（水工结构工程专业论文）服役水工结构可靠性评估及维修加固决策研究.pdf

服役水工结构可靠性评估及维修加固决策研究 摘要 对服役结构可靠性的研究，目前在材料及构件层次上的研究较为深入，但 在结构体系层次的研究还处于探索阶段。通常一个结构由许多简单构件组成， 且具有多种破坏( 失效) 模式，因此应以系统的观点分析结构可靠度，也即进行 结构体系的可靠性分析。同时，服役工程结构可靠性理论研究的目的，是为其 维修加固或者改造决策提供理论依据。为此，论文针对这两个方面展开研究， 做了如下工作：首先，对服役结构体系可靠性研究的背景、结构可靠度( 包括 体系可靠度) 发展简史、常用计算方法和服役结构可靠性分析的基本特点及基 本原则进行了概述。在此基础上介绍了服役工程结构可靠性的基本概念和体系 可靠度的各种计算方法，并考虑到水工结构工程常是三维大型复杂结构，为在 不失精度的条件下，提高计算效率，着重给出了逐步等效线性j o h n s o n 求交法 这一高效算法。其次，研究了服役结构在多个验证模式和多种失效模式下的结 构体系可靠度计算，给出了一种服役结构体系可靠度计算的点估计法，并给出 了一个算例。再次，基于服役结构动态可靠性，采用投入产出的投资决策方法， 提出服役结构维修加固决策分析的模型和方案优选模型、维修加固投资分析模 型和动态经济分析模型，并给出了投资的经济判别方法。最后，对服役水工堤 防工程进行了可靠性评价及维修加固决策分析。 关键词：服役结构失效模式验证模式体系可靠度维修加固决策 t h er e s e a r c ho f r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fe x i s t i n gw a t e r - s t r u c t u r e a n ds t r a t e g yo fm a i n t e n a n c ea n ds t r e n g t h e n i n a b s t r a c t i nt h ep r e s e n t ，t h es t r u c t u r a lr e l i a b i l i t yo fs e r v i c er e s e a r c hi sm o r ed e p t ho nm a t e r i a l s a n d c o m p o n e n t s ，b u ti ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g ea tt h es t r u c t u r eo fs y s t e m l e v e lr e s e a r c h as t r u c t u r eu s u a l l yi s c o m p o s e do fm a n ys i m p l ec o m p o n e n t s ，a n dh a saw i d er a n g eo f d a m a g e ( f a i l u r e i n v a l i d a t i o n ) m o d e s t h e r e f o r e ，i ts h o u l da n a l y s et h es t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y b a s e do np o i n to fv i e wo fs y s t e m ，n a m e l y , o nt h es t r u c t u r a ls y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s a t t h es a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e st os e r v et h ep u r p o s eo ft h e o r e t i c a l s t u d y , a r er e i n f o r c e d o rm o d i f i e df o rt h er e p a i ra n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r d e c i s i o n m a k i n g i nt h i sp a p e r , t w oa r e a sa r es t u d i e d ，w h i c hi st h ef o l l o w i n gw o r k ：f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ft h es e r v i c es t r u c t u r ea n ds y s t e mr e l i a b i l i t y , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f s t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y ( i