既有結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)的求解

蔣濟(jì)同, 吳穎欣, 杜德潤(rùn)

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

既有結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)的求解

蔣濟(jì)同, 吳穎欣, 杜德潤(rùn)

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力分級(jí)原則，求解出既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)。首先，根據(jù)既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)抗力數(shù)理模型的不同，歸納整理出對(duì)應(yīng)的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)；其次，根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)整前后的不同，求解出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)；再次，依據(jù)后續(xù)使用年限調(diào)整系數(shù)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)的不同，計(jì)算出現(xiàn)行規(guī)范條件下不同后續(xù)使用年限對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)。最后，加入考慮抗力衰減因素，對(duì)比得出鑒定分級(jí)系數(shù)的安全富余程度，為將來(lái)實(shí)際鑒定工作提供參考和借鑒。

可靠度；鑒定分級(jí)系數(shù)；既有結(jié)構(gòu)；后續(xù)使用年限；抗力衰減

實(shí)際工程鑒定工作中，均是按照《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1](GB50292-1999)中的鑒定細(xì)則進(jìn)行，從構(gòu)件、子單元、鑒定單元三個(gè)層次依照鑒定分級(jí)系數(shù)逐層進(jìn)行鑒定評(píng)估。

新建建筑結(jié)構(gòu)的鑒定分級(jí)系數(shù)求解過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮影響其抗力的三種不確定性因素(材料性能的不確定性、幾何參數(shù)的不確定性、計(jì)算模式的不確定性)，采用新建建筑結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力分級(jí)原則進(jìn)行求解。而對(duì)于既有結(jié)構(gòu)，求解其對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)要不同于新建建筑結(jié)構(gòu)，《可靠度理論在既有建筑鑒定中存在的問(wèn)題》[2]等文獻(xiàn)中也提到了此看法，對(duì)于已經(jīng)存在的實(shí)體建筑，應(yīng)充分考慮其特點(diǎn)，但目前還尚未有文獻(xiàn)系統(tǒng)求解出既有結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)而進(jìn)行可靠性評(píng)估。新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]對(duì)中國(guó)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全度做了調(diào)整，整體設(shè)置水平有所提高，目標(biāo)可靠指標(biāo)β也隨之改變。在此種情況下，可靠性鑒定工作中所采用的鑒定分級(jí)系數(shù)也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整使之對(duì)應(yīng)現(xiàn)行所有規(guī)范。

從經(jīng)濟(jì)角度以及將來(lái)鑒定工作考慮，應(yīng)系統(tǒng)求解對(duì)應(yīng)不同后續(xù)使用年限的可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)。因結(jié)構(gòu)抗力是隨時(shí)間衰減的隨機(jī)變量，所以在求解不同后續(xù)使用年限可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)過(guò)程中，應(yīng)加入抗力衰減的考慮，使結(jié)果更符合實(shí)際工程的需要。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力分級(jí)原則

在實(shí)際工程鑒定工作中，均依照委托方提出的要求，按初步調(diào)查(圖紙資料、建筑物歷史情況、考察現(xiàn)場(chǎng)、制定檢測(cè)方案)、確定鑒定目的、內(nèi)容及范圍、詳細(xì)調(diào)查(結(jié)構(gòu)基本情況勘查、結(jié)構(gòu)使用條件調(diào)查核實(shí)、地基基礎(chǔ)檢查、材料性能檢測(cè)分析、承重結(jié)構(gòu)檢查、維護(hù)系統(tǒng)使用工程檢查)、鑒定結(jié)果評(píng)定分析直至最后出具鑒定報(bào)告的流程進(jìn)行?！睹裼媒ㄖ煽啃澡b定標(biāo)準(zhǔn)》[1]中，詳細(xì)規(guī)范了針對(duì)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鑒定細(xì)則。在進(jìn)行民用建筑可靠性鑒定評(píng)級(jí)時(shí)，分為可靠性鑒定與適修性鑒定兩方面，其中可靠性鑒定中包含了安全性鑒定與使用性鑒定，均按照構(gòu)件、子單元、鑒定單元3個(gè)層次依照鑒定分級(jí)系數(shù)評(píng)級(jí)逐層進(jìn)行，但安全性鑒定每一層次分為4個(gè)等級(jí)而使用性鑒定每一層次分為3個(gè)等級(jí)，見(jiàn)圖1、2。因此求解不同情況下的鑒定分級(jí)系數(shù)能為今后鑒定工作提供借鑒與參考。

