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

吳子昊 肖 艷 湖北華祥建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司

1 前言

20世紀(jì)50年代，我國(guó)便開(kāi)展了大規(guī)模的基礎(chǔ)建筑建設(shè)，但其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，在建筑物的鑒定與評(píng)估工作中使用的檢測(cè)技術(shù)較為落后，且多為治標(biāo)不治本的臨時(shí)措施。隨著城市化的不斷發(fā)展，大量的建筑物出現(xiàn)在人們的生活中。為了有效控制坍塌事故的發(fā)生，保障人們生命安全與財(cái)產(chǎn)安全。在此次分析中，將針對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)可靠性指建筑物結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間以及規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力。在此次分析中所設(shè)定的規(guī)定條件指建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限以及正常施工正常使用維護(hù)下建筑的使用壽命，預(yù)設(shè)功能包含了建筑的安全性、適用性以及建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。通過(guò)對(duì)上述部分展開(kāi)分析，提升建筑物的使用壽命。因此，需要設(shè)定相應(yīng)的方案針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性的影響因素進(jìn)行分析，并比較多種因素的比重，以此確定主要影響因素，設(shè)定針對(duì)性解決措施。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度概述

任何建筑物都會(huì)存在相應(yīng)的質(zhì)量問(wèn)題，為保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，必須規(guī)定質(zhì)量指標(biāo)，即性能指標(biāo)。通過(guò)文獻(xiàn)研究可知，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)可分為三種，即建筑居住的安全性、建筑結(jié)構(gòu)的適用性以及建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。建筑結(jié)構(gòu)安全性指建筑結(jié)構(gòu)在正常施工與正常使用的情況下，歷經(jīng)突發(fā)安全事故時(shí)與安全事故發(fā)生后的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)的適用性可理解為該建筑物結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，滿足各類(lèi)預(yù)設(shè)要求的能力。通常情況下，在相應(yīng)的研究中會(huì)設(shè)定對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)體現(xiàn)其具體數(shù)值內(nèi)容，例如人們受到建筑物的影響情況以及建筑結(jié)構(gòu)的損壞情況等。如果該建筑不符合人們規(guī)定的要求，將其稱(chēng)為結(jié)構(gòu)不具備相應(yīng)的適用性。建筑物結(jié)構(gòu)耐久性指該建筑結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)的條件下，材料性能隨時(shí)間變化出現(xiàn)的退化情況。

建筑結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的安全性、適用性以及耐久性，可以認(rèn)定存在一定的可靠性。將上述三種性能合并稱(chēng)為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性，為了便于理解，將其整合為定義的形式。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與預(yù)設(shè)條件下，可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)預(yù)定的功能，將這種情況稱(chēng)為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性。為了對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的量化分析，結(jié)合可靠度理論，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。在規(guī)定的時(shí)間與條件內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)其功能的概率，稱(chēng)為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度。通過(guò)上述理論分析結(jié)果，作為此次分析的基礎(chǔ)內(nèi)容并實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度影響因素的細(xì)致分析。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的主要問(wèn)題

3.1 設(shè)計(jì)圖不全面

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖不夠全面，主要體現(xiàn)在以下方面：（1）忽視了對(duì)細(xì)節(jié)的把控，致使圖中存在一定漏洞，導(dǎo)致部分設(shè)計(jì)圖不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）設(shè)計(jì)人員沒(méi)有將抗震設(shè)計(jì)融入圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，部分人員未在設(shè)計(jì)圖紙中注明所需要使用的建筑結(jié)構(gòu)墻體材料類(lèi)型，缺乏設(shè)計(jì)說(shuō)明；（3）部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中沒(méi)有詳細(xì)數(shù)據(jù)，工藝注釋不清楚，以致無(wú)法為后續(xù)施工提供科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致施工人員無(wú)法嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中的要求來(lái)執(zhí)行作業(yè)，影響施工效率；（4）相關(guān)人員未根據(jù)施工實(shí)際情況來(lái)科學(xué)審核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙。