n c l u d i n gt h es y s t e mr e l i a b i l i t y ) ，a n ds e r v i c ec o m m o n l yu s e dm e t h o d o fc a l c u l a t i n gs t r u c t u r a lr e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eb a s i c p r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h eb a s i cc o n c e p t so fr e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r ea n dt h e a l g o r i t h m so ft h es y s t e mr e l i a b i l i t ya r ei n t r o d u c e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eh y d r a u l i cd a t a a r eo f t e nl a r g ea n dc o m p l i c a t e dt h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，a n di no r d e rt on o tl o s e a c c u r a c ya n dt oi m p r o v ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y , t h es t e p - - b y - - s t e pf o c u so nt h ee q u i v a l e n t l i n e a rm e t h o dt h a tj o h n s o ne f f i c i e n ti n t e r s e c t i o na l g o r i t h mi s d i s c u s s e d s e c o n d l y , t h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so fs t r u c t u r a ls y s t e mr e l i a b i l i t ya tm u l t i p l ea u t h e n t i c a t i o nm o d e l sa n da v a r i e t yo fi n v a l i d a t i o nm o d e so ft h es e r v i c es t r u c t u r ea r es t u d i e d ，a n dan e wd o te s t i m a t e a l g o r i t h mf o rc a l c u l a t i n gs y s t e mr e l i a b i l i t yo fs e r v i c es t r u c t u r ei sp r o p o s e d ，a n da ne x a m p l e f o rt h ea l g o r i t h mi sg i v e n t h i r d l y , t h er e p a i rs e r v i c es t r u c t u r er e i n f o r c e m e n td e c i s i o n a n a l y s i sm o d e la n do p t i m i z a t i o nm o d e l ，r e p a i rr e i n f o r c e m e n ti n v e s t m e n ta n a l y s i sm o d e l s a n dd y n a m i ce c o n o m i ca n a l y s i sm o d e la r ep r o d u c e db a s e do nd y n a m i cr e l i a b i l i t yo ft h e s e r v i c es t r u c t u r e b yu s i n gi n p u t - o u t p u to ft h ei n v e s t m e n td e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d s m o r e o v e r , a ne c o n o m i cd i s c r i m i n a n tm e t h o df o ri n v e s t m e n ti sg i v e n f i n a l l y , t h er e l i a b i l i t y e v a l u a t i o no ft h es e r v i c eh y d r a u l i ce m b a n k