由可靠度理論可知，當(dāng)荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)為已知時(shí)，可靠指標(biāo)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力均值及其標(biāo)準(zhǔn)差的函數(shù)，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力又與其材料和構(gòu)件的質(zhì)量密切相關(guān)?！督ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[4](GBJ68-84)中規(guī)定了兩種質(zhì)量界限，即設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量以及下線質(zhì)量，前者為結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)件的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到或者高于目標(biāo)可靠指標(biāo)的期望值，后者為按目標(biāo)可靠指標(biāo)減去0.25而確定的，此值相當(dāng)于其所對(duì)應(yīng)的失效概率運(yùn)算值上升了半個(gè)數(shù)量級(jí)?；谏鲜隹紤]，《既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性分析》[5]等文獻(xiàn)中，均提到了au、bu、cu、du的分級(jí)原則，本文不再重復(fù)介紹。

圖1 安全性鑒定的層級(jí)和等級(jí)

2 新建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)求解

新建建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮影響其抗力的三種不確定性因素(材料性能的不確定性、幾何參數(shù)的不確定性、計(jì)算模式的不確定性)。在采用新建建筑結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)的情況下，運(yùn)用結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力分級(jí)原則，可分別求解出對(duì)應(yīng)規(guī)范調(diào)整前后的鑒定分級(jí)系數(shù)。

對(duì)于新建建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，研究其抗力，無(wú)論是單一材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件還是符合材料組成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，均需綜合考慮影響其抗力的三種不確定因素(材料性能的不確定性KM、幾何參數(shù)的不確定性KA、計(jì)算模式的不確定性KP)。參照《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)原理》[6]中結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)求解方法，求解出對(duì)應(yīng)于14種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)，《土木工程結(jié)構(gòu)可靠度理論與設(shè)計(jì)》[7]等文獻(xiàn)也進(jìn)行了相關(guān)的求解工作。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8](GB50009-2001)中第3.2.5條規(guī)定，實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利且由可變荷載效應(yīng)控制的荷載組合時(shí)，取1.2，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)γQ取1.4?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]中規(guī)定的安全等級(jí)為二級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件β為3.2和3.7，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0；荷載標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)整后，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的β應(yīng)相應(yīng)調(diào)整為3.6和4.1，實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中γG、γQ和γ0分別為1.3、1.4和0.959；為了目前實(shí)際工程需要，即實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中的相應(yīng)系數(shù)以及結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)均按現(xiàn)行規(guī)范取值，荷載標(biāo)準(zhǔn)值按調(diào)整后取值；分別采用上述3種值的組合，帶入新建結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)KR和δR，求解出對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 不同情況下考慮三種不確定性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期鑒定分級(jí)系數(shù)

由表1可知，若完全按照現(xiàn)行各個(gè)規(guī)范取值，即荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用調(diào)整之后，實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中荷載組合分項(xiàng)系數(shù)分別采用1.2、1.4，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.0以及目標(biāo)可靠指標(biāo)取為3.2、3.7，求解出鑒定分級(jí)系數(shù)a、b、c、d分別取為0.9、0.83、0.76和0.70。將鑒定分級(jí)系數(shù)求解結(jié)果與《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]中規(guī)定a、b、c、d分別取為1.0、0.95、0.9和0.85來(lái)進(jìn)行每個(gè)層次之間的評(píng)級(jí)對(duì)比，得出目前鑒定標(biāo)準(zhǔn)中的鑒定分級(jí)系數(shù)偏安全，安全富余約為10個(gè)百分點(diǎn)。

