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2013 09 29 结构全寿命维护 第7章既有结构可靠性评定 本章导读 7 1概述7 2既有结构的现场荷载试验7 3具有初始损伤结构的反应分析7 4既有结构构件的可靠性评价7 5既有结构体系的可靠性评价 既有结构评定的定义 既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期 目标使用期 内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程 人类的全寿命Vs结构的全寿命 超载 结构退化和改变 气候 物理损伤 修复或改造 周期性检测 发现结构性缺失 旧规范设计 不满足新规范要求 最大允许荷载的增大 为什么要评定 目标使用期 委托方 或称甲方 根据房屋的现状和自己的使用要求 希望建筑物再能使用若干年 建筑物维持现状能继续使用多长时间 即建筑物的剩余寿命 根据建筑物已使用年限 历史 现状和未来使用要求所确定的期望继续使用期 荷载分类 结构自重 预应力 土压力 荷载分类 积灰荷载 楼板活荷载 屋面检修荷载 雪荷载 吊车荷载 荷载分类 建筑荷载分类 地震荷载 撞击荷载 爆炸荷载 评定与检测的关系 结构的检测与评定和病人的化验和诊断类似 检测机构应具备相应的检测资质 定期标定仪器和设备 只负责被检数据的准确性 而不负责对病害的诊断 评定单位根据检测机构提供的检测结果对结构的损伤程度和成因进行判断 给出评定结论和进一步使用的建议 7 1概述 既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程 首要目标 确定结构的可用程度 具体目标 提供结构的状态信息 以便能对检测 维护和修复工作的时点和程度及时优化 力求以最小的成本达到最好的效果 必要时 通过停止对结构的使用达到最大程度的减小经济损失的目标 7 1概述 既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程 1 承载能力极限状态 7 1概述 2 正常使用极限状态 7 1概述 舒适性 外观 7 1概述 疲劳或其他时间相关效应引起的失效疲劳和其他时变效应引起的可观察到的损伤低周疲劳 材料非线性 塑性区塑性应变交替变化高周疲劳 整体线弹性行为 3 疲劳极限状态FLS 荷载正常使用 抗力极限状态 7 1概述 4 耐久性极限状态DLS 使用寿命评估 使用寿命 考虑荷载与环境作用时间有关的损伤累积 包括 新建结构 达到特定设计使用寿命的要求 既有结构剩余寿命评估 区分为产生期和扩展期 冻融造成的开裂和剥落 基本的评定分级 7 1 1评定方法 7 1 1评定方法 水平0 非正规的定性评定 水平1 基于实测载荷试验的评定 水平2 基于文档研究的分项系数法 水平3 基于补充调研的分项系数法 水平4 修正目标可靠度 修正分项系数 水平5 全概率评定 简单 复杂 7 1 1评定分级 定量评定 水平0 非正规的定性评估 基于工程师的实际经验对于常见结构的预评定 通常是基于直观现象通过相应的知识储备来做的判断 有一定的主观性 7 1 1评定分级 水平0 非正规的定性评定 子结构构件层次 子结构层次 整个结构层次 7 1 1评定分级 7 1 1评定分级 水平0 非正规的定性评定 7 1 1评定分级 结构评定 定性评定 定量评定 基于实测的评定 水平0 非正规的定性评估 水平1 基于实测荷载试验的评定 通过测得的性能和相关规范或者单向指定的阀值来评定结构的使用性 荷载试验在7 2节介绍 7 1 1评定分级 极限状态方程 可靠度指标 设作用为S 抗力为R 则最简单的极限状态函数可以表达为g R S R S当g R S 0时 结构破坏 其破坏概率为 当R S为独立随机变量 且服从正态分布时 其均值和方差符合下列关系 定义注意 当极限状态方程由服从正态分布的线性参数构成时 只需要一个参数 就可以唯一确定函数的概率值 越大 则结构的失效概率越小 因此可以使用 来表征极限状况方程 即结构 的可靠程度当极限状态方程为其他分布函数时 可以类似用 