结构整体性评估方法研究1

1结构整体性评估方法研究摘 要：土木工程与水利工程作为与人们的生活息息相关的两大工程，给人们带来很多福利，但同时，某些老旧的结构物存在一定的安全隐患，因此对其定期进行安全性评估是十分必要的。其中，码头检测与评估是一门新兴的边缘学科，其整体性的评估方法还不完善，十分有研究的价值。本文主要将前人对码头、桥梁、建筑以及大坝的评估方法进行总结与分析，以期待更好的显现结构整体性评估的全貌。关键字：土木工程 码头 结构评估 方法1.引言无论是发达的国家还是发展中的国家，结构的安全仍是二十一世纪的热点问题。随着时间的流逝，长期暴露在自然环境下的结构物逐渐破损，这是一个不可逆转的过程。大量解放前的老建筑，还在继续使用中，而且有些建筑物已经达到设计使用年限，这些潜伏的危害，如果不及时采取措施，将会酿成更大的事故。对已有的老旧结构以及因某些事故而造成破坏的结构进行安全性评价鉴定已经关系到社会经济、安全和使用的重大问题。此问题已经到了刻不容缓的地步。近年来，不少学者对结构物的整体的评估方法进行了研究，主要是针对使用较多的码头、桥梁、建筑以及水利工程中较有代表性的大坝。本文对这些成果进行梳理，以期对结构物评估方法有个更全面的了解。2.结构整体性评估方法研究2.1 码头建国以来，我国的国民经济突飞猛进，这与港口建设的发展有着不可分割的关系。我国加入世贸组织后，对港口的需求量更是有增无减。然而，在我国已建的港口码头建筑物中，大部分已经生产运营超过了十年甚至更多，这些码头在自然环境或某些事故中，不可避免的发生腐蚀、老化、过载、疲劳的等一系列损伤。这些破损存在一定的安全隐患，如果不及时采取防治措施，将会带来难以想象的经济损失，甚至是人员伤亡。与此同时，现役的港口码头已不能满足运输生产的要求，急需吞吐能力大的码头。新建的码头能否与老旧码头协调满足整体承载力的要求是码头设计人员十分重视的环节。因此，这些问题的解决就要对码头进行全面的评估，以保证对码头的现状的健康状态有个更全面的分析。码头的评估主要是对其可靠性进行评估，包括安全性、使用性与耐久性评估。依据港口水工建筑物检测评估技术规范 1中规定，码头的安全性评估以目标可靠指标 0为基础来确定分级界限，并将安全性等级分为 A、B、C、D四个等级。使用性评估按正常使用极限状态进行验算，评估分级以现行规范规定的现值与实测值或验算值的比值进行划分，划分的基本原则同安全性评估分级相似。对水工结构建筑物耐久性的评估主要针对混凝土结构、钢结构因材料2劣化造成的损伤程度，划分为不同的极限状态进行评估，并考虑维修难易程度进行评估分级。港口码头结构安全性检测与评估指南 2中规定，结构的安全性评估主要有以下步骤：划分评估单元、依据不同的码头结构型式确定验算项目并验算、码头安全性等级的确定等。其中验算项目主要是计算结构的抗力与效应。对码头的安全性评估分级应从基本单元、子单元和评估单元依次进行。结构构件安全性评估应按下表规定分别验算个验算项目等级，取最低一级作为该构件安全性评估等级。表 1 结构构件安全性评估分级标准 等级 构件类别A B C D主要构件 Rd-/Sd1.000.95R d-/Sd1.000.90R d/Sd0.95 Rd-/Sd0.90一般构件 Rd-/Sd1.000.90R d-/Sd1.000.85R d/Sd0.90 Rd-/Sd0.85对结构的安全性而言，主要体现在结构构件承载力的安全性、结构的整体牢固和耐久性等。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致结构安全事故，日本土木工程协会混凝土结构委员会(1987)提出了混凝土结构耐久性设计方法 3。徐云清（1997）建立了老化病害混凝土水工建筑物耐久性多层次评估模型,提出了对混凝土耐久性的评估方法劣化速度法与劣化度法 4。