3 既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)求解

結(jié)構(gòu)所受的各種荷載、結(jié)構(gòu)抗力及其概率統(tǒng)計(jì)模型，所指的結(jié)構(gòu)是指“待建”結(jié)構(gòu)或者“擬建”結(jié)構(gòu)，此時(shí)結(jié)構(gòu)正在設(shè)計(jì)圖紙上，還未建成實(shí)際建筑，在此種情況下，結(jié)構(gòu)的材料性能、所受的荷載等均為隨機(jī)變量。結(jié)構(gòu)一旦建設(shè)完成，就是一個(gè)實(shí)際存在的實(shí)體，成為“既有”結(jié)構(gòu)，這時(shí)結(jié)構(gòu)的材料性能不再具有隨機(jī)性，實(shí)際上是具有確定值的量(盡管主觀上此值未知)。所以，對(duì)于“既有”結(jié)構(gòu)，要不同于新建建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分考慮

其特點(diǎn)，進(jìn)行可靠性評(píng)估。

在實(shí)際工程鑒定工作中，特別是在使用鑒定軟件計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意所采用或輸入的數(shù)據(jù)與評(píng)估時(shí)所采用的鑒定分級(jí)系數(shù)相對(duì)應(yīng)，避免造成一些不必要的浪費(fèi)。所以求解不同情況下，考慮不同種不確定性因素的抗力及其所對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)對(duì)今后的鑒定工作來(lái)說(shuō)，顯得尤為重要。

3.1 既有結(jié)構(gòu)的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)

3.1.1 忽略材料性能與幾何尺寸不確定性抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù) 實(shí)際工程中，既有結(jié)構(gòu)的抗力是無(wú)法直接得到的，只能通過(guò)現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)與手段得到結(jié)構(gòu)的材料性能和幾何參數(shù)。此種情況下，在消除了材料性能的不確定性和幾何參數(shù)的不確定性后，既有結(jié)構(gòu)的抗力概率模型的建立就僅需要考慮計(jì)算模式的不確定性的影響。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力可采用隨機(jī)變量R表示：

R=WP·gRP=WP·gR(fi,ai)

(i=1,2,…,n),

(1)

式中:R為既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際抗力值;RP為由抗力函數(shù)確定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力值;Ωp為計(jì)算模式不確定性的參數(shù);fi為結(jié)構(gòu)構(gòu)件中第i種材料的材料性能實(shí)際值;ai為與第i種材料相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的實(shí)際值。

因此，帶入計(jì)算模式不確定的參數(shù)，可以得到既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的變異系數(shù)δR與均值μR：

(2)

mR=mWPR(f,a)。

(3)

忽略材料性能不確定性和幾何尺寸不確定性的十四種構(gòu)件的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)KR和dR的求解，可參照文獻(xiàn)[6]變形求解而得，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 考慮一種、兩種不確定性抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)

注：表中AC代表Axial compression；AT代表Axial tension； EC代表Eccentric compression；B代表Bending；S代表Shear。

3.1.2 忽略幾何尺寸不確定性抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù) 對(duì)于既有建筑結(jié)構(gòu)，理論上可通過(guò)檢測(cè)技術(shù)與手段得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能(如強(qiáng)度)和幾何參數(shù)，但實(shí)際檢測(cè)工作中，檢測(cè)數(shù)據(jù)獲得的本身就具有隨機(jī)性，以樣本估計(jì)整體，使得既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能仍然具有不確定性，所以研究既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)，可按只忽略幾何尺寸不確定性考慮。

在考慮材料性能不確定性和計(jì)算模式不確定性，即忽略幾何尺寸不確定性時(shí)，抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)KR和dR會(huì)隨著配筋率r變化而變化，但是變化不大。KR和dR同時(shí)也會(huì)隨材料性能(強(qiáng)度)的變化而產(chǎn)生變化。對(duì)應(yīng)于十四種構(gòu)件的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)KR和dR同樣可參照文獻(xiàn)[6]按只考慮一種不確定性的公式變形求解得到(見(jiàn)表2)。