反映结构可靠程度的高低 特征值与均值 标准差间的换算关系 kR kS为确定标准值时所采用的保证度系数 引入这两个概念后 R和S的标准值分别对应于概率分布为0 05下分位数和0 05的上分位数 设计值 特征值 均值与可靠度指标间的换算关系 极限状态方程 变换后 可得 抗力分项系数 作用分项系数 半概率评定方法的进一步分级 Level2采用设计规范中提供的极限状态验算公式Level3采用更新特征值后的极限状态验算公式Level4采用更新特征值和分项系数后的极限状态验算公式 更新信息来自对随机变量的检测 更新信息来自对随机变量的检测以及对目标可靠度的修正 7 1 1评定分级 结构评定 定性评定 定量评定 基于实测的评定 基于模型计算的评定 水平2 基于文档研究的分项系数法 利用相关设计 施工和检测的文档中信息进行承载能力和使用性能的评定 安全性和使用性的评价依据是分项系数 7 1 1评定分级 基于文档研究的分项系数法 结构超载 冲击 地震和风灾等 由疲劳 腐蚀或其它退化过程引起的损伤 7 1 1评定分级 结构评定 定性评定 定量评定 基于实测的评定 基于模型计算的评定 水平2 基于文档研究的分项系数法 使用从制定实际细节的无损信息进行承载能力和使用性的评价 运用相应的精细化方法和模型进行分析 水平3 基于补充调研的分项系数法 7 1 1评定分级 基于监测的系统识别 鉴定荷载试验 在7 2节介绍 基于补充调研的分项系数法 对材料性质和尺寸的调查 荷载的监测 7 1 1评定分级 结构评定 定性评定 定量评定 基于实测的评定 基于模型计算的评定 水平0 非正规的定性评估 水平1 基于实测载荷试验的评定 水平2 基于文档研究的分项系数法 水平3 基于补充调研的分项系数法 水平4 修正目标可靠度 修正分项系数 利用现场修正的分项系数进行承载能力验算 要求验算结构性能与荷载影响应相似 7 1 1评定分级 结构评定 定性评定 定量评定 基于实测的评定 基于模型计算的评定 水平0 非正规的定性评定 水平1 基于实测载荷试验的评定 水平2 基于文档研究的分项系数法 水平3 基于补充调研的分项系数法 水平4 修正目标可靠度 修正分项系数 水平5 全概率评定 考虑所有基本变量的统计特性的评定 对于不确定建立概率分析模型 直接进行全概率可靠度分析 不再采用分项系数 7 1概述 全概率评定的步骤 7 2荷载试验 荷载试验是一种 工程检验性试验 它要求将试验荷载施加在结构的指定位置上 利用各种量测手段测定结构的响应 以最终对结构的使用性进行评定 分为诊断荷载试验和鉴定荷载试验 7 2荷载试验 1 荷载试验的作用了解结构的实际工作状态 检验结构的整体受力性能 确定是否具有满足规范及使用要求的承载性能 对新材料 新结构或新的设计施工方法进行验证 判断所采用的理论和假定的正确性与合理性 为今后同类结构设计施工提供经验和积累科学资料 通过荷载试验 分析结构病害原因及其变化规律 2 荷载试验的方式 静载试验 以桥梁为例 静载试验是将选定的试验荷载静止的放置或用试验车缓慢驶入桥梁的预定位置静置 动载试验动载试验指安排跑车试验测定冲击系数 用车辆制动试验测定桥梁承受纵向水平力的性能 一般以静载试验为主 1 确定荷载试验的项目 选定结构控制截面 7 2荷载试验 桥梁 荷载试验流程图示 1 确定荷载试验的项目 选定结构控制截面 2 确定试验荷载与加载工况3 分配仪器 布置测点 测点布置注意事项 1 应力应变测点的布设应能测出内力控制截面的竖向 横向应力分布状态2 布设时应考虑测量误差的影响 对可能存在误差的测点 可采用对称布置取平均值的方式布设测点3 量测结构的整体变形时 仪表应安装在单独设置的支架上 试验时还应注意避免各种因素对支架的影响 7 2荷载试验 桥梁 1 确定荷载试验的项目 选定结构控制截面 2 确定试验荷载与加载工况3 分配仪器 布置测点 4 加载试验 7 2荷载试验 桥梁 荷载试验 桥梁 跑车试验安排标准车队以不同车速通过桥梁 测量控制截面的动挠度和动应变跳车试验在预定激振位置设一块木板 斜边朝向汽车 汽车以不同速度经过 落下后立即停车刹车试验汽车以一定速度通过桥梁在预定位置突然刹车 自振频率和振型的测量 傅里叶变换 A1 