两种方法均用耐久性系数作为其分级标准，能够保证对同一个建筑在正常运性条件下不同时期进行评估时，其结果的一致性。刘伯清（1997）采用 C 语言编程和相应的开发环境，研究开发出可在基本的原始信息输入后，自动进行评估并输出评估结果的计算机软件 5，可对码头评估该具有整体的宏观认识。竺存宏（2000）提出了用模糊数学理论对海港高桩码头的可靠度进行评估 6，并结合工程实例，得出该方法对结构整体的综合评价与现场调查情况基本一致的结论。该方法中最重要的是建立模糊数学评估模型，建立因素集与评判集，采用加权平均法确定各因素的权重。基于层次分析法，对各类构件进行单层综合评估及码头结构整体双层评判，双层评判可按下述步骤：将因素集 U 按某一属性分成 S 个子集；对子集 Ui进行综合评判，设相应的因素权集为 Ai,某单因素的评价矩阵为 Ri，则 Vi=Ai Ri ；将每个子集 Ui作为一个元素，V i为其单因素评判，这样U1、U 2Ui的评价矩阵为 R=V1、V 2、 T ,由于每个子集 Ui反映了 U 的某种属性，按其对结构整体可靠度的重要程度，给出权集 A，于是有：V=AR。应用评判集可知整体的可靠度等级。 王广德、田双珠（2002）等人对目前码头评估的方法进行概括性的总结 7,主要有经验法、模糊评判法、概率计算法、控制断面计算法、振动诊断模态分析法、基于知识的专家系统、人工神经网络法及综合评估法。各种方法各有各个有的特色，但文中未深入研究每种方法的应用。陈强、冯涛（2003）等人对高桩码头承载力“论证方法”进行探讨 8，在“静态论证”与“实测参数论证”方法的基础上，用“动态论证”方法，强调现场原型整体“模拟加载”的试验观测。3朱崇诚（2003）基于可靠度理论，采用概率极限状态设计法，对码头极限状态进行评估 9。一般将评估体系分为四层，即系统可靠性、子系统可靠性、单元可靠性以及子单元可靠性。基于概率极限状态评估法理论，码头损伤其失效概率加大，可理解为码头出现不安全行的可能性增大。引入码头可靠性判别指标 Z0，定义 Z0=R 0S，其中 0为结构重要安全系数，R、S 分别为码头结构或构件的抗力和荷载作用效应。根据可靠性判别指标 Z0将码头实际技术状态分为四个等级，具体见下表。表 2 码头可靠性评估标准级别 Z0 文字解释 技术状态 破损程度 处理要求 评估结构级 Z01.0 符合规范要求 正常 无破损 不必采取措施 继续使用级 0.92Z 01.0 略低于规范要求 稍差 轻微破损 可不采取措施 改善使用级 0.87Z 00.92不符合规范要求 较差 较重损伤 应采取措施 限制使用级 Z00.87 严重不符合规范 要求 极差 严重破损 必须及时或立 刻采取措施 停止使用徐秀娟(2009)运用灰色关联度为准则，对在役高桩码头的安全性及耐久性进行综合评估 10。该方法是在多层次评估模型的基础上，确定各个层次的初始权重，在用熵的性质对权重数修正，最后用表示结构或构件耐久性的灰色关联度 R 作为划分等级的标准。孟静（2009）将影响高桩码头安全运行的因素有机的结合起来，利用 Matlab 软件编制出层次分析法计算程序确定各个部分的权重11，经过模糊运算得出评估结果。将定量分析和定性分析相结合，在模糊环境下考虑多种因素的影响，提高了评估的准确性。码头结构的安全性评估主要是对其构件承载力的评估。古松（2009）将模糊数学与层次分析法相结合，将不确定因素系统化 12，并利用模糊隶属函数把定性转化为定量，计算综合折减系数，并根据实测结果，来估算既有钢筋混凝土的承载力，从而对整体结构的安全性进行评估。通过确定影响钢筋混凝土的影响因素，进行模糊评价得到模糊关系矩阵，采用层次分析法将各组成因素呈递阶层次两两对比，求解判断矩阵，从而确定各因素的相对权重，评估等级用承载力折减系数集表示，即1.0,0.9,0.8,0.7。