3.2 既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期鑒定分級(jí)系數(shù)求解

對(duì)于既有建筑結(jié)構(gòu)，可通過(guò)現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)與手段得到結(jié)構(gòu)的材料性能和幾何參數(shù)的，若仍然按照三種不確定性來(lái)考慮抗力，在實(shí)際鑒定工作中，將造成不必要的浪費(fèi)。在使用鑒定軟件(如PKPM鑒定模塊)將實(shí)體建筑結(jié)構(gòu)建模時(shí)，輸入檢測(cè)出的數(shù)據(jù)(如材料強(qiáng)度、幾何尺寸等)進(jìn)行計(jì)算，此種情況下，與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期鑒定分級(jí)系數(shù)應(yīng)由忽略了材料性能的不確定性和幾何參數(shù)的不確定性后的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)求解。

由于檢測(cè)數(shù)據(jù)的獲得本身就具有隨機(jī)性，所以考慮既有建筑結(jié)構(gòu)的抗力時(shí)，仍然需要考慮材料性能的不確定性，所以在實(shí)際鑒定工作中，抗力可按照考慮材料性能不確定性和計(jì)算模式不確定性考慮(即忽略幾何尺寸不確定性)。

荷載調(diào)整前后以及采用現(xiàn)行規(guī)范數(shù)據(jù)，分別考慮一種不確定性(即忽略材料強(qiáng)度和幾何尺寸不確定性)和兩種不確定性(即忽略幾何尺寸不確定性)時(shí)，求解出十四種不同構(gòu)件在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的鑒定分級(jí)系數(shù)平均值(見(jiàn)表3)。將表3與表1結(jié)果對(duì)比得出：

(1)荷載調(diào)整之前，實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式相應(yīng)系數(shù)采用1.2、1.4、1.0，目標(biāo)可靠指標(biāo)采用3.7和3.2時(shí)，，抗力考慮一種不確定性時(shí)鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約8.5%；抗力考慮兩種不確定性，鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約12.3%。

(2)荷載調(diào)整之后，實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式相應(yīng)系數(shù)采用1.3、1.4、0.959，目標(biāo)可靠指標(biāo)采用4.1和3.6時(shí)，抗力考慮一種不確定性時(shí)，鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約10.6%；抗力考慮兩種不確定性時(shí)，鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約11.2%。

(3)荷載調(diào)整之后，所有數(shù)據(jù)均按現(xiàn)行規(guī)范取值，即實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式相應(yīng)系數(shù)采用1.2、1.4、1.0，目標(biāo)可靠指標(biāo)采用3.7和3.2時(shí)，抗力考慮一種不確定性時(shí)，鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約10.3%；抗力考慮兩種不確定性時(shí)，鑒定分級(jí)系數(shù)可調(diào)低約11.3%。

表3 不同情況考慮一種/兩種不確定性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期鑒定分級(jí)系數(shù)

將表3中兩種情況求解結(jié)果對(duì)比得出，抗力考慮一種不確定性時(shí)的鑒定分級(jí)系數(shù)約比抗力考慮兩種不確定性時(shí)的鑒定分級(jí)系數(shù)高約1至4個(gè)百分點(diǎn)，這是因?yàn)榭沽y(tǒng)計(jì)時(shí)，在考慮材料性能不確定時(shí)，均值全按大于1來(lái)考慮，這點(diǎn)很好地解釋了所求的結(jié)果。

4 不同后續(xù)使用年限可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)求解

在實(shí)際可靠性鑒定工作中，最普遍的鑒定工作為鑒定后續(xù)使用50年是否滿(mǎn)足可靠度要求，不滿(mǎn)足的情況下需進(jìn)行維修與加固，甚者拆除。此種情況對(duì)于委托方預(yù)計(jì)將此建筑結(jié)構(gòu)使用年限小于50 d時(shí)，將造成一些不必要的浪費(fèi)。因此求解對(duì)應(yīng)不同后續(xù)使用年限的可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度還是將來(lái)鑒定工作的借鑒與參考，都具有重大意義。