A1 1 0 A2 A1 0 7 A3 A1 0 3 A4 A1 0 3 A5 A1 0 8 A6 A1 0 5 动力系数的测定 对于承受动力荷载的桥梁结构等 需要考察的动力系数包括挠度 应力等 称为动力放大系数或冲击系数 动挠度 静挠度 现场试验一般采用均布加载 均布荷载一般用荷重块 可以采用现场经计量后的袋砂 袋石子 袋水泥或砖块等 荷重块应按区格成垛堆放 垛与垛之间的间隙不宜小于50mm 以免形成拱作用 2 选择加载方式 混凝土结构 重物加载 7 2荷载试验 建筑结构 现场试验一般采用均布加载 均布荷载一般用荷重块 可以采用现场经计量后的袋砂 袋石子 袋水泥或砖块等 荷重块应按区格成垛堆放 垛与垛之间的间隙不宜小于50mm 以免形成拱作用 加载方式 混凝土结构 7 2荷载试验 建筑结构 现场试验一般采用均布加载 均布荷载一般用荷重块 可以采用现场经计量后的袋砂 袋石子 袋水泥或砖块等 荷重块应按区格成垛堆放 垛与垛之间的间隙不宜小于50mm 以免形成拱作用 加载方式 混凝土结构 7 2荷载试验 建筑结构 现场试验一般采用均布加载 均布荷载一般用荷重块 可以采用现场经计量后的袋砂 袋石子 袋水泥或砖块等 荷重块应按区格成垛堆放 垛与垛之间的间隙不宜小于50mm 以免形成拱作用 加载方式 混凝土结构 7 2荷载试验 建筑结构 每级加 卸载完成后 应持续10 15min 在最大试验荷载作用下 应持续30min 在持续时间内 应观察试验构件的反应 持续时间结束时 应观察并记录各项读数 构件的挠度可用百分表 位移传感器 水平仪等进行观测 数据采集与现象观察 混凝土结构 7 2荷载试验 建筑结构 7 2荷载试验 其他建筑结构试验方法 既有结构的荷载试验方法 1 杠杆加载法 7 2荷载试验 其他建筑结构试验方法 既有结构的荷载试验方法 2 液压加载 1 千斤顶 2 电动泵 3 双向液压加载器 7 2荷载试验 其他建筑结构试验方法 既有结构的荷载试验方法 3 惯性力加载 1 初位移加载 2 初速度加载 3 反冲激振法反冲激振法就是爆炸加载 利用火药或炸药使之燃烧或引起爆炸 产生冲击荷载作用于试验结构或建筑物 炸药爆炸后以应力波或冲击波的形式作用于试验结构或建筑物 1 确定荷载试验的项目 选定结构控制截面 2 确定试验荷载与加载工况3 分配仪器 布置测点 4 加载试验 5 分析试验结果 编制试验报告 7 2荷载试验 附 评定工作的程序和内容 前期准备工作包括了解检测对象 明确检测目的 成立检测组织 收集图纸资料了解建筑物使用 损坏及修缮历史3 调查现场基本情况 评定工作的程序和内容 按委托方的要求和现场调查情况 制定可行的检测方案 对优秀历史建筑或特别重要的建筑应由主管部门组织专家对检测方案进行技术评审 评定工作的程序和内容 建筑图的复核与测绘结构图的复核与测绘地基基础调查结构使用环境调查材料力学性能检测结构损伤检测结构变形检测结构使用荷载调查结构现场荷载试验结构动力特性测试 评定工作的程序和内容 计算模型选取荷载 作用 计算结构反应分析 评定工作的程序和内容 缺陷或损伤原因结构的可靠程度 评定工作的程序和内容 使用维护建议加固 修复 改造措施或方法 评定工作的程序和内容 定义混凝土开裂前的截面刚度为初始刚度 基于裂缝检测结果混凝土结构反应分析 7 3具有初始损伤结构的反应 开裂后至割线刚度突变结束时的割线刚度为开裂后刚度 根据结构动力学知识 结构或构件的损伤值D可定义为 通过动力测试可以得出f11结合上式可修正层间刚度和阻尼 7 3具有初始损伤结构的反应 结构地震反应分析 基于动力测试结果结构的反应分析 计算实例 7 3具有初始损伤结构的反应 上图示意了某桁架桥节点处的裂纹 对其展开分析 裂纹扩展时梁单元的应力无明显变化 裂纹扩展时节点的挠度无明显变化 裂纹扩展时桥梁前20阶频率无明显变化 上图为某桁架桥锈蚀影响分析 锈蚀程度 左图的分析结果表面当锈蚀程度低于0 5时 即截面损失率达到一半前 节点的挠度无显著改变 节点挠度随锈蚀程度变化图 综上 通过宏观量 位移 频率 振型 杆件内力 来识别不严重的局部损伤几乎不可能 分别分析 安全性 使用性 耐久性 7 4既有结构构件的可靠性评定 