大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評估模型構(gòu)建

何卓應(yīng)

(廣東誠實建設(shè)工程設(shè)計有限公司,廣東 梅州 514000)

0 引 言

大型高層建筑結(jié)構(gòu)由于其復(fù)雜性和特殊性,面臨著多種潛在的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。質(zhì)量問題、自然災(zāi)害、設(shè)計和施工缺陷等都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效或損壞。對于大型高層建筑而言,其穩(wěn)定性在很大程度上取決于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性。[1]在對該指標(biāo)進行評估時,考慮到不同建筑結(jié)構(gòu)自身構(gòu)成的特殊性[2],要實現(xiàn)對其的綜合評價首先需要對構(gòu)件的屬性以及結(jié)構(gòu)特點進行分析[3],在此基礎(chǔ)上,結(jié)合構(gòu)件的目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境,對其可靠性作出全面分析。[4]通過構(gòu)件可靠度的綜合評估,可以準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)和潛在風(fēng)險,從而采取相應(yīng)的措施來提高結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。因此,對于大型高層建筑結(jié)構(gòu)的可靠性綜合評估成了一個重要的研究方向。

許多研究人員對該方面進行研究,如:文獻[5]以FRP筋混凝土為研究對象,分析了受彎構(gòu)件在裂縫控制作用下的可靠度,分析結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性,但是其在具體的應(yīng)用過程中對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的要求較高,因此應(yīng)用范圍相對有限。文獻[6]以內(nèi)置型鋼鋼管混凝土軸壓構(gòu)件為研究對象,在對其進行設(shè)計的基礎(chǔ)上,對相應(yīng)可靠度分析方法進行研究,大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,但是同樣地,其在應(yīng)用階段的局限性相對較強。文獻[7]將貝葉斯更新融入在役鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件可靠度的分析研究綜合,并通過與逆高斯過程進行有機結(jié)合,實現(xiàn)了隨著時間的推進,對構(gòu)件可靠度的動態(tài)預(yù)測,并且預(yù)測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性,但是值得關(guān)注的是,由于在運行過程中構(gòu)件受到的外力作用并非恒定不變,因此該方法對突變情況下的可靠性分析結(jié)果存在優(yōu)化空間。通過對上述關(guān)于建筑構(gòu)件可靠性分析方法的研究可以看出,加深對該問題的研究仍然對于現(xiàn)實施工具有重要的指導(dǎo)價值。

在上述研究的基礎(chǔ)上,本文以大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件為研究對象,構(gòu)建了以可靠度綜合評估為目標(biāo)的模型,并通過試驗測試的方式分析驗證了設(shè)計模型在實際應(yīng)用中的價值。借助本文構(gòu)建的模型,希望可以為實際的工程建設(shè)提供有價值的參考,最大限度保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評估模型設(shè)計

1.1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評價指標(biāo)構(gòu)建

要確保構(gòu)建的大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評估模型能夠真實準(zhǔn)確地反饋構(gòu)件的實際情況[8],首先需要對構(gòu)件具體的可靠度評級指標(biāo)進行合理設(shè)計。一般情況下,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性是不能夠直接應(yīng)用的。作為一個相對定性化的指標(biāo)參量,需要借助可靠度這一指標(biāo)實現(xiàn)對其的度量[9,10]。在此基礎(chǔ)上,本文將構(gòu)件在規(guī)定時間和條件下完成設(shè)計功能的概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的評價指標(biāo)。那么對應(yīng)地,結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間和條件下,不能完成設(shè)計功能的概率即為結(jié)構(gòu)的失效概率。根據(jù)可靠度分析理論可知,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)可以表示為“可靠-失效”的二級化模式,可靠度代表了構(gòu)件在給定使用條件下,不發(fā)生失效的能力。而失效概率則是衡量構(gòu)件在給定時間內(nèi)發(fā)生失效的可能性。可靠度和失效概率是互為補充的概念,失效概率是可靠度的補數(shù)。構(gòu)件的安全狀態(tài)和失效狀態(tài)是以獨立對立的形式存在的,這種互不相容的關(guān)系使得構(gòu)件的可靠度和失效概率之間的存在以下關(guān)系:

Kw+Pl=1

(1)

式中:Kw為構(gòu)件能夠在規(guī)定時間和條件下完成設(shè)計功能的概率值,Pl為構(gòu)件無法在規(guī)定時間和條件下完成設(shè)計功能的概率值。以此為基礎(chǔ),構(gòu)件整體的可靠度就可以用上述兩個參數(shù)進行表述。但是需要注意的是,雖然從整體上分析影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素僅分為上述兩個指標(biāo),但是在實際的施工過程中,上述兩個因素是以相對宏觀的形式表現(xiàn)的。這就意味著Kw和Pl均是由相關(guān)施工條件、構(gòu)件加工條件以及構(gòu)件應(yīng)用條件等因素共同作用形成的。針對該問題,為了進一步提高建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評價指標(biāo)的應(yīng)用價值,需要對其進行進一步細化。

