基于公路工程结构可靠度设计的质量管理及控制.doc

基于公路工程结构可靠度设计的质量管理及控制帅长斌（江西交通工程咨询监理中心 南昌 330008）摘 要：基于工程结构可靠性设计理论，针对结构工程质量指标中的材料及制品的变异性，利用数理统计原理分析了质量管理的方法和质量控制中的有关问题，并举出实例说明质量管理及控制方法。关键词：工程结构；可靠性；质量检验；工程评价160 前言公路工程结构可靠度设计统一标准(GB/T50283-1999)中明确规定，对公路工程结构必须严格实施质量管理和控制，以保证结构在设计基准期内具有规定的可靠度，达到预定的安全性、适用性和耐久性，结构工程质量要求的可靠性管理已成为现代工程质量管理的核心。近几年来，在加强基本建设质量管理的同时，建立了相应的管理制度，引入全面质量管理的理念，加强质量控制和质量检测，取得了不少经验，但从管理的科学性和严格性，以及对施工的指导性来讲，仍有相当距离。主要体现在材料、制品的质量检验方面，按照数理统计的方法，如在保证结构符合设计采用的目标可靠指标的合理质量水平控制符合质量要求的特征指标和客许偏差，掌握质量指标的变异性和影响质量标准的不定性因素等方面存在不足。为此，我们将基于公路工程结构可靠度设计理论，探讨利用可靠性管理的方法，根据某个质量指标的变异性，正确确定质量指标的要求界限，正确评定所得检验结果是符合规定的质量要求，以及评定生产过程是否正常等等，进一步提高产品质量。1 结构工程质量指标的变异性结构工程是一个复杂的体系，质量的指标很多，既有材料性能的指标，又有施工质量的指标。这里的材料性能是指结构构件中材料的各种物理力学性能，如强度、弹性模量、泊松比、收缩、膨胀等。由于材料本身品质的差异，以及加工工艺、受荷状况、外形尺寸、环境条件等的不同，导致了结构构件材料性能的不定性。为了保证工程结构具有所预期的可靠度，首先应对结构的材料性能提出明确的质量需求，并对制品在形成产品的全过程进行严格的质量管理与控制，从而保证结构总体的质量水平。1.1材料性能的质量由于材料性能具有不定性，其质量特征亦同样具有不定性，一般用随机变量的概率模型和统计参数来描述。在工程结构可靠度分析中，结构构件的材料性能的主要指标是材料强度。根据大量的数据统计分析，其结果表明，材料强度可以假定服从正态分布或对数分布，材料性能的质量就可以用其分布的平均值和标准差S或变异系数来描述1，即用材料性能质量标准值以及低于该值的比率(也称为偏低率或者不合格品率)来评价产品的性能质量。设F(X)为材料性能的分布函数，可得F(X)=。若为正态分布，根据概率论知识可得：(1)式中为标准正态分布函数。且：(2)(3)这里定义为材料性能的保证率系数，与产品的不合格品率相对应。可以看出，规定了和值，也就相当于规定了和S的关系，另一方面，只要规定了和S的关系，也就相当于规定了质量要求。同理：若为对数正态分布时，有：(4)(5)1.2结构构件材料性能的不定性以上仅说明了标准试验条件下的材料性能的统计质量的各参数之间的联系，这些质量是根据材料性能子样对材料母体质量所作出的统计描述；或者是根据质量要求，对材料性能子样提供的一个统计判断规则。就其实质而言，材料性能的不定性还应包括真实构件与试件之间的差异。参考文献1中给出了实际结构构件的材料性能不定性用随机变量M的统计参数计算公式：(6)式中：结构构件中实际的材料性能值； 规范规定的结构构件材料性能值；规范规定的试件材料性能标准值；试件与构件的材料性能差别影响系数；反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量(无量纲数)；反映试件材料性能不定性的随机变量(无量纲数)；试件的材料性能值。