结构可靠性评定一般原则 规定 在正常设计 正常施工 正常使用条件下具有足够的承载力 在偶然荷载作用下 地震 火宅 爆炸等 发生时和发生后 结构能保持必要的整体稳定性 当既有结构构件的安全性按构造 不适于继续承载的位移 或变形 或裂缝进行评级 可参照 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292 1999 和 工业建筑可靠性鉴定标准 GBJ144 90 的有关规定进行 定义 7 4既有结构构件的可靠性评定 结构构件的安全性分析 结构在正常使用条件下具有良好的工作性能 能满足预定的使用功能要求 其变形 挠度 裂缝及振动等不超过 混凝土规范 和 高层建筑规程 规定的相应限值 可参照 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292 1999 和 工业建筑可靠性鉴定标准 GBJ144 90 的有关规定进行 单个构件的使用性等级共分为三级 即as bs 和cs级 as级的构件不必采取措施 bs级的构件可不采取措施 cs级的构件应采取措施 定义 规定 7 4既有结构构件的可靠性评定 结构构件的正常使用性分析 水池出现裂缝 影响正常使用 结构在规定的工作环境和预定的设计使用年限内 结构材料性能的恶化不应导致结构出现不可接受的失效概率 引入时间变量 按目标使用期内的安全耐久性和目标使用期内的正常使用耐久性分别进行评定 并按其中较低一级来评价该构件的耐久性等级 单个构件的耐久性等级仅分为二级 即ad和bd级 不再细分 ad级的构件不必采取措施 bd级的构件应采取措施 定义 规定 7 4既有结构构件的可靠性评定 结构构件的耐久性分析 钢筋锈蚀影响结构寿命 既有建筑结构的抗力模型 7 4既有结构构件的可靠性评定 7 4既有结构构件的可靠性评定 承载力极限状态表达式 R 1 11 1 82 抗力分项系数 结构构件的安全性分析 按构件承载力分析 7 4既有结构构件的可靠性评定 通过计算或实测获得的结构或结构构件的变形 裂缝宽度 振幅 加速度等 结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值 应按各有关建筑结构设计规范的规定采用 7 4既有结构构件的可靠性评定 正常使用极限状态表达式 经现场荷载调查 三层楼面恒荷载可取4kN m2 假定该办公楼的目标使用期为30年 则楼面活荷载标准值可取为1 9kN m2 现场实测得到梁L1的截面尺寸为220mm 400mm 钢筋的保护层厚度为25mm 跨中截面纵筋为3 14 支座截面负筋为2 12 1 14 箍筋为 6 160 混凝土单轴抗压强度的标准值为10 8MPa 钢筋抗拉强度标准值为300MPa 结构构件的安全性分析 实例 7 4既有结构构件的可靠性评定 这里的规范指 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292 1999 按建议方法对梁跨中截面抗弯承载力的评价结果与 民用建筑可靠性鉴定标准 的评价结果相差了两个等级 而对cu级的构件应该采取相应措施 但从该梁的使用历史以及现状来看 其使用性能良好 不必采取加固措施 可见 规范的评定结果偏于保守 这将给委托人或房屋所有人带来较大的经济压力 结构构件的安全性分析 实例 7 4既有结构构件的可靠性评定 7 4既有结构构件的可靠性评定 桥梁评定中安全格式 计算可靠度需要更加复杂的方法 在实际应用中 基本随机变量远不止两个 且分布形式各不相同 因此 计算可靠度需要更加复杂的方法 7 4既有结构构件的可靠性评定 失效概率 结构失效概率的通用表达当各个随机变量是相互独立时 当Z R S时 一次二阶矩方法 可靠度指标的近似计算方法 包括中心点法 验算点法 当量正态化法 映射变换法和实用分析法 这些方法只需要随机变量的前一阶矩和二阶矩 而且只需要考虑功能函数泰勒级数展开式的常数项和一次项 因而统称为一次二阶矩方法 中心点法 极限状态方程函数 ZL g X1 X2 Xn 泰勒展开ZL的均值和方差根据均值和方差可计算可靠度指标 中心点法的特点 中心点法优点 计算简便 不足 