m e n tp r o je c ta n dt h ed e c i s i o n m a k i n ga n a l y s i s o fr e i n f o r c e m e n ta r ep r o c e s s e d k e yw o r d s ：e x i s t i n gw a t e r - s t r u c t u r e ；i n v a l i d a t i o nm o d e ；a u t h e n t i c a t i o nm o d e ；t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ； s y s t e mr e l i a b i l i t y ；s t r a t e g yo fm a i n t e n a n c ea n d s t r e n g t h e n i n 图表清单 图2 1 结构的工作状态1 0 图2 2 结构体系组成示意图1 3 图2 3 元件可靠指标的几何含义1 3 图2 4 广义可靠指标对应的实效区域一1 3 图3 1 失效( 验证) 模式与体系失效事件之间的关系图2 2 图3 2 服役结构体系验证模式与失效模式及荷载的随机过程2 8 图3 3l 0 9 0 “巴，；，趋势图一3 8 图4 1 一次与多次维修加固的动态可靠性4 0 图5 1 服役堤防工程可能的可靠度与洪水位函数模型4 8 表3 1 验证模式( 1 ) 下结构体系的失效概率与可靠指标3 7 表3 2 验证模式( 2 ) 下结构体系的失效概率与可靠指标3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金目巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：稻盖殳 签字日期：。跏7 年呷月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼 些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：搬 签字日期：枷叩年呼月口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：z ，斫年9 阳p 日 电话：潍q 州 邮编： 致谢 论文是在导师叶少有老师的悉心指导下完成的。从论文选题、开题、理论 分析到论文撰成和最后成稿的整个过程，无不浸透着导师的心血，尤其在论文 的撰写过程中，导师逐章、逐节、逐句地反复审阅和批改，使我在治学、做人 等方面更加受益匪浅。导师在指导过程中所表现出的渊博的学识、严谨治学的 态度，谦虚谨慎的作风，和蔼可亲的为人，是我终生奋斗的目标。在此对谆谆 教诲我的导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 感谢万振房地产开发有限责任总公司黄农副总经理、徐思光总工程师和安 徽省建筑科学设计研究院曾伟总工程师在实习中给与我生活和知识的帮助，并 特此感谢他们提供论文中的一些资料。 由衷地感谢室友汤帅，李长春、陈中根等师兄弟等给予论文写作方面的帮 助。 最后感谢评阅论文和出席学位论文答辩会的各位专家。 作者：苌自超 2 0 0 9 年0 3 月 第一章绪论 1 1 可靠性评估及维修加固研究目的和意义 1 1 1 可靠性评估及维修加固的目的 结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，构件会老化，钢筋会锈 蚀，导致结构功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律。如果能够科学 的评估结构的损伤规律和损伤程度，及时采取有效处理措施，这样，既能够避 免安全事故的发生，同时可以延缓结构损伤进程，达到延长结构使用寿命的目 的。因此，研究服役结构的可靠性评估方法及加固技术已逐渐成为工程界关注 的热点问题，许多工程技术人员和研究团体己经把注意力转向该领域，把结构 的鉴定与加固技术研究放在非常突出的位置。 从第二次世界大战后至今约7 0 年间，世界建筑业大致经历了三个不同的发 展时期，即战后恢复的大规模建设时期、新建与改造并重时期以及目前强调的 维修与现代化改造为主的第三个发展时期。各经济发达国家早己把建设重点转 移到旧建筑物的维修、改造和加固方面。例如英国，1 9 8 0 年建筑物维修改造工 程就占建筑工程总量的2 3 ：瑞典，1 9 8 3 年用于维修改造的投资占到建筑业总投 资的5 0 。据美国劳工部门在2 0 0 0 年的热门行业调查中，认为维修加固、改造 业是最受欢迎的行业之一。 我国建筑业的发展较发达国家有一定程度的滞后，但伴随着国民经济水平的 进一步提高，对旧有建筑进行技术改造或延长使用期的要求也日益迫切，在水 工建筑物方面对服役堤防工程维修加固改造的数量逐渐增多。 其次，建筑物经过长期使用存在老化问题。由于混凝土结构的耐久性病害 而造成的经济损失是非常巨大的，并且耐久性问题会越来越严重。