3.2 缺乏施工現(xiàn)場(chǎng)勘察

在開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作前，設(shè)計(jì)人員未深入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況缺乏了解，沒(méi)能獲得可靠的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)圖紙與實(shí)際情況不符，難以保障建筑工程施工順利開(kāi)展。缺乏施工現(xiàn)場(chǎng)勘察直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙中存在一定安全隱患，可操作性不高，不利于提升建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.3 未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，忽視了抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，影響了建筑結(jié)構(gòu)整體安全性：（1）未對(duì)建筑物抗震構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算，以致建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；（2）在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)從整體上綜合考慮，致使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙存在問(wèn)題，難以保障建筑結(jié)構(gòu)承載力；（3）在設(shè)計(jì)過(guò)程中未選擇合適的施工材料，計(jì)算建筑荷載取值時(shí)存在誤差，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)結(jié)果不符合相關(guān)要求，建筑結(jié)構(gòu)缺乏安全性。

3.4 缺乏房屋結(jié)構(gòu)縫設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員忽視了房屋結(jié)構(gòu)縫設(shè)計(jì)，沒(méi)有根據(jù)建筑物所在區(qū)域氣候環(huán)境和自然條件來(lái)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，致使設(shè)計(jì)缺乏合理性和可行性。此外，在建筑結(jié)構(gòu)縫處理中，僅采用澆灌方法來(lái)處理，只能解決建筑物外觀的美觀性問(wèn)題，無(wú)法保障建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3.5 樓板變形程度計(jì)算不到位

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，缺乏對(duì)樓板變形程度的計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。部分人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)布局，缺乏良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀念，僅以力學(xué)模型為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行樓板變形計(jì)算，致使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案存在一定安全隱患。

3.6 地基與基礎(chǔ)方面存在問(wèn)題

部分設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，并未深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察，缺乏詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)建筑施工區(qū)域周?chē)h(huán)境缺乏了解，容易導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際不相符，設(shè)計(jì)圖紙缺乏合理性。在處理軟弱地基時(shí)，并未引起相關(guān)人員重視，沒(méi)有針對(duì)軟弱地基采取有效處理措施，導(dǎo)致建筑物承載力達(dá)不到預(yù)期要求。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素分析

4.1 荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)

有研究發(fā)現(xiàn)，荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)是影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性的重要原因之一。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性理論中，建筑物的使用年限通常指按照一定規(guī)定設(shè)計(jì)完成的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)插件，不需要進(jìn)行大量修理，即可完成預(yù)定使用期限目標(biāo)的時(shí)限。通過(guò)研究可知，影響此期限長(zhǎng)短的主要原因可分為荷載與耐久性兩個(gè)方面。因此，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要設(shè)定一定的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取得結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的最佳平衡。

根據(jù)文獻(xiàn)分析結(jié)果可知，風(fēng)荷載是影響建筑結(jié)構(gòu)主要的荷載之一。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性而言，風(fēng)荷載是其主要的控制荷載，并主要影響建筑物的形變情況。在正常情況下，建筑物的迎風(fēng)柱與背風(fēng)柱之間的距離均不能超過(guò)一定的極限值，以此滿足適用性要求。一般情況下，風(fēng)荷載的數(shù)值可以通過(guò)規(guī)范給出的公式計(jì)算得到。對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成影響的荷載為雪荷載，考慮到房屋外層壓力面積分布影響以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期最大荷載概率分布等元素，可將雪荷載的重現(xiàn)期分為1年、3年、5年、10年等。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件由鋼筋和混凝土兩種材料組成，其抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)不僅受到上述三方面的影響，還與構(gòu)件截面尺寸、配筋率、鋼筋和混凝土的材料強(qiáng)度比值等因素有關(guān)，影響因素眾多。規(guī)范中給出混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能、幾何參數(shù)及計(jì)算模式不定性的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以一種典型構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)為條件，根據(jù)抗力計(jì)算公式和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中的誤差傳遞公式計(jì)算得到各類(lèi)構(gòu)件的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)。本文根據(jù)現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的材料性能和抗力計(jì)算公式對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.2 建筑材料失效情況