不能考虑随机变量的分布模型 只是直接取用随机变量的前一阶矩和二阶矩 由于随机变量的平均值不在极限状态曲面上 将非线性功能函数在随机变量的平均值处展开不合理 对极限状态方程进行等价变换后求得的可靠度指标不相同 极限状态方程的几何表达 简单的极限状态方程 Z R S 0作如下变换 可得图像 可靠度指标 为新坐标系原点到极限状态直线的距离 这就是可靠度指标的几何意义 对 的计算可转化为求原点到极限状态方程的距离 图中P 为原点在极限状态直线上的垂足 称为设计验算点 当结构的极限状态方程由多个变量组成时 极限状态方程可以表达成一个广义曲面 这个曲面将n维空间划分为安全区和失效区两个区域 同样引入标准化正态随机变量 令则类似于两个正态随机变量的情况 此时极限状态方程的可靠度指标 是标准正态坐标系中原点到极限状态曲面的距离 三个随机变量对应的极限状态方程 对于多变量的极限状态方程 曲面 采用类似定义 由方向余弦的定义与下式联立可解得 和验算点坐标 验算点法的计算步骤 选择验算点的初值 一般取X X 计算方向余弦 由公式计算X 根据求解 重复b 如果两次算得的 值之差小于允许误差 则迭代结束 对非正态随机变量的处理 在工程结构的可靠度分析中 许多随机变量往往不服从正态分布 在分析包含这些非正态随机变量的极限状态方程时 一般先将非正态随机变量当量化或变换为正态随机变量 可采用的方法主要有三种 当量正态化法映射变化法实用分析法 当量正态化法 随机变量Xi当量正态化前后在设计验算点X 处的分布函数值不变 随机变量Xi当量正态化前后在设计验算点X 处的概率密度函数值不变 根据以上公式对随机变量实施当量正态化要求已知验算点坐标 而验算点的坐标为待求值 在工程上通常采用迭代法求解 MonteCarlo方法 来源 MonteCarlo这个术语是二战时期美国物理学家Metropolis执行曼哈顿计划的过程中提出来的 基本思想为求解数学 物理 工程技术以及生产管理等方面的问题 首先建立一个概率模型或随机过程 使它的参数等于问题的解 然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征 最后给出所求解的近似值 而解的精确度可用估计值的标准误差来表示 7 7 4既有结构构件的可靠性评定 Monte Carlo数值模拟法 Monte Carlo模拟流程 对进行随机抽样 将第i次抽样结果代入 如果则加1 多次重复 2 4 步 估算失效概率 列出方程中随机变量及分布函数 MonteCarlo方法的关键问题 一是将计算机生成的均匀分布随机数转换为所需的概率分布随机数 二是通过方差缩减提高MonteCarlo方法的计算效率 特点计算结果的收敛速度与随机变量的维数 极限状态函数的复杂程度无关 且不必实施状态函数线性化和随机变量当量正态化 思想简单必须借助高性能的计算工具 算例1 某钢筋混凝土简支梁跨中截面如图所示 其抗弯的极限状态函数为 试用中心点法计算结构的可靠度指标 算例2 某轴向受压短柱承受恒载SG 可变荷载SQ 截面承载力为R 各变量的统计参数表列于中 试用JC法求解其可靠指标和对应的失效概率 极限状态方程取初始点P 的坐标为 365 8 63 0 84 0 将非正态变量当量正态化处理抗力R可变荷载SQ 计算方向余弦联立方程组求得 1 3 652继续迭代求解 构件的评定必须有精确可靠的安全水平 且有别于设计中的安全水平 设计使用单一安全水平 没有考虑不同构件或全桥性能的特殊性 且设计规范给出的安全水平较高 因为 荷载和结构部分为可测 不确定性降低材料和结构的时变性能通过周期性检测不断确定 安全水平可随之调整设计公式考虑了多重影响因素设置安全水平 但在既有结构中某些影响因素不存在评定时 可靠指标的差异可能增加维修成本 需要考虑 构件性能体系性能检测水平安全成本措施等 7 4既有结构构件的可靠性评定 桥梁评定中安全水平 安全水平 各个国家和国际组织依据不同假定 给出了不同的目标可靠度推荐值 见下表 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 加拿大设计规范 CAN CSA S6 2000 依据体系性能 