据调查，美 国1 9 7 5 年由于混凝土材料腐蚀引起的损失达7 0 0 亿美元，1 9 8 5 年则达1 6 8 0 亿美元； 目前整个混凝土工程的价值约为6 万亿美元，而之后每年用于维修或重建的费用 预计将达3 0 0 0 亿美元。美国1 9 9 1 年仅用于修复因耐久性不足而损坏的桥梁的费 用就高达9 1 0 亿美元。英国英格兰岛中部环形快车道上11 座混凝土高架桥，当初 建造费2 8 0 0 万英镑，到19 8 9 年因为维修而投资4 5 0 0 万英镑，是当初造价的1 6 倍，估计以后还要耗资1 2 亿英镑，累计接近当初造价的6 倍。而日本目前每年 仅用于房屋结构维修的费用就达至u 4 0 0 亿日元以上【2 】。 根据上世纪9 0 年代建筑行业统计数据1 3 】，到19 9 7 年为止，我国共建成各类 工业建筑项目3 0 多万个，各类公用建筑项目6 0 多万个，城镇住宅近2 0 亿平方米， 累计竣工的工业民用建筑超过3 0 亿平方米，再加上过去的建筑物，城镇房屋面 积已超过7 0 亿平方米。这些建筑物中约有3 5 亿平方米需要分期分批进行评估与 加固。而其中约有近1 0 亿平方米急需维修加固之后才能正常使用。另外据1 9 9 4 年铁路秋季检查统【4 】计，在全国共有6 l3 7 座铁路桥存在不同程度的损伤，占铁 路桥总数的1 8 8 。 无论是增层改造，还是维修加固，一个不可缺少的前提工作就是对建筑物 进行可靠性评估。 此外，服役建筑物在下列情况下也必须进行可靠性评估： ( 1 ) 建筑物受到灾害作用，如地震、火灾、台风、地质灾害等，或意外事故 ( 如爆炸、碰撞等) 影响后，结构内部损伤或破坏，可能影响结构的正常使用， 因而需要对其进行可靠性评估，甚至维修加固。 ( 2 ) 由于设计、施工或使用等原因，结构出现严重缺陷( 如不均匀沉降、建 筑材料不满足设计要求、过大变形或裂缝等) ，在对其进行补强、加固等措施之 前，需要先进行可靠性评估。 ( 3 ) 勘查事故原因，为建筑物的法律仲裁、理赔提供依据，以及对服役结构 进行质量鉴定为保险投保提供必要证据。 1 1 2 服役结构可靠性评估研究的意义 如何对服役建筑物的可靠性进行评估，一直是建筑物维修改造工作中需要 首先解决而迄今为止尚未完全解决的课题。 长期以来，服役建筑物的可靠性评估，一直是依赖有工程经验的技术人员 或一批由专家组成的鉴定小组，在进行现场目测和必要的仪器测试基础上，选 择一些认为重要的构件或截面，进行承载能力和正常使用极限状态的验算，然 后凭借专家所拥有的知识和经验，对建筑结构的可靠性进行评价，此即所谓的 “专家经验法”。随后的结构维修与加固更是依赖结构工程专家的经验和水平进 行决策。显然，这种做法缺乏决策的科学性与合理性特别是对较复杂的结构体 系( 如大型水工建筑结构) 的可靠性评估，不但可能出现以偏概全的错判，而且 往往出现评估结果因不同的鉴定人而产生很大的差异，最后自然是为了避免个 人承担风险而使鉴定结果偏于保守。造成这种局面的原因不在从事结构可靠性 鉴定的工程师们，因为现行的结构可靠性鉴定标准中没有明确给出求得服役结 构的系统可靠度或可靠指标的计算公式和方法。因而，对服役建筑结构进行科 学的、定量的系统的可靠性鉴定方法研究势在必行。 1 2 可靠性评估研究现状及发展 1 2 1 结构体系可靠度理论概述 自从19 4 6 年f r e u d e n t h a l 在国际上提出“结构的安全度”概念以来，人们已充 分意识到实际工程中的随机因素，并将概率分析和概率设计的思想引入工程设 计与鉴定加固中。19 9 7 年在日本京都市召开了结构安全性和可靠度国际会议 2 ( i c o s s a r 9 7 ) ，所涉及的内容十分丰富。其中，奥地利i n n s b r u c k 大学的 s c h u e l l e r 作了题为“结构可靠度的研究进展”特邀报告”j 。1 9 9 7 年底，“结构安全 性”( s t r u c t 。s a f e l y ) 国际期刊的编委们联合编撰题为“计算随枧力学的研究动态” 一文1 6 j ，从多个角度综述了计算随机力学的最新进展。1 9 9 8 年1 1 月在上海召开 的中美日三国土木与基础工程系统的交流会上，又有多位国际著名专家如美豳 南加州大学的s h i n o z u k a 、日本武藏工业大学的星谷胜( h o s h i y a ) 以及香港科 技大学的邓汉忠( w i l s o nh t a n g ) 等学者，作了内容丰富的报告1 7j 。l9 9 9 年1 2 胃，在澳大利亚召开了第夕k 届统计概率应用圜际盛会( i c a s p 8 ，此次会议共 交流论文16 5 篇，该会的主题之一即是探讨将工程可靠性理论及概率分析方法引 入设计规范的修改和基于全概率进行结构设计的结构。可以看出，在国际学术 界，工程可靠性理论和方法在近几年又有了长足的进展。于是以概率论为基础 的可靠性理论得到应用与发展，它引入结构可靠度的概念，用概率来描述结构 可靠性的问题，这使复杂的可靠性闻题变成一个可以用数学方法近似处理的麓 题，从而有了比较科学的分析和解决的方法。 根据l9 9 8 国际标准f 结构可靠性总原则i s 0 2 3 9 4 ) ，结构可靠性是指结构 在整个设计工作寿命期内的工作性能。