根据统计参数的运算法则可得：(7) (8)式中：分别代表平均值； 分别代表的变异系数。由上可见，只要分别对和进行实测、统计和分析，得到它们的统计参数，就可按公式求得实际结构构件的材料性能统计参数，再按可靠性理论，分析质量指标的变异性，以此加强质量管理和控制。1.3材料性能质量与可靠指标的关系因为结构构件设计用目标可靠指标()来控制，为了保证设计所提出的目标可靠指标，对材料性能质量应规定明确的质量要求，以便在施工过程中进行严格的控制，所以还应该建立之间的函数关系(即质量方程)。在实际应用中，按照极限状态概念的结构可靠性设计理论2，对于同类结构构件，质量方程的通式可以表示为：(9)式中：质量函数仅与材料性能的平均值、标准差S(或变异系数)、标准值，以及设计规定的可靠指标有关。其中和s(或)描述了材料性能标准值的实际质量状况，而则标志设计对结构构件所要求的质量水平。若材料性能的变异仅在某个范围内波动，为实用起见，式(9)的曲线质量方程，可近似地用直线方程来代替。令直线与横坐标的交点为材料性能的标准值，直线的斜率为；则式(9)可改写为：(为正态分布)(10a)或(为对数分布)(10b)可以看出，式(10)与式(2)和式(4)相吻合。即只要对材料性能适当地规定标准值和偏低率，就可在一定的变异范围内近似地与设计要求的质量相对应。我国各类工程结构设计基本上都规定各种材料性能的标准值取其概率分布的0.05分位数，即偏低率取5%。它是设计表达式中材料性能的设计取值，也是施工中控制材料性能质量的主要依据。2 质量管理质量管理是为了保证和提高产品质量而进行的一系列管理。在推行全面质量管理中，它必须按一定的原则、程序和方法，对生产和施工过程中影响质量的各种因素进行计划、组织、指挥和控制。在工程结构中质量管理中，重要的一个环节是按科学的方法进行质量控制，即在施工生产过程中，随时采取各种测试手段或调查方法取得产品质量的反映(包括数据)，再与对产品质量要求的标准相比较，若有不符合标准者，查明原因，及时采取措施加以纠正。工程施工中进行质量控制一般按照以下三个阶段进行。2.1施工准备阶段施工单位在工程结构正式施工之前，必须明确设计要求的质量和有关标准规定的施工质量，并以此作为目标选择原材料及相关的工艺参数，以便形成一个正常的生产标准，作为正式生产的依据。同时还要经过试生产具有足够数量的试验基础上，为施工和验收提出材料和构件性能的统计参数。现以砼生产为例，说明按可靠性管理要求施工准备阶段应进行的数据采集和准备工作，流程如下：按规范和验评标准确定目标参数确定原材料(如水泥、砂、石等)质量指标确定生产工艺(如配合比、坍落度、捣实等进行试验和试生产、取得质量特性数据数理统计分析，核对是否满足要求确定砼特性(如强度)统计参数 或Cv。2.2施工生产阶段施工生产过程中为了使产品和构件具有稳定的质量必须按有关控制标准和方法进行生产控制。生产控制的核心是工序控制。我们用工序能力指数来描述工序能力，以此作为决定产品质量标准的重要依据，同时反映出生产合格产品的能力。按上述定义有：工序能力指数=技术要求或产品质量标准/工序能力。在1.3中我们分析了材料性能质量与可靠指标的关系。按一般质量管理体制的原则，假定工序能力为生产中有3的废品率(不合格品率)可能性，也就是说生产合格品率的概率为99.7%，在标准正态分布函数中6s的面积为99.72%，这样工序能力指数可表示为：(11)式中：T公差范围，即质量标准要求的合格产 品的范围；S母体的标准差。