构件性能和检测水平定义了公路桥梁的可靠度目标值 在许可控制车辆交通下 表中值降低0 5影响人身安全 对经济必不可少 应急车辆必经时 提高0 25 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 体系性能 S1 构件失效导致整桥失效 S2 构件失效不会导致整桥失效 S3 构件失效只引起局部失效 构件性能 E1 构件在没有或几乎没有预兆的情况下失去承载能力 E2 构件在没有或几乎没有预兆的情况下破坏 但破坏后仍有一定承载能力 E3 构件在有预兆情况下 逐渐破坏 检测水平 INPS1 不可检测 INPS2 检测达到评估要求 INPS3 关键和 或不合格构件检测完成 并并在评估中考虑本次检测获得的信息 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 EN 1990规范 依据失效后果的严重程度 定义可靠度等级和相应的最小可靠度指标 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 JCSS根据代表性结构的公众成本效益分析 给出了可靠度指标目标值 对应1年基准期和承载能力极限状态轻微后果 失效的寿命风险可以忽略不计 经济损失很小或可不计 农用建筑 粮仓 桅杆 失效代价与造价相近 中等后果 失效的寿命风险中等 或者经济损失较大 办公楼 工业建筑 公寓楼 失效代价是造价的1 4倍 严重后果 失效的寿命风险很高 或者经济损失巨大 重要桥梁 剧院 医院 高层建筑 失效代价是造价的4 9倍 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 ISO CD13822 1999规范 按照检测的极限状态和失效后果定义可靠度指标目标值 7 4既有结构构件的可靠性评定 安全水平 ISO2394 1998规范 按照结构失效后果和安全措施成本定义可靠度指标目标值 7 4既有结构构件的可靠性评定 A 对应SLS 可逆极限状态 0 不可逆极限状态 1 5 B 对应FLS 根据可观测性 2 3 3 1 C 对应ULS 3 1 3 8或4 3 7 5既有结构体系的可靠性评定 主要研究内容 难点 7 5既有结构体系的可靠性评定 难点一 难点二 难点三 难点四 具有很高的冗余度 失效模式多 失效模式之间的相关性复杂 验证模式问题 使得计算更复杂 工程结构体系可靠性评定存在的问题 7 5既有结构体系的可靠性评定 评级 工业厂房可靠性鉴定标准 GBJ144 90 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292 1999 7 5既有结构体系的可靠性评定 工业厂房可靠性鉴定标准 GBJ144 90 民用建筑可靠性鉴定标准 GB50292 1999 7 5既有结构体系的可靠性评定 未考虑构件权重 假设梁L1为du级结构评为Du级 假设柱Z1为du级结构也评为Du级体系评价不合理主要构件 一般构件大型结构评定困难 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 1基于子结构的既有建筑结构体系可靠性评估 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 1基于子结构的既有建筑结构体系可靠性评估 Example 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 1基于子结构的既有建筑结构体系可靠性评估 例1 假定有一小高层建筑 其子结构划分和安全性等级如图7 5 1a所示 由图7 5 1a可知 第三层子结构最为薄弱 根据各子结构在结构体系中所处的位置和作用 以及相互之间的传力关系 图7 5 1b中斜线阴影部分的结构安全性等级可评定为Cu级 给修复加固处理指明了范围 直观地给出了该结构可靠度的总体水平 图7 5 1 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 2用层次分析法确定子结构中构件权重系数 基本原理 