可靠度是结构可靠性的概率度量，总体 上结构的可靠度分为点可靠度【亦称元件的可靠度i c o m p o n e n t r e l i a b i l i t y ) ) 以及 体系可靠度( s y s t e mr e l i a b i l i t y ) 。点可靠度是包括基础在内的结构各点或各元件 的可靠度，目前它的计算方法日趋完蒋，并已进入实用阶段。随着可靠度理论 研究的进一步深入，入们发现构件或点可靠度的计算已不能满足实际需要，嚣 为对于一个由多个构件相互连结而形成的超静定结构体系，在很多情况下，其 中一个构件的破坏并不意味着整个结构的失效，只有多个构件的破坏使结构形 成机构时，结构才发生破坏；即使对于静定结构体系，不同构件的破坏，会形成 不同的失效路径，从而构成最薄弱链系统。因此研究豳众多构件组成的结构或 连续体或连续结构体系的可靠性，计算出它稍的体系可靠度己成为近二十年来 较为活跃的热门课题。 计算结构体系可靠度的核心问题之一是如何快速有效识别结构的主要失效 模式以及失效相关性问题。针对前一问题，不同的学者相继提出了各自的简化 计算方法。其中最为著名的是l9 8 0 年y mu r o t s u 等人提出的“分枝一界限法”， l9 8 2 年c h r i s t e n s e n 和s o r e n s o n 的“0 约界法”，1 9 8 4 年m e l c h e r s 和t a n g 的“截止枚举 法”，1 9 8 8 年y s f e n g 的“优化准则法”，1 9 9 1 年董聪、冯元生的“阶段分枝一界 限法”，1 9 9 2 年董聪、杨庆雄的“全局分枝一界限法”，以及其能许多改进算法等。 1 9 9 4 年，q 。xi a o 和s ma h a d e v a n 对延性结构体系失效模式的快速识别进行了研 究，通过枚举主要失效模式计算结构体系的可靠指标。对于后一问题，1 9 9 2 年， 王光远院士提出通过定义“条件关联系数”来求解失效不完全相关系统的可靠度 的方法，并给出了抗震结构条件关联系数的计算方法。19 9 3 年，赵国藩院士给 出了结构体系可靠度的近似计算方法。1 9 9 5 年，欧进萍等提出了由串并联系统 分析法确定高层建筑结构在“最严重失效模式”下的失效概率的方法。1 9 9 6 年， 王东炜等将网络技术应用于建筑结构体系，利用失效域的不交化处理将失效模 式的相关性化为约束状态的相关性问题。即便如此，对于设计或新建水工建筑 结构而言，由于失效模式众多，而且到目前还没有简便有效的失效模式搜索办 法，因而难以求解其体系的可靠度指标。另外应用到服役结构上的体系可靠度 理论研究，国内外少有学者涉及。 1 2 2 服役结构的可靠性评估及发展趋势 为了在结构可靠性评估中引入现代理论的概念和适用的计算方法，不少学 者早在“传统经验法”最盛行的时期，便开始了这方面的探索和努力。l9 81 年， h a r t 和f i t z s i m o n s 等提出了应用可靠指标来评估结构损坏程度的可靠性分析方 法。1 9 9 0 年，王光远院士提出并建立了结构服役期间的动态可靠度分析和服役 结构强度储备的评估方法；19 9 1 年，赵国藩院士提出了服役结构在剩余寿命内 荷载及荷载效应的统计分析；1 9 9 2 1 9 9 6 年，欧进萍、杜修力、牛获涛等人研究 了结构概率损伤理论及构件衰减规律；1 9 9 4 年，张爱林等人对服役石油井架的 可靠性进行了研究；19 9 6 年，a i a ys i n g h a l 和a n n e s k i r e m i d j i a n 禾0 用非线性动 力分析，研究了框架结构在地震作用下的损伤评价方法。19 9 7 年，j u n k a n d ae t a 1 对服役结构的抗震安全性进行了研究。同年，霍达等人针对化工腐蚀环境下的 钢筋混凝土结构，提出了受腐蚀钢筋混凝土结构的安全性评估方法。2 0 0 1 年刘 西拉等人在定量计算结构体系可靠度的基础上，结合“定性”的方法对结构安全 性等级的划分进行了研究，并提出了相应的实用计算方法。 目前在国际上具有较大影响的国际标准i s 0 2 3 9 4 ：1 9 9 8 结构可靠性总原则 是由国际标准化组织工s o t c 9 8 技术委员会( 结构设计基础) 分委员会s c 2 ( 结构 可靠性) 编制完成，该标准对已有工程结构的评估的原因，评估的步骤，以及加 固维修决策作了详细的介绍，但其评估的基础依然是建立在结构构件可靠度理 论的基础上，局限于对单个构件的可靠性评估，上升到结构体系可靠性评估则 没有涉及。日本清水株式会社研究所给出了一种对建筑物综合评价的方法，这 种方法通过三次调查进行综合评价【8 】。但实践中费时费力，s a b n i s 等人结合工 程实际建立了一种结构分级系统，该系统采用标准化表格形式，对结构构件的 各项属性对号入座的输入表格，最后确定结构评价等级【9 】。也有学者利用人工 神经网络方法对服役结构可靠性的鉴定分级进行研究，该法充分利用了网络学 习与记忆功能，恰当的结合了专家知识，但网络模型的建立因人而异，过于依 赖专家经验，缺乏统一标准。 至于服役结构维修加固维修决策研究方面的文献，目前还比较少。