在外界環(huán)境影響和材料內(nèi)部因素的作用下，既有建筑結(jié)構(gòu)抗力是一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程?！犊紤]抗力隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)可靠度分析》[10]、《考慮抗力隨時(shí)間衰減的既有結(jié)構(gòu)可靠度分析》[11]等文獻(xiàn)均提到了對(duì)于抗力衰減的看法。例如混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度隨時(shí)間先是增長(zhǎng)，依賴(lài)于結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境影響，大約在20～30年時(shí)達(dá)到最高，隨后其強(qiáng)度隨時(shí)間又降低。美國(guó)和日本均做過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度衰減試驗(yàn)。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，其截面面積會(huì)因鋼筋銹蝕等減少，因此鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力降低，特別是處于不利環(huán)境中(如氯離子環(huán)境)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，其抗力主要取決于連接處的焊接質(zhì)量和鉚接質(zhì)量及其穩(wěn)定性，很多工程事故的發(fā)生都與此有關(guān)。因此，在求解不同后續(xù)使用年限可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)過(guò)程中，應(yīng)加入抗力衰減的考慮，更符合實(shí)際工程。

4.1 未考慮抗力衰減不同后續(xù)使用年限可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)求解

既有建筑結(jié)構(gòu)的可靠性分析中，當(dāng)考慮永久荷載和一個(gè)可變荷載組合的情況時(shí)，結(jié)構(gòu)某一狀態(tài)的功能函數(shù)為

Z(t)=R(t)-SG-SQ(t)。

(4)

當(dāng)任一時(shí)點(diǎn)或任一時(shí)段可變作用SQ(t)服從于極值Ⅰ型分布時(shí)，文獻(xiàn)《基于可靠性的在役混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測(cè)》[12]通過(guò)將后續(xù)使用時(shí)段離散化，得到結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用時(shí)段Tc內(nèi)的功能函數(shù)

Z=R-SG-SQt,

(5)

式中，SQt為后續(xù)使用時(shí)段Tc內(nèi)可變作用SQ(t)的最大值隨機(jī)變量，取Tc=t，其平均值由下式計(jì)算：

(6)

式中R為T(mén)c時(shí)間段內(nèi)抗力隨機(jī)過(guò)程R(t)的等效隨機(jī)變量，稱(chēng)之為等效抗力，它綜合反映了結(jié)構(gòu)抗力在時(shí)間段內(nèi)的變化歷程，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中：αT為SQT概率分布函數(shù)的參數(shù)；m為后續(xù)使用時(shí)間段Tc等分的時(shí)段數(shù)；Ri為隨機(jī)過(guò)程R(t)；τ為時(shí)段的長(zhǎng)度；ti=(i-0.5)τ時(shí)刻的抗力值。

當(dāng)不考慮抗力隨時(shí)間的衰減時(shí)，采用不同年限調(diào)整系數(shù)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)，對(duì)不同后續(xù)使用年限的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。當(dāng)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)、可變荷載分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別采用1.2、1.4和1.0，目標(biāo)可靠指標(biāo)β采用4.1和3.6時(shí)，求解出對(duì)應(yīng)于十四種不同構(gòu)件考慮不同種抗力不確定性的因素的不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4、5、6。

4.2 考慮抗力衰減不同后續(xù)使用年限可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)求解

對(duì)于符合設(shè)計(jì)、施工和正常使用要求的建筑結(jié)構(gòu)，即使常規(guī)的檢測(cè)和維護(hù)，抗力仍然是隨時(shí)間和衰減的，即

R(t)=R0j(t)，

(8)

式中：R0為結(jié)構(gòu)構(gòu)件t=0時(shí)刻的抗力；j(t)為一確定性(衰減系數(shù))函數(shù)。

表4 三種不確定性不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

表5 兩種不確定性不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

表6 一種不確定性不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

上式為一非常簡(jiǎn)單的隨機(jī)過(guò)程模型，在這種模型下，t時(shí)刻結(jié)構(gòu)的抗力的隨機(jī)性依賴(lài)于t=0時(shí)刻的抗力的隨機(jī)性，其概率分布模型不變，相應(yīng)的平均值和變異系數(shù)變?yōu)椋?/p>

mR(t)=mR0j(t)，

(9)

dR(t)=dR0。

(10)

因此可將R視為概率分布與R0相同，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可有下式計(jì)算得出的隨機(jī)變量：

(11)

(12)

式中mR0和dR0可按下式計(jì)算得出：

(13)

dR0=dR。

(14)