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 2用层次分析法确定子结构中构件权重系数 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 2用层次分析法确定子结构中构件权重系数 表7 5 1一层结构中各类构件权重比值 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 2用层次分析法确定子结构中构件权重系数 i i类构件中各构件的权重系数 ri i类构件的权重比 按上表取值 ni i类构件的数量 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 3结构体系可靠性等级评定 评定原则 7 5既有结构体系的可靠性评定 k 评定步骤 7 5 3结构体系可靠性等级评定 7 5既有结构体系的可靠性评定 表7 5 2上部结构每层可靠性等级的评定准则 7 5 3结构体系可靠性等级评定 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 4工程实例分析 图7 5 2所示为上海某厂综合楼东块 在使用过程中发现楼板和墙体有开裂现象 且厂方拟将此房屋改作生产车间和仓库 为保证安全 厂方委托同济大学对该房屋的可靠性进行检测评估 现场检测表明 该房屋为四层 局部有夹层 横向钢筋混凝土框架结构 混凝土的立方体抗压强度综合评定值为29 5MPa 图7 5 3给出了现场实测的该楼二层结构布置图及部分构件的截面尺寸和配筋图 以此房屋为例 分别选取目标使用期为10年 30年 50年和100年采用上述方法进行安全性评定 图7 5 2 7 5 4工程实例分析 7 5既有结构体系的可靠性评定 图7 5 3 由表7 5 1计算构件的权重系数 底层共有梁52根 边柱 包括角柱 20根 中柱12根 梁的权重系数为 0 0081 梁 边柱 中柱的权重系数分别为 0 0081 0 0140 0 0248 7 5 4工程实例分析 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 4工程实例分析 7 5既有结构体系的可靠性评定 采用中国建筑科学研究院结构研究所PKPM系列的SATWE 8计算软件 对综合楼东块房屋结构进行受力分析 算出最不利荷载效应组合后按前述的荷载标准值和荷载分项系数进行调整 得出不同目标使用期下既有结构的荷载效应 采用实测材料强度及截面的几何参数计算构件的承载力 确定构件的安全性等级 梁 墙的权重系数分别为 0 0190 0 0344 7 5 4工程实例分析 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 4工程实例分析 7 5既有结构体系的可靠性评定 冗余 桥梁是由不同构件按照一定体系类型组成的 构件间的相互作用 使得桥梁在某一构件破坏后往往还能继续承受荷载 我们将结构的这种能力称为冗余 从体系的角度对桥梁进行评估必须考虑它的冗余 冗余水平只有通过结构非线性分析方法才能估算 几乎不在新结构设计中使用 在不能满足构件级评定而需要进行更精确的评定时 安全格式 7 5既有结构体系的可靠性评定 7 5 5桥梁评定安全格式 安全格式 7 5既有结构体系的可靠性评定 使用何种安全格式 失效模式已知的体系 体系的性能可以直观地观测或可以通过已掌握信息进行预测 失效模式未知的体系 体系性能未知并且很难预测 特别是已经发生损伤的旧桥 必须进行非线性分析 根据对结构性能的了解程度决定 分项系数法 简化概率法 全概率法 整体抗力安全系数法 1 分项系数法将桥梁看作结构构件组成的体系 在构件级分项系数法的公式中 引入抗力 荷载修正系数 s 以考虑体系冗余和延性的影响 或2 全概率法缺少校准的分项系数时 采用直接概率法 体系与构件全概率计算法类似 但用解析方法计算体系可靠度 非常困难 只有在一些特殊情况下 才能得到精确的解析解 3 简化概率法采用估算可靠度上下界的方法 用可靠度下界偏保守的进行检验 具体做法是用弹性分析估算可靠度下界 用塑性分析估算失效概率上界 可靠度