最终的综合承载力折减系数用模糊综合评估结果乘以折减系数集，将对结构物的实测结果计算得到的承载力乘以最终的折减系数作为现有承载力设计值。孙熙平（2012）根据重力式码头的特点，结合有限元软件强大的后处理功能，采用建立有限元计算软件的模型对重力式码头进行安全性评估 13。该种方法是计算过程更加方便，计算结果更加精确。重力式码头利用结构自身的重力，抵抗墙后土压力的荷载作用，其破损状况程度较轻。根据近 10 年的检测资料显示，重力式码头的破损较少，只有 3 例。板桩码头是利用打入地基中的板作为挡土墙，并在板桩墙后设置拉杆，并由锚定结构锚固。但目前对板桩码头的检测评估的研究较少。相比重力式和板桩式码头，高桩码头的受损较为严重，其属透空式结构，对波浪不发生反射，不影响泄洪，并可减少淤积，适用于软土地基。因此高桩码头大量的运用在港口码头中，但该种结构型式的耐久性和对加载工艺的变化适应能力较差。目前对高桩的码头的检测评估研究较多，经验法虽然精确性不高，但对预防某些事故的发生起着很大的作用。传统的以可靠度为理论的极限状态评估方4法依然运用较广泛。模糊层次分析法较为大多数学者接受，其将定性与定量相结合，具有一定的可行性，但如何确定层次分析法中的权重系数方法很多，这就要求提出更简便的方法。随着有限元软件的推广，基于振动的模态分析法、人工神经网络法将在码头的评估中发挥着更大的作用，随着各种评估方法的成熟，综合评估法将会越来越完善。2.2 桥梁随着我国经济迅速发展，对交通运输的需求也不断增大。而桥梁作为交通工具的枢纽，其重要性是不言而喻的。各种形式、各类体系的跨河（江）大桥、高架桥、立交桥、人行桥等都为现代化都市文明增色添彩，对推动经济发展发挥着巨大的作用。然而由于结构自然老化、车辆荷载增加以及不利环境的影响，部分既有桥梁结构不可避免的要出现各种病害，导致桥梁的承载力的降低。近年来，国内外大桥出现断裂、坍塌的现象屡见不鲜，如果长期不采取措施的话，将会给交通安全带来很大的危害。因此开展桥梁检测和评估的研究，对我国交通事业的发展有着十分重要的意义。20 世纪 80 年代中期以来，国内外学者针对桥梁的安全性评价进行了广泛深入的研究，为桥梁交通事业做进一步的贡献。根据我国公路桥梁技术状况评定标准 14规定，公路桥梁技术状况评定采用综合评估法与单项指标相结合，先对各构件评定，在对部件或整体进行评定。通过对桥梁总体的技术状态评分，根据计算的评分结果判断等级。桥梁总体的技术状况评分按下式计算：Dr=DCIWD+SPCIWsp+SBCIWSBDr桥梁总体技术状况评定；SPCI桥梁上部结构技术状况评分；SBCI桥梁下部结构技术状况评分；DCI 桥面系技术状况评定；WD桥梁系在全桥中的权重，按规定取值；Wsp上部结构在全桥中的权重，按规定取值；WSB下部结构在全桥中的权重，按规定取值；表 3 桥梁技术状况分类表技术状况等级 技术评分状况1 类 2 类 3 类 4 类 5 类Dr 95,100 80,95) 60,80) 40,60) 0,40)公路桥涵养护规范 15中指出，全桥总体技术等级评定，宜采用考虑桥梁各部件权重的综合评定方法。亦可按重要部件最差的缺损状况评定，或对照桥梁技术状况评定标准进行评定。与码头评估不同，桥梁评定将分为 5 类，具体的可参照规范。 公路旧桥承载能力鉴定方法 16对承载能力评估方法进行规定，在静力荷载方面，先定义一个静力荷载试验效率系数，在定义一个校验系数 。校验系数 确定桥梁承载力的重要指标。 值越小结构安全储备越大。王永平（1996）提出用损伤来度量桥梁结构或构件的损伤程度，并采用模糊数学原理，建立桥梁使用性能的模糊综合评价体系和桥梁评价的专家系统 17。