經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料得到混凝土的強(qiáng)度衰減系數(shù)為jc(t)=1.0-8.0×10-7t3，鋼筋混凝土中的鋼筋衰減系數(shù)為jy(t)=1.0-2.2×10-6t3，木結(jié)構(gòu)的抗力衰減參照《溫濕度變化環(huán)境下木構(gòu)件長(zhǎng)期強(qiáng)度衰減模型》[13]中得出的衰減曲線進(jìn)行計(jì)算。

因文獻(xiàn)資料有限，目前還未獲得鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衰減模型和砌體結(jié)構(gòu)衰減模型，鋼結(jié)構(gòu)和薄鋼結(jié)構(gòu)只能按照鋼筋混凝土中鋼筋衰減模型進(jìn)行定性求解分析，砌體結(jié)構(gòu)衰減模型咱按未衰減考慮，求解出加入抗力衰減后，對(duì)應(yīng)于十四種不同構(gòu)件考慮不同種抗力不確定性的因素的不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表7、8、9。

表7 三種不確定性抗力衰減不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

表8 兩種不確定性抗力衰減不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

表9 一種不確定性抗力衰減不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)

將表7、8、9分別與表4、5、6分別對(duì)比，因衰減模型數(shù)據(jù)不完備，只定性對(duì)比出考慮不同種不確定性因素時(shí)的結(jié)論：考慮抗力衰減后的結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)增大。

5 結(jié)論

(1)民用建筑鑒定分為可靠性鑒定與適修性鑒定，其中可靠性鑒定包括安全性鑒定與使用性鑒定。鑒定工作均是分為構(gòu)件、子單元和鑒定單元三個(gè)層次，從第一層次開(kāi)始，按照鑒定分級(jí)系數(shù)逐層進(jìn)行分級(jí)評(píng)定。構(gòu)件承載能力分級(jí)原則是按照建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度與目標(biāo)可靠指標(biāo)β的關(guān)系進(jìn)行分級(jí)的。

(2)新建建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮影響其抗力的三種不確定性因素(材料性能的不確定性、幾何參數(shù)的不確定性、計(jì)算模式的不確定性)。按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力分級(jí)原則，分別求解出規(guī)范調(diào)整前、調(diào)整后以及均采用現(xiàn)行規(guī)范數(shù)據(jù)情況下的鑒定分級(jí)系數(shù)，得出目前鑒定標(biāo)準(zhǔn)中的鑒定分級(jí)系數(shù)偏安全，安全富余約為10個(gè)百分點(diǎn)。

(3)根據(jù)既有建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別求解出考慮影響抗力的一種不確定因素和兩種不確定因素的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并帶入求解出其對(duì)應(yīng)的鑒定分級(jí)系數(shù)，得出無(wú)論是考慮兩種亦或是一種不確定因素對(duì)抗力的影響，其鑒定分級(jí)系數(shù)均比考慮三種不確定因素下降約10%，并且抗力考慮一種不確定性時(shí)的鑒定分級(jí)系數(shù)約比抗力考慮兩種不確定性時(shí)的鑒定分級(jí)系數(shù)高約1至4個(gè)百分點(diǎn)。

(4)求解對(duì)應(yīng)不同后續(xù)使用年限的可靠性鑒定分級(jí)系數(shù)是具有實(shí)用性與科學(xué)性的。實(shí)際上抗力是隨時(shí)間衰減的隨機(jī)變量，將考慮抗力衰減求出的不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)與為加入考慮抗力衰減求解結(jié)果對(duì)比得出,考慮抗力衰減后的結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)增大。

[1] 四川省建設(shè)委員會(huì). GB50292-1999民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1999. Sichuan province construction committee, GB50292-1999(1999). Standard for Appraiser of Reliability of Civil Buildings[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1999.

[2] 馬曉寧. 可靠度理論在既有建筑鑒定中存在的問(wèn)題[J]. 黑龍江科技信息, 2013 (25): 198-198. Ma Xiaoning. Reliability theory in the application of existing building appraisal problem [J]. Heilongjiang science and technology information, 2013(25): 198-198.