l9 9 2 年， 王光远院士率先建立了服役结构的优化决策理论框架，提出了以服役结构的动 4 态可靠度为主要参数，以灾害预报、状态诊断和可靠度评估为基础的结构维修 优决策理论。1 9 9 6 年刘玉彬、王光远等人又以模糊随机变量为基本不确定性变 量，定义了服役结构的动态模糊随机可靠度，基于模糊随机变量间的序关系， 建立了服役结构维修的决策准则。同年，j a na m h o n t e l e z 等对已知部分信息的 衰减系统，进行了基于当前状态的最优维修决策研究；1 9 9 7 年，郭院成等通过引 入维修系数，提出了基于强度准则及正常使用极限状态的优化维修决策方法。 19 9 9 年又研究了结构基于强度准则时的加固策略，并针对工程实际中存在的待 维修结构条件要求，分别建立了在不同前提情况下的结构维修加固决策的数学 模型，并依此设计了服役钢筋混凝土结构基于维修目标可靠度条件下的构件截 面维修加固策略。 从整体上考虑结构的可靠性而不仅限于构件水平的评估研究，可以预见， 在不久的将来，将随着服役结构体系可靠性理论的研究日臻完善。在评估结构 安全可靠的基础上，能够兼顾服役结构的经济性、适用性以及耐久性状况的维 修加固策略，并形成计算机辅助维修加固决策系统，将是以后服役结构维修加 固决策研究发展方向。 1 3 服役工程结构可靠性分析的基本特点和原则 按照结构时变可靠度的研究范畴和服役结构的特点，服役结构的可靠性分 析在方法上与拟建结构可靠度的分析方法不应有本质的不同，但因服役结构的 一些自身特点，其可靠性分析方法不能简单套用拟建( 设计) 结构的可靠性分 析方法。服役工程结构可靠度的定义有其特点，根据这些特点可确定其分析的 基本原则和要求。 1 3 1 服役工程结构可靠性的基本特点 按照工程结构可靠度设计统一标准( g b 5 0 1 5 3 9 2 ) 1 0 】和建筑结构设 计统一标准( g b 5 0 0 6 8 2 0 0 1 ) 【】等规定，结构必须满足下列各项功能要求： 能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用：在正常使用时，具 有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在偶然事件发生时 及发生后，仍然能保持必要的整体稳定性。这里的“作用”是一种广义荷载；“规 定的时间”是指可靠性设计的时间参数，与结构的使用寿命有密切的关系，但并 不等同于一般工业产业的寿命和工程结构实际使用寿命；“规定的条件”是指正 常设计、正常施工和正常使用条件；“预定的功能”是指结构在经济合理的前提 下，满足安全性、适用性和耐用久性方面的要求，也即结构的安全性、适用性 和耐久性都得到保证，结构的“预定的功能”才能完成。服役工程结构已经构成 了一个实体，尽管可靠性分析与拟建结构得的分析方法没有本质区别【l 引，但其 可靠性含义中的几个基本要素有其独特性。 一、时间因素不同 服役结构的荷载及环境比拟建结构更为具体，其统计特性并不能完全接受 拟建结构的统计特性，而应建立在自身实际存在的信息基础上。拟建结构荷载 统计采用的是时空转换方法，而服役结构的荷载要利用已有信息，采取的是时 间外推法，即通过对已有的信息的统计分析来估计结构及其环境在继续服役基 准期t ，即lt o o ，t + ，i 内的统计特性， 为当前时刻 】。拟建设计结构的可o t t t o 1 1 3 靠度分析中采用的“规定的时间”，一般指为荷载效应分析的设计基准期( 在建 筑结构中一般为5 0 年) 及设计使用年限；服役结构可靠度中的“规定时间”也代 表未来某段时间，但可能不再是实际基准期，而是指从当前时刻为起点的未 来某段时间，也即是人们对结构剩余的使用要求，分析的时段应为i ，+ 丁l ， 其中r 可称为目标基准期或后续服役基准期【l 们。 另外，在当前时刻，服役结构的可靠与否并不是概率问题，而是一个判 断问题。因为按照随机可靠度观点，他的可靠概率非l 即0 。因此，研究当前 时刻的可靠性意义不大，关键是在1 ，+ 丁l 内的可靠性。由于分析的时段 不同，在进行服役结构可靠性分析时，抗力、荷载效应及组合与拟建结构有所 不同。 二、规定的条件可能改变 拟建结构可靠性是指在“三个正常的条件”下完成预定功能的特性。而对于 服役结构而言，“规定的条件”可能有所改变。可能改变的条件主要包括使用条 件和维护条件，而设计与施工已成为历史。因此，服役结构可靠性中的规定条 件可以不再涉及设计和施工阶段的随机因素，但其规定使用条件则包括设计时 未曾考虑( 或实际使用时超出设计考虑的已发生) 的作用和新增加的作用；维 护条件则是为满足未来使用目的或提高其可靠度而对结构进行维护的条件以及 对周围环境的控制条件等。这两个方面的限制条件，与拟建结构有所不同，其 与设计结构之间的不同条件也将影响服役结构可靠性的分析。 三、预定的功能不尽相同 服役工程结构的未来的时间1 ，7 + 丁i 内的预定功能，一般以设计拟建时 设定的功能为准，但也会因使用目的和环境的改变而变化，而且有明确的使用 目的。例如，由于人类活动和水土流失的加剧，水库大坝的泥沙淤积比原设计 有所增加( 或反过来，淤积比原设计有所减少) ，则有关的水工结构( 如大坝泄 洪：f l e d 隧洞等) 对设防洪水位及过流量的允许值就会改变。 