5依据评估因素评价标准的的等级划分原则，划定了损伤度等级的区间，A 级：DV0.2；B 级：0.2DV0.4；C 级：0.4DV0.6；D 级：0.6DV0.8；E级：0.8DV1。利用桥梁使用性能等级隶属函数，并结合损伤度，就可以通过权重和因素评判矩阵的关系来运算，可以进行上一级的评判，然后逐级评判，最终求出桥梁综合评判等级。桥梁评估专家系统的建立采用 Turbo C 2.0 语言编程，在 PC(AT/XT)微机上实现。该系统具有较好的适用性。杜进生（1999）研究了系统可靠度在桥梁评估中的应用 18，并介绍了寻找失效模式的方法，即确定性搜索法和概率搜索法，包括荷载增量法、RSR 法、分支界限法、 分解法等。张永清（2001）借助多级模糊综合评判和打分法相结合 19，用层次分析法建立桥梁安全性评价模型，并计算出桥梁安全性的总评分确定桥梁的安全等级。王有志（2002）等针对桥梁结构体系的受力特点,按照其传力路径将其划分为上部结构、传力结构和下部结构,并给出构成各部分的基本受力构件,建立起多层次综合评估模型 20。桥梁结构的可靠性取决于主要受力构件的可靠性，然后建立功能函数求解单一破坏模式下的可靠指标。因为评估的计算结果不可能采用统一的方法，采用承载力降低率做为评价构件的统一标准。利用层次分析法原理，将构件的评估指标对应的承载能力降低率进行逐层加权求和作为结构体系的评估指标。寇明国（2002）总结了关于钢筋混凝土桥梁可靠性的评估方法，主要有基于外观调查的方法、基于设计规范的方法、荷载试验、基于专家经验的方法以及基于结构可靠度理论的方法等 21。黄建勇（2008）在其论文中提到人工智能在桥梁状态评估中的应用，其主要的理论方法有模糊理论、人工神经网络、灰色动态系统理论以及遗传算法 22。其中遗传算法与神经网络相结合的方法为既有桥梁状态智能评估方法开辟了新得道路。卢啸（2010）以某钢筋混凝土拱桥为例，建立相应的有限元模型，采用基于广义刚度的构件重要性评价方法分析拱桥各构件的重要性，从而指出保证结构安全性的重要部位 23。在桥梁评估中可用该方法首先确定关键部位，然后对关建部位评估，从而对桥梁的整体安全性进行分级。林贤坤(2012)利用振型已质量归一化的试验模态参数，将基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在桥梁评估中运用 24，用模态挠度代替静挠度评估桥梁的状态，并用实例验证了其可行性与有效性。项丽（2012）对使用性的评估方法做了简要的介绍 25，主要有人工巡查法、荷载试验法、实时监测数据评定方法、可靠度理论评定法等。目前相比于可靠性评估，使用性评估研究得到的重视相对较少，有待加强。张伟（2013）分别按模拟车流加载和规范荷载最不利位置加载计算荷载效应 26，并进行比较，得出运用规范荷载乘以一系数的形式作为极限荷载模型是一种可行的方法。在城市建设中，桥梁作为不可缺少的一项建筑物，为城市发展做出了巨大的贡献。在生产运营中，如何在给人类带来最大效益的同时，应尽量的将其损害降低到最低是一件很值得考虑的问题。技术检测评估人员应定期对桥梁进行检测评估，在用经验法发现问题的同时，应及时解决问题，并采用其他方式对修补过的桥梁再次检测评估，确保结构的安全性。目前，桥梁的评估方法发展较为完善，其中模糊层次分析法较为大多数学者接受，而人工智能评估法凭借其更精确，更准确的特点，在桥梁检测评估中将会有很大的应用前景。2.3 建筑6如今的建筑工程技术如此成熟，但建筑工程的安全性问题仍然是各个建筑工程参与者所关心的着重强调的。当建筑工程一旦出现安全隐患，往往就会随之发生结构失效，甚至是工程事故，进而发生巨额的经济损失等一系列问题，这些都是任何工程人员不愿意看到的。事实上，无论是民用建筑还是工业建筑，国内外都曾发生过重大的倒塌事故，严重影响了社会生产。因此在建筑结构的安全评估中，必须把结构失效或发生工程事故的可能性降到最低点。