為此,本文假設(shè)影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素為隨機變量,以構(gòu)件為目標(biāo)對象的環(huán)境中,各影響因素的聯(lián)合概率密度函數(shù)可以表示為:

f(X)=f(x1,x2,…,xn)

(2)

式中:f(X)為建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件各影響因素的聯(lián)合概率密度函數(shù),xn表示任意影響建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度的因素,通過式(2)可以看出,存在X={x1,x2,…,xn},那么對應(yīng)地,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度評價指標(biāo)可以表示為:

∑Kw(xn)+∑Pl(xn)=n

(3)

式中:n為參與建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度評估的影響因素總量。

按照這樣的方式,即可實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評價指標(biāo)的構(gòu)建,為后續(xù)評估模型的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估模型構(gòu)建

在確定具體的評價指標(biāo)后,本文在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估模型構(gòu)建階段的主要任務(wù)就是明確Kw和Pl對構(gòu)件可靠度影響權(quán)重的大小。需要注意的是,不同建筑構(gòu)件無論是在基礎(chǔ)材料組成上,還是具體的應(yīng)用設(shè)計上都存在對應(yīng)的差異性,也正是因為這種差異性,直接以定量化的參數(shù)對其可靠度影響權(quán)重進行計算難以計算得到準(zhǔn)確的可靠度結(jié)果。為此,本文采用二階彈性分析設(shè)計法實現(xiàn)對其可靠度評價指標(biāo)權(quán)重的計算。

對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性進行計算的最終目標(biāo)是提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文通過在各層柱頂附加假想水平荷載的方式得到各個影響因素在二階彈性分析設(shè)計法下的影響程度。在此基礎(chǔ)上,再綜合考慮構(gòu)件結(jié)構(gòu)中存在的整體幾何缺陷對可靠度的作用強度。不僅如此,為了避免由于構(gòu)件長度差異對驗算結(jié)果的影響,本文以1.0作為統(tǒng)一長度系數(shù)。這樣也可以在一定程度上簡化對構(gòu)件可靠性評價因素權(quán)重計算的復(fù)雜性。具體的二階彈性分析設(shè)計法計算結(jié)果可以表示為:

(4)

(5)

式中:WKw為Kw在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估中的權(quán)重系數(shù),WPl為Pl在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估中的權(quán)重系數(shù),L為構(gòu)件長度。根據(jù)上述的設(shè)置,式(4)和式(5)中的L均取1.0。E表示施加在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件各層的水平荷載強度,考慮到構(gòu)件失效是一個逐漸發(fā)展的過程中,當(dāng)作用與構(gòu)件的荷載強度小于臨界荷載力時,構(gòu)件是以相對穩(wěn)態(tài)的形式存在的,對應(yīng)的形變量以及內(nèi)力的變化都是均勻發(fā)展的。當(dāng)作用與構(gòu)件的荷載強度大于臨界荷載力時,構(gòu)件是以非穩(wěn)態(tài)的形式存在的,對應(yīng)的形變量以及內(nèi)力的變化也將呈現(xiàn)出躍進式的發(fā)展特點。為此,本文在對E值進行設(shè)置時,將其初始變異系數(shù)設(shè)置為0.2,得到初始臨界荷載力閾值范圍后,設(shè)置E的變異系數(shù)為0.1。通過這樣的方式,確保最終計算得到的構(gòu)件可靠性評價因素權(quán)重系數(shù)無限接近實際值。

按照上述方式計算得到的權(quán)重系數(shù),本文構(gòu)建的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估可以表示為:

K=∑WKwKw(xn)-WPl∑Pl(xn)

(6)

式中:K為構(gòu)件的可靠度評估模型。按照式(6)所示的方式,根據(jù)構(gòu)件的實際應(yīng)用需求,將對應(yīng)的影響因素指標(biāo)輸入到模型中,模型輸出的結(jié)果即為構(gòu)件對應(yīng)的可靠度評估結(jié)果。

通過這樣的方式,實現(xiàn)對構(gòu)件可靠度的準(zhǔn)確計算。

2 實例分析

本文在上述理論設(shè)計的基礎(chǔ)上,以實際施工案例為基礎(chǔ)進行了實例分析,考慮到直接對構(gòu)件的可靠度進行測量難度較大。因此,本文采用現(xiàn)階段工程驗收中應(yīng)用的蒙特卡羅法計算得到的結(jié)果作為基準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,分別采用文獻[5]和文獻[6]提出的方法作為對照組,通過比較不同方法計算結(jié)果與蒙特卡羅法計算對應(yīng)結(jié)果之間的誤差,分析本文設(shè)計綜合評估模型的應(yīng)用價值。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)架基礎(chǔ)參數(shù)