由于服役结构可靠性定义中这三个要素的含义与拟建结构有所不同，服役 结构可靠性的定义是与拟建结构有一定差异的，在进行分析时应注意这些特点。 1 3 2 服役结构可靠性分析的基本原则 根据服役结构可靠性定义中的特殊性，分析计算时应根据这些特点，服从 6 以f 基本准则。 一、明确可靠性含义 嘲于服役结构可靠性定义的要素与拟建结构不同，在分析时应明确其含义， 统一定义要求。对作用的预测、抗里的变化及其影响和可靠度计算等，应为同 样的时间区段、同样的失效准则。一般情况下，不应直接利用拟建结构在设计 基准期内的荷载或抗力的统计特性分析区段| 0 ，+ r | 内的可靠性，否则会使 服役结构可靠性的含义模糊不清。 二、充分利用已有的信息 服役结构是一个客观存在的实体，其材料强度和构件截面尺寸是可测的， 在当前时刻原则上已不是随机变量；也已经历了验证荷载，为可靠性的评估 计算积累了一定的信息【玛】。因此，服役结构的可靠性分析时，应结合现代检测 手段测定研究对象的已有信息并对已有的各种信息进行合理的处理和检验及利 用，i 以反映其露前的状态和推求后续服役期内的特性h 列。 三、与服役结构的维修决策研究结合 服役结构的可靠性分析评估是结构维修、加固的前期工作和依据，也是服 役结构可靠性分析的目的所在。因此，服役结构的可靠性分析应与结构的维修 经济性结合。在一定的技术水平下，用于维修、加固的费用越高，结构在未来 继续服役期内的可靠牲( 如安全憔) 越高，破坏的损失期望值越小；反之，用 于维修、加固的费用越低，结构的可靠性越低，破坏的损失期望越高。服役结 构可靠性研究，也毖然涉及结构的耐久性阀题。所以，服役结构可靠性研究内 容中应包括结构的维修决策和结构的耐久性分析。 1 4 本文主要研究内容 基于可靠度的思想进行结构设计和评估是近几十年来结构工程中的一大进 步，但是目前的应用还主要停留在构件可靠度水平，丽工程中的结构往往是由 许多构件组成的结构体系，一个构件或多个构件失效后，剩下的结构仍能完成 规定的功能，只有当失效构件达到一定数量焉，整个结构才会失效，因此，大 型结构的可靠度问题往往是体系可靠度问题。本文就服役结构体系可靠性评估 及维修加固决策方厦做了如下工作： l 、介绍了服役结构体系可靠度分析的目的、意义、分析基本特点及基本原 则。 2 、在对结构串联系统和并联系统常用的可靠度计算方法介绍的基础上给粥 了各种计算方法的优缺点，同时给出了并联系统的逐步等效线性化j o h n s o n 求 交法，该法可以高效彳骞算出并联系统的可靠度，这对于求解三维大型复杂水工 结构体系的可靠度将十分有效。 3 、服役结构体系可靠度的计算比构件可靠度的计算要复杂，尽前还基本处 7 于理论研究阶段，其计算主要包括三个步骤，即搜寻结构的主要失效模式、根 据各主要失效模式的极限状态方程计算各失效模式下的失效概率、由各主要失 效模式的失效概率计算体系的失效概率。同时对服役结构而言，要考虑各失效 模式在已经历的荷载历史中的表现，即验证模式的问题。为此，文中第三章着 重研究了多个验证模式和多种失效模式下的服役结构体系可靠度的计算，给出 了一种服役结构体系可靠度计算的点估计方法，并给出了一个算例以说明该方 法的实用性。 4 、服役工程结构可靠性理论研究的目的，是为其维修加固或改造决策提供 理论依据。现有许多服役结构已进入老化阶段，甚至有些结构的安全性低于建 筑结构设计规范要求，工业建筑、民用( 住宅) 建筑及水利工程结构尤为突出。 对作用重要且服役时间较长的结构，多采用维修加固的方法来延长其使用寿命。 但是，如何合理、经济且科学地维修加固，以积极的态度延续其使用寿命，是 服役结构维修理论研究的范畴。文中第四章基于服役结构动态可靠性，采用投 入产出的投资决策方法，提出服役结构维修加固决策分析的模型和方案优选模 型、维修加固投资效益分析模式和动态经济分析模式，并给出投资的经济判别 方法。 5 、文中最后对服役堤防工程进行了可靠性评估及维修加固决策研究。 8 第二章体系可靠度的计算方法 2 1 服役工程结构可靠性分析的基本概念 任何结构的兴建都是为了使用，也就是为完成其预定的功能。结构的功能 能否实现，主要决定于结构在整个服役过程中的表现【l6 1 。与拟建结构不同，服 役结构是现实中使用的结构，正常使用阶段的结构性能( 安全性及适用性) 如 何，其使用寿命多长( 耐久性) ，何时及如何维修加固等是服役结构可靠性研究 的范畴，也是使用者及工程技术人员所关注的问题，服役结构与拟建结构的可 靠性分析，在方法上不应有本质的不同，但因服役结构的一些自身特点，其可 靠性分析方法不能简单套用拟建( 设计) 结构的可靠性分析方法。 工程结构可靠度理论按考虑时间与否分为两大类，一类是与时间变量无关 ( 或称为时不变性) 的构件或结构体系的可靠度，即时不变可靠度( 或称为静 态可靠度，t i m ei n v a r i a n tr e l i a b i l i t y ) 理论；另一类则是与时间变量有关( 或 称时变性) 的构件或结构体系的可靠度，即时变可靠度( 或称为动态可靠度， t i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y ) 理论。