对已有建筑物和构筑物的可靠性和安全性的评价鉴定，已经成了关系到社会的重大问题，该问题的解决到了刻不容缓的地步。工业厂房可靠性鉴定标准 27中，对于结构构件的可靠性等价划分的主要标准是构件的承载力，而关于构件本身的一些物理量则作为次要因素来考虑，并按一定的经验型规则来评价构件的可靠性。同时规定，整体结构可靠性评估下分三个方面，即承重结构体系、结构布置及支撑系统和维护系统，且以承重结构体系为主。假设承重结构体系的安全性等级即为整体结构的安全性状态。对于结构的设计与评估而言，结构可靠性可以作为协调结构安全性适用于经济的一个重要指标。刘闯（1995）通过结构系统可靠性分析对结构的安全性等级进行划分，就是从定量的方法入手，通过一定的变换关系然后对系统安全性划分 28。李正农，袁文阳（1996）在灰色系统理论的基础上，对结构的抗力和荷载进行分析和预测，建立动态 GM 模型，通过此模型可以求得荷载和抗力在不同时刻的数学期望和均方根差，再求的不同时期的结构可靠度的值 29。因考虑到结构的抗力和效应具有时变性，所以结构的可靠度公式变为；其中， 分别为抗力是灰力时的均值tttSR2ttSR,与方差，荷载效应是灰数时的均值和方差。应用 GM 模型将灰数白化，即可得任意时刻 t 的结构可靠度，即 。ttPS1张爱林（1998）针对现役结构的特点，综合考虑有关参数的随机性以及失效准则的模糊性，将随时间变化的结构模糊动态可靠度的复杂过程简单化，研究分阶段性评定结构动态可靠度的方法 30。刘西拉（2001）依据结构系统可靠性划分结构安全等级的思想 31，采用泰勒展开法推导结构安全性等级的实用公式，通过计算结构失效概率，使安全性划分成为可能。柳承茂（2004）从临界结构入手，以构件失效影响面积为参考，用简便的方法计算构件重要性系数，在结合构件的可靠度提出了定性与定量结合的结构安全性综合评估方法 32。构件失效面积比的定义如下： i=SiS i。 其中 Si表示单个构件失效的影响面积。用构件的失效面积表示单个构件对整体性的贡献，可以进一步通过单个构件的安全性评价整体的安全性。刘西拉（2004）按照 Bayes 思想，在 MEDIC 方法基础上发展了一种结构可靠性评估和预测的方法 33。按 Bayes 方法： = 式中：xiPjPi)(x 为检测结果； i为结构所处的等级；P（ i）为先验概率；P( i |x)为后验概率；P（x | i）为样本似然值。这样可以对可靠性有个合理的预测，通过不断的获取信息，可以不断地调整预测结果。该方法能够模拟结构等级衰减变化的情况，从而能够预测结构等级的发展情况。7顾祥林（2007）根据层次分析法，提出了适合工程应用的子结构中构件权重系数实用计算方法 34。先对 n 个影响因素中每次取 2 个因素比较，形成判断矩阵，并对其进行归一化处理。用层次分析法，计算构件的权重系数，即单个构件在整体性中所占的比重，计算方法如下 。 i表示 i 类构件中nii各构件的权重系数； i表示各构件的权重比；n i各构件的数量。先评定每层结构的可靠性等级，在根据层与层之间的相关关系，确定整体结构的可靠性等级。随着社会的发展，建筑业正逐步进入以维修与现代化改造为重点的第三时期，为了充分保护资源，保持社会可持续发展，必须充分利用既有结构，在安全的前提下延长其使用寿命。目前，对建筑的整体性评估主要是基于可靠度的理论方法，研究其构件的重要性系数，从而对建筑物的整体性进行评估。关键在于如何用简便的方法计算出构件的重要性系数，是目前学者重点研究的问题，在前人研究的基础上，将探索出更有效的方法。2.4 水利我国水利水电枢纽大多兴建于上世纪 60 年代。当时由于受到国民经济发展的限制，工程设计技术比较落后，整个水利水电枢纽工程的施工和管理都缺乏经验，所以运行到现在，很多水利水电工程出现了各种各样的问题。