的平均值;k0為平均設(shè)計(jì)極限承載力?？紤](7)和(9),有缺陷的結(jié)構(gòu)安全參數(shù)為:

(10)

然后用標(biāo)準(zhǔn)分布密度(8)作為相應(yīng)的積分,計(jì)算結(jié)構(gòu)無(wú)故障運(yùn)行的概率。

為了彌補(bǔ)設(shè)計(jì)模型的誤差,需要使用設(shè)計(jì)安全性的相對(duì)值:

建筑物結(jié)構(gòu)無(wú)故障運(yùn)行概率的降低。

KP=P/P0

(11)

失敗(事故)概率將增加:

KQ=(1-P)/(1-P0)

(12)

換算為:

Kβ=β/β0

(13)

式中P、P0是實(shí)際概率,β、β0是安全條件下的概率。

以相對(duì)值的形式表示安全參數(shù)有助于在設(shè)計(jì)模型的誤差消除方面使用近似的工程實(shí)踐進(jìn)行計(jì)算。

為了評(píng)估由于缺陷和誤差而導(dǎo)致的安全等級(jí)降低,使用了KQ參數(shù),因?yàn)樗南鄬?duì)值可以計(jì)算其他參數(shù)。在參考的系數(shù)中,KQ是從它的依賴性來(lái)考慮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝層數(shù)、缺陷及誤差。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)和原因,KQ受到相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值KQ=32的限制。如上所述,根據(jù)歐洲專家對(duì)于參數(shù)的估計(jì),關(guān)于人類過(guò)失的事故的真實(shí)概率增加了40倍,根據(jù)俄羅斯經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù),理論概率增加了8～70倍。由于施工誤差,民用建筑分析階段的施工正常閾值失效概率的KQ增加為1.5～7,數(shù)據(jù)的自然風(fēng)險(xiǎn)KQ=2～10。

4 質(zhì)量安全研究結(jié)果

我們用上述方法對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查，分析了10座由預(yù)制板、磚和現(xiàn)澆混凝土組成的多層建筑的實(shí)例。表1給出了建筑樣品對(duì)零缺陷參數(shù)、精度和安全性的平均評(píng)價(jià)結(jié)果及其評(píng)價(jià)值。

在計(jì)算打入樁的可靠度指標(biāo)時(shí),采用以下初始數(shù)據(jù):樁長(zhǎng)-4.5 m～16 m;樁截面的高度和寬度30 cm、35 cm;樁上荷載-15 t～185 t;樁基破壞的設(shè)計(jì)概率-0.95～0.995;承載力裕度指數(shù)-1.35～1.90;樁荷載變化0.05;土壤電阻變化0.25。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 對(duì)零缺陷參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Evaluation results of zero defect parameters

表2 計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results

最終的缺陷是打樁深度減少了20%以上;樁體下部或側(cè)表面土壤阻力降低40%以上。

這些參數(shù)是根據(jù)上述公式計(jì)算出來(lái)的。面板建筑裝配質(zhì)量的平均零缺陷水平為0.62。按操作類型劃分,有以下零缺陷級(jí)別:基礎(chǔ)工程-0.64;安裝墻板-0.77;安裝天花板嵌板-0.69;樓梯元件安裝-0.49;設(shè)備金屬鍵-0.58;接頭和接縫的密封-0.25。低精度系數(shù)的工藝證明了該方法的頻繁極限違反參數(shù)。平均位移和變化參數(shù)的穩(wěn)定性在樓層和建筑物上都是不夠的。平臺(tái)接縫Kq=11.65超出接受值,增加失效概率的參數(shù)是10,從而降低了建筑物的資源安全運(yùn)行。

在板式建筑安裝中,節(jié)點(diǎn)的密封質(zhì)量較差,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在使用初期大量滲漏和結(jié)霜。砂漿接縫增厚、臺(tái)縫預(yù)制構(gòu)件斷裂、混凝土強(qiáng)度降低、部分埋入等缺陷鍵槽接頭和鋼帶的其他缺陷導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)變形能力的提高。由于結(jié)構(gòu)體系剛度的降低,豎向接縫的剪切應(yīng)變出現(xiàn)了變形,裂縫生長(zhǎng)異常,這一點(diǎn)通過(guò)6～7年的結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果得到了證實(shí)。

砌筑時(shí)的平均零缺陷水平為0.64。按工作類型劃分的零缺陷等級(jí)為:基礎(chǔ)工程-0.60;承重墻砌磚-0.68;砌磚加固-0.48;梁和樓板安裝-0.60;樓梯的安裝-0.64;設(shè)備金屬鍵-0.60。在砌磚工作中,墻內(nèi)鋼筋網(wǎng)格的安裝不能滿足設(shè)計(jì)要求。所有物體都有水平關(guān)節(jié)增厚和部分垂直關(guān)節(jié)填充。承重墻和柱的事故風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Kq=18.49,明顯超過(guò)了可接受值,與砌體加固設(shè)計(jì)要求相違背。

整體式建筑安裝時(shí)的零缺陷水平可達(dá)0.75。按工作類型劃分的零缺陷等級(jí)為:整體地基-0.67;安裝整體墻和隔膜板-0.63;安裝整體柱-0.78;安裝整體樓板-0.67。將整體建筑安裝缺陷分為四類:截面幾何特征、混凝土特征、鋼筋規(guī)格和空間結(jié)構(gòu)規(guī)格。計(jì)算表明,各類缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-應(yīng)力狀態(tài)影響不大。增加的參數(shù)承重結(jié)構(gòu)Kq=7.66的失效概率不超過(guò)極限值,這是由于截面增加(模板推力)和混凝土設(shè)計(jì)承載力Kr=1.02的實(shí)際強(qiáng)度造成的。

5 結(jié)論

最小零缺陷是單片機(jī)建筑所特有的,它與沒(méi)有接縫單片相連接。許多缺陷的共軛結(jié)果是,由于抽樣調(diào)查,面板結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量最低，從而指出大多數(shù)缺陷是關(guān)節(jié)和接縫所特有的,而最少的缺陷是材料強(qiáng)度參數(shù)所特有的。此種缺陷導(dǎo)致了承重結(jié)構(gòu)失效概率的顯著增加，降低了安全性，增加了建筑物的建設(shè)周期。