早期的结构安全度曾被考虑为时间的函数， 并以“重现期”来表示；此后，时变性又被极值分布及“荷载组合方法”所回避【1 7 】。 由于这些方法的局限性，并不能较好地处理结构设计中的时变性问题，近2 0 年来才开始在结构分析和设计中将时间变量考虑为重要的变量，并促使了结构 时变可靠度理论的研究和发展【l 引。时不变可靠度理论的研究目前相对己较成 熟，而相比之下，结构的时变可靠度理论的研究由于其复杂性还在发展中。因 为时变性是客观存在的，从数学的意义上说，时不变可靠度在一定程度上可以 视为时变可靠度的特例，而服役工程结构可靠性理论是属于时变可靠性理论范 畴。 2 1 1 结构的极限状态 结构或结构构件的性能是以极限状态为基准进行衡量的，结构或结构构件 的极限状态是将结构或构件的性能从可靠与不可靠状态区分的界限状态【l 9 1 。 如果以随机向量x = ( 五，五，以) 表示影响结构或构件性能的基本随机变 量，以功能函数g ( ) 的形式定义结构所处的工作状态，则结构或构件的工作状 态为： 当z = g ( x ) 0 时，表示结构或结构构件处于可靠状态； 当z = g ( x ) = 0 时，表示结构或结构构件处于极限状态； 当z = g ( x ) 0 时，表示结构或结构构件处于失效状态。 如果以尺表示结构的抗力，s 表示结构的荷载效应，极限状态表示为 9 z = r s = 0 ，则在笛卡尔空间中，结构的工作状态可用图2 1 表示。 r o s 图2 1 结构的工作状态 结构或结构构件的极限状态，可根据其实际情况以及经验和使用需要等由 专家论证给定。我国的工程结构可靠度设计统一标准( g b s 0 1 5 3 9 2 ) u o 】将结 构的极限状态划分为两类，即承载能力极限状态和正常使用的极限状态。按照 有关设计规范i l ，承载能力极限状态时对应于结构或构件达到最大承载能力或 不适于继续承载的变形时的状态；而正常使用极限状态是对于结构或其构件达 到正常或耐久性能的规定限制( 或控制) 值时的状态。一般情况下，一个结构 或其中一个构件的设计，应该同时考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态。 除这两类极限状态外，也可根据结构或结构构件的超越后的状况，将极限 状态分为不可逆极限状态和可逆状态【2 0 1 。超过承载能力极限的过程一般是不可 逆的，一旦出现将会引起结构或构件的失效。 2 1 2 结构的可靠度 结构的静力可靠度 工程结构的随机可靠性，是指在规定的时间内和在规定的条件下，结构完 成预定功能的概率，其测度即为可靠度，用只表示；而结构不能完成预定功能 的概率，称为结构的失效概率，用只表示。对于只考虑随机不确定性的结构可 靠度，失效概率与可靠度是互补的，即： e + 弓= l ( 2 1 ) 只和只都可表示可靠性的测度，尸r 越大，则可靠度越小；p ，越小，则可靠 度越大。 将结构受到的荷载、结构的材料、几何尺寸及计算公式( 或计算模式) 不 确定性等随机影响因素作为基本变量，并记为向量x = ( 置，x 2 ，k ) ，则对应 于极限状态的极限状态方程为： z = g ( 五，置，k ) = 0 ( 2 2 ) 按照结构可靠度的定义和概率论基本理论，结构的失效概率可定量地表示 为【2 0 】： 1 0 弓= 尸 g ( x ) o = ，肛( x 炒 ( 2 3 ) g ( ) o 式中：g ( x ) 式结构功能函数( 极限状态函数) ；六( x ) 是基本变量 x = ( 五，x 2 ，咒) 的联合概率密度函数。 若以r 、s 分别表示结构或结构构件的抗力和荷载效应，其相应的概率密 度函数分别为厶( ，) 和石( s ) ，概率分布函数分别为昧( ，) 和c ( j ) ，并假设r 和 s 相互独立，则结构或结构构件的失效概率为 2 1 】： 哆= 尸( z o ) = r 石( s ) lr 。厶( ，) 西i d s = 0 0 碌( s ) 石( 5 ) 出 ( 2 4 ) 或 弓= e ( z o ) - - f 厶( ，) lr 石( s 灿l d r = r 。 1 一e ( ，) 厶( 厂灿 ( 2 5 ) 在工程上，一般用可靠指标来度量结构或结构的可靠性【22 1 ，与只有一 一对应的关系，越大则可靠度越大。若尺与s 均服从正态分布，其均值和标 准差分别为鲰、凰和、，且r 和s 相互独立，则可靠指标为： = 丝o z2了j丽r一s、仃：+ 仃： ( 2 6 ) 即有：e = ( 一) ( 2 7 ) 式中：( ) 为标准正态分布函数。 二、结构的时变可靠度 根据上述定义，结构可靠度分析中有两类问题。一类问题是与时间变量无 关( 或称不变性) 的构件与体系可靠度，即时不变可靠度【l 引，或称为静态可靠 度 2 3 1 ：另一类问题则是与时间变量有关( 或称为时变性) 的体系或构件可靠度， 即时变可靠度，或称为动态可靠度。静态可靠度理论的研究目前相对比较成熟， 而时变可靠度则比较复杂【1 3 】。 在进行结构的时变可靠度分析时，必须考察结构或构件的抗力与荷载效应 随时间的变化规律。在使用过程中，由于长期受力、环境干扰、腐蚀及材料性 能蜕变等因素作用，结构或构件的抗力发生变化( 一般表现为衰减) ，但变化相 当缓慢，这种变