本文進行測試的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件為平面桁架多構(gòu)件體系,彈塑性平面桁架的具體施工設(shè)計如圖1所示。

圖1 平面桁架結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出,進行測試的彈塑性平面桁架構(gòu)件由10個基礎(chǔ)構(gòu)件組成,結(jié)構(gòu)整體形態(tài)規(guī)則,并且平行構(gòu)件之間設(shè)置了加固結(jié)構(gòu)確保其穩(wěn)定性。按照圖1所示,對構(gòu)件各組成部分的具體性能參數(shù)進行分析,其中,各桿件截面屈服強度一致,均為200.0 MPa,單元截面面積均為0.5 m×0.5 m,構(gòu)件受到的水平荷載力均值為12 500 kN,變異系數(shù)為0.35。構(gòu)件水平和垂直組成部分之間的跨度均為 4 000.0 mm,結(jié)構(gòu)對應(yīng)的彈性模量為2.0×105N/mm2,撓度不確定性系數(shù)為1.07,對應(yīng)的變異系數(shù)為0.02。對構(gòu)件的施工設(shè)計情況進行分析,對應(yīng)的混凝土強度等級和施工厚度分別為 C30和25.0 mm。

2.2 實驗指標(biāo)

按照上述所示的方式,計算構(gòu)件的可靠度?？煽慷冉Y(jié)果誤差是評估方法和模型的精確度和準(zhǔn)確性的一種度量。較小的誤差表示評估方法和模型的可靠度較高,結(jié)果更接近真實情況?？煽慷冉Y(jié)果誤差的計算表達式為:

(7)

式中:Error為計算結(jié)果的誤差,KMC為蒙特卡羅法計算得到的構(gòu)件可靠度標(biāo)準(zhǔn)解。

2.3 計算結(jié)果與分析

在上述測試的基礎(chǔ)上,本文統(tǒng)計了不同方法對構(gòu)件可靠度計算結(jié)果,并按照式(7)所示的方式對各個方法對應(yīng)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差進行計算,得到的數(shù)據(jù)信息見表1。

表1 不同方法建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度計算結(jié)果統(tǒng)計表

通過觀察表1中的數(shù)據(jù)可以看出,對比不同方法對施工構(gòu)件可靠度的分析結(jié)果可以看出,其中,文獻[5]方法計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差表現(xiàn)出了較為明顯的不穩(wěn)定性,其中,最小值僅為0.55%,但是最大值達到了4.31%。文獻[6]方法的計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的擬合度有所提升,其中,最小誤差僅為0.10%,但是最大誤差也達到了4.07%,雖然與文獻[5]方法相比雖然表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢,但是其仍存在一定的提升空間。相比之下,本文設(shè)計模型對測試建筑施工構(gòu)件可靠度的計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差始終穩(wěn)定在2.50%以內(nèi),最大值僅為2.20%,最小值僅為0.10%。測試結(jié)果表明,本文設(shè)計的大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評估模型可以實現(xiàn)對構(gòu)件應(yīng)用狀態(tài)的準(zhǔn)確分析,能夠為實際的建筑施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

為進一步驗證設(shè)計方法的實效性,進行建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估時間測試,測試結(jié)果見表2。

表2 測試結(jié)果

根據(jù)表2可以看出,本文方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估時間最高為11 ms;而對比方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估時間明顯高于本文方法,文獻[5]方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估時間最高達到了39 ms,文獻[6]方法的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度評估時間最高達到了42 ms。由此可見,本文方法的評估效率較高,具有實用性。

3 結(jié)束語

為了最大限度地降低由構(gòu)件可靠度無法滿足建筑需求導(dǎo)致的安全問題,對構(gòu)件的可靠度進行準(zhǔn)確評估分析是十分必要的?？紤]到影響其可靠度的因素不僅涉及其自身構(gòu)成,同時也與其實際應(yīng)用環(huán)境的應(yīng)力需求之間相關(guān),因此,綜合考慮構(gòu)件的各指標(biāo)參數(shù)與應(yīng)力能力是保障可靠度計算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文設(shè)計了一種大型高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度綜合評估模型,實例結(jié)果表明,設(shè)計模型對構(gòu)件可靠度的評估結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)解之間的誤差最大值為2.20%,最小值僅為0.10%,可靠度評估時間最高為11 ms,說明設(shè)計模型實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度準(zhǔn)確高效的計算。通過本文的研究,希望可以為相關(guān)建筑施工提供有價值的幫助,保障建筑施工的穩(wěn)定性和安全性。