除外界影響因素外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所選用材料的失效情況也會(huì)對(duì)其可靠性造成一定影響。通過(guò)分析可知，在正常的使用極限情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用材料的破壞程度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的使用年限具有一定關(guān)聯(lián)性。結(jié)構(gòu)允許的破壞程度取決于結(jié)構(gòu)本身的耐久性與實(shí)用性，即取決于使用者對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的主觀因素。

綜合在第一部分提出的外界荷載影響，在此部分中，將內(nèi)部失效準(zhǔn)則設(shè)定為兩個(gè)部分。側(cè)移或撓度失效準(zhǔn)則，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性而言，建筑物的結(jié)構(gòu)失效通常由其位移所控制。在此次分析，將此兩項(xiàng)的失效準(zhǔn)則用于評(píng)估建筑發(fā)生位移后的失效可靠性，通過(guò)允許位移，保證結(jié)構(gòu)的適用性。在現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，將建筑物設(shè)計(jì)結(jié)果規(guī)范于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下，若建筑物結(jié)構(gòu)水平位移不超過(guò)規(guī)定值，則建筑物的可靠性較高；反之，建筑可靠性較低。舒適性失效準(zhǔn)則，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，由于此次分析中的建筑物多為可拆卸結(jié)構(gòu)，使用時(shí)間相對(duì)較短，暫不將其列入考慮范圍。

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性分析中，一般需要搜集大量的資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)各個(gè)變量的概率分布參數(shù)進(jìn)行分析。為了降低計(jì)算難度，將建筑結(jié)構(gòu)的形變數(shù)據(jù)、材料性能荷載等變量在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)此對(duì)比結(jié)果，計(jì)算獲取材料敏感度，敏感度越高的材料其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的可靠性越低。

5 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度比較方法

在此次設(shè)計(jì)的方法中，將使用有限元分析法將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，并將其結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程通過(guò)數(shù)據(jù)的形式表達(dá)出來(lái)。通過(guò)計(jì)算極限狀態(tài)中各參數(shù)的分布情況以及統(tǒng)計(jì)參數(shù)的比值，得到有限元結(jié)構(gòu)下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)值與均值，利用一次二階矩方程得到此結(jié)構(gòu)的可靠度。

在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，使用隨機(jī)有限元對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，求出結(jié)構(gòu)的隨機(jī)反應(yīng)，并根據(jù)此反應(yīng)得到相應(yīng)的平均值與結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)。將此計(jì)算結(jié)果與常用的可靠性分析方法相結(jié)合，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的失效概率進(jìn)行求解。使用此方法不僅可以求得結(jié)構(gòu)可靠性的具體數(shù)據(jù)，還可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的外在載荷與結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行分析，具有很好的計(jì)算效果。在有限元分析的過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的迭代運(yùn)算，應(yīng)選擇更為高級(jí)的計(jì)算軟件，作為有限元分析的載體。通過(guò)上述方法獲取建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性的具體數(shù)值，并根據(jù)此數(shù)值完成對(duì)比過(guò)程，對(duì)比結(jié)果具象化體現(xiàn)，可設(shè)定相應(yīng)的等級(jí)劃分結(jié)果，確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可靠度等級(jí)，以此完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度比較分析。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素與比較展開(kāi)分析。通過(guò)研究相關(guān)文獻(xiàn)得到了相應(yīng)的可靠度影響因素分析結(jié)果，設(shè)定了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度比較方法。本研究還存在不足，在有限元計(jì)算過(guò)程中未設(shè)定對(duì)應(yīng)的邊界條件以及建筑結(jié)構(gòu)三維模型。今后的研究中將針對(duì)上述不足展開(kāi)優(yōu)化，以此獲得更完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，提升建筑物使用年限，保證人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。