比如有些大坝出现溃坝、有些出现渗流破坏、有些大坝本身存在着安全隐患。目前对水库大坝病险的分析已经引起国家政府部门的高度重视，通过对大坝的风险评估研究，提高大坝的安全性，排除潜在风险。目前，对水利水电的风险评估方法主要有概率论法、专家打分法、蒙特卡罗法、直接积分法、大系统目标规划法等。姜树海（1998）研究了随机模糊不确定性因素对大坝防洪风险的影响 35，在承认现有规范规定的设计洪水标准前提下，通过风险分析的比较，采用允许风险指导值来评估大坝的设防标准。李君纯（2000）提出了一种新的评价大坝安全的方法及相应的判别标准 36，该方法综合考虑了水库工程结构的安全性和大坝兴利或成灾对人类社会的影响因素,在此基础上对大坝总体安全度 sD 给出定义,并将 sD 作为大坝安全评价的判别标准。李芬花（2010）采用层次分析法对水利水电 A.D.HALL 系统进行分析，确定了A.D.HALL 系统中各因素的风险对大系统风险的影响，构件了水利水电 A.D.HALL矩阵的层次模型 37。近年来，对水利结构的安全性评估较少，主要是针对其风险性评估，更侧重于水利水电工程中的风险评估管理。在风险性评估中可借鉴结构评估的方法，比如层次分析法。无论是风险性评估还是结构评估，都对水利水电工程有着不可缺少的作用。因此其评估方法的探讨与研究还有待进一步深入。3.结论对结构工程的设计而言，结构的安全性主要体现在结构构件承载力的安全性、结构的整体牢固性和结构耐久性。结构的承载能力是保证结构正常运行的重要因素，近来，如何计算结构的承载力成为诸多学者研究的热点。但采用最多的方法是基于可靠度理论的计算方法，以可靠指标 作为安全等级的评价标准。无论是桥梁还是港口码头等，基于模糊理论的层次分析法被广泛应用于结8构安全性评估中，该方法将定性与定量相结合，前一级综合评估的结果可以用作后一级评估的输入数据，有利于最大限度地客观的描述被评估事物。混凝土结构的耐久性也是困绕当前土建基础设施的世界性问题，这就需要尽快编制有关桥梁、港工等耐久性设计技术条例。在结构的整体性评估中，提高对耐久性评估的重要性，提高钢筋混凝土的使用寿命，进而增加整个结构的寿命。结构安全性是各种作用下结构防止倒塌、保护人员不受伤害的能力，是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准，也与结构的正确使用有关。如果一些工程的正常使用功能和安全性得不到有效保证的话，我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损失，并给生产和公众生活带来长期困扰。因此，迫切需要对结构的安全性进行评估与检测，使结构最大极限的发挥其功能，给社会带来最大的效益。9参考文献1 JTJ3022006，港口水工建筑物检测与技术评估规范S.2 中交四航工程研究院有限公司，港口码头结构安全性检测与评估指南3 M.Kunishima,H.Dkanura.Durability Design for Concrete Steuctures. In:IABSE, eds. Symposium Lisbon,19894 徐云清,柏青.老病害水工建筑物耐久性评估研究.武汉水利电力大学学报.19975 刘柏青，雷声隆.老化病害水工建筑物计算机评估系统研究. 水利水电技术. 19976 竺存宏，韩玉等.海港高桩码头结构可靠度的模糊数学评估. 交通部天津水运工程科学研究所. 19987 王广德，田双珠等.码头检测、评估的现状与发展. 交通部天津水运工程科学研究所. 20028 陈强，冯涛.受损高桩码头结构承载能力“论证方法”探讨. 中国港湾建设.20039 朱崇诚，张强等. 在役码头可靠性的概率极限状态评估法. 水道港口. 200310 徐秀娟，栾曙光. 在役高