[3] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012. National Standard of China, GB50009-2012(2012). Load Code for the Design of Building Structures[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[4] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院GBJ68-84 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1985. National Standard of China, GBJ68-84. Unified Standards for the Design of Structures [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1984.

[5] 顧祥林, 許勇, 張偉平. 既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2005, 25(6): 117-122. Gu Xianglin, XU Yong, Zhang Weiping. Safety analysis of structural members of existing buildings [J]. Journal of Building Structures, 2005, 25(6): 117-122.

[6] 貢金鑫, 魏巍巍. 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007. Gong Jinxin, Wei Weiwei. Principle of Engineering Structure Reliability Design [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2007.

[7] 楊偉軍, 趙傳智. 土木工程結(jié)構(gòu)可靠度理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民交通出版社, 1999. Yang Weijun, Zhao Chuanzhi. Reliability Theory and Design of Civil Engineering Structures [M]. Beijing: China communication press, 1999.

[8] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). GB50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001. National Standard of China, GB50009-2001(2001). Load Code for the Design of Building Structures[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2001.

[9] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB50068-2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001. National Standard of China, GB50068-2001(2001). Unified Standard for Reliability Design of Building Structures[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2001.

[10] 貢金鑫. 考慮抗力隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)可靠度分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1998, 19(5): 43-51. Gong Jinxin, Zhao Guofan, Relibility analysis for Deteriorating Structures [J]. Journal of Building Structures, 1998, 19(5): 43-51.

[11] 張耀華, 王鐵成, 楊建江. 考慮抗力隨時(shí)間衰減的既有結(jié)構(gòu)可靠度分析[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 37(3): 429-435. Zhang Yaohua, Wang Tiecheng, Yang Jianjiang. Relibility analysis for existing structures considering reduction of resistances with time [J]. Journal of Shangdong Agricultural University (Natural Sceience), 2006, 37(3): 429-435.

[12] 趙尚傳, 趙國(guó)藩. 基于可靠性的在役混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測(cè)[J]. 建筑科學(xué), 2001, 17(5): 266-269. Zhao Shangchuan, Zhao Guofan, Predicion of remaining service life of existing concrete structures based on reliability [J]. Building Science, 2001, 17(5): 266-269.

[13] 王雪亮, 瞿偉廉. 溫濕度變化環(huán)境下木構(gòu)件長(zhǎng)期強(qiáng)度衰減模型[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009 38(5): 634-639. Wang Xueliang, Qu Weilian, A long time strength degradation model for timber members under varying hygrothermal environments [J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2009, 38(5):634-639.

責(zé)任編輯 陳呈超

Solution on the Coefficients of Appraisal Identification for the Existing Structure Under Different Subsequent Service Lives

JIANG Ji-Tong, WU Ying-Xin, DU De-Run

(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the principle of structures ultimate classification, the coefficients for appraisal identification of different subsequent service lives are calculated for existing structures and new structures respectively. Firstly, the resistance statistical parameters are obtained according to different mathematical models of resistance for existing structures and new structures. Secondly, the coefficients for appraisal identification under the circumstance of design reference period are solved before and after the adjustment of characteristic values of load. Thirdly, the coefficients for appraisal identification which meet the requirements of the current standard are computed corresponding to the adjustment factors and mathematical statistics parameters of different subsequent service lives. Finally, safety margin of the coefficients for appraisal identification are achieved by comparison when considering the resistance attenuation, which is analyzed for the future practical identification project.

degree of reliability; coefficient of appraisal identification; existing structure; subsequent service life; resistance attenuation

2015-04-13；

2016-12-10

蔣濟(jì)同(1966-)，男，教授。E-mail:baomiaoxinzi@163.com

TU2

A

1672-5174(2017)08-151-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150115

蔣濟(jì)同, 吳穎欣, 杜德潤(rùn). 既有結(jié)構(gòu)不同后續(xù)使用年限鑒定分級(jí)系數(shù)的求解[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(8): 151-158.

JIANG Ji-Tong, WU Ying-Xin, DU De-Run. Solution on the coefficients of appraisal identification for the existing structure under different subsequent service lives[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(8): 151-158.