结构工程验收的质量指标通常有正、负允许误差，常采用双边波动界限评定试验结果是否符合要求3，即：(12)这时，公差范围为：(13)式中：材料性能的保证率系数对于标准正态分布，不同概率的的值计算如下：概率 90% 95% 97.72% 99.87% 99.99% 100% 1.281 1.645 2.0 3.0 4.0 5.0由此可得在一般质量管理原则下的工序能力指数，说明当，表示工序能力不足，必须停产整顿，否则将生产次品或不合格品。同理，可分析出在不同的工序能力下，相应的工序能力指数：当时(即不允许出现不合格品)，表示工序能力过于充裕，会造成一定的浪费；当时(即可能出现1%的不合格品)，表示工序能力较为过剩，生产过程控制超常；当时(即可能出现1%2%的不合格品)，表示工序能力较为理想，生产过程控制正常；当时(即可能出现2%3%的不合格品)，表示工序能力可以，但需要加强管理，容易出现次品。2.3验收检验阶段通过质量检验，使不符合质量标准的产品不予使用，防止给工程结构造成不应有的损害或潜在的危险，影响结构的可靠性。材料及制品质量验收检验的方法很多，如在规范中规定可采取抽样或全数检验的方法。总之，必须按照一定的验收规则执行，即按照合理的验评方案，明确验收界限、特征指标和容许偏差等。设()是容量为n的子样数据，且假定，它们是遵循某种分布的随机变量。设子样的验收函数Z()的相应验收界限为，则：当时，判产品合格；当时，判产品不合格。由数理统计学可知，子样的平均值与母体的平均值近似相等，但子样标准差与母体标准差S相比缩小了倍，则按式(12)可知允许双边波动的置信区间为：(14)现考察公路桥涵施工技术规范中规定砼强度的质量标准，对于大桥等重要工程及中小桥、涵洞工程，试件10组时，宜用数据统计方法评定即：(砼的设计标号)(砼的设计标号)当n=1014时，；当n=1524时，；当n25时，。这里说明了在不同的n值条件下通过验收的概率分别为97%、95%、93%。即，采用子样最小值作为验收函数时，随子样容量n的加大，检验加严，此时不仅限制了低质量产品的通过，同时也降低了优质产品被接收的概率。与式(14)所表达的结果一致。3 应用举例假定一般重要构件在生产砼时，做了足够多试验(试验批数n25)，经抽样试验分析得到的试件统计参数为：试件平均值，试件标准差s=6.9Mpa，变异系数，不考虑尺寸误差和计算模型误差，试评价该批砼的质量，并从质量管理角度，分析生产过程的质量状况。分析思路如下：(1)根据设计要求的材料和制品的合格质量水平确定合理的材料组成和工艺参数，形成一个正常的生产标准，作为正式生产的依据，并为生产控制和合格控制提供材料和制品性能的统计参数。这里按规范取轴心抗压强度标准值，由于不考虑尺寸误差和计算模型误差。按公式(6)(8)即可求得实际构件材料性能近似值。(2)根据已制定的生产标准，对材料和制品的性能进行抽样检验或全数检验，及时纠正偏差，以控制施工过程中的质量稳定性，保证设计要求的合格质量水平。该结构件的目标可靠指标按规范要求，这里抽样检验次数n25,即，按规范标准验收。按公式(11)即可求得工序能力指数。(3)在质量管理方案中，应先根据设计要求确定合格质量水平和极限质量水平，以控制施工方风险和用户风险引起的总损失为最小的原则确定验收界限，使产品质量与生产方面经济利益相联系，以促进提高管理水平，确保工程质量。这里根据上述的计算结果表明工序能力严重不足，有不合格产品出现。同时按公式(12)确定的验收界限计算出该批结构件按规范应该拒收。但从可靠性角度来看，能保证85%的产品为合格品，不应该完全拒收，应通过控制手段调整生产工艺，剔除不合格品。4.结语(1)工程结构的可靠性分析与设计是以概率论为理论基础的，其突出特点就是将影响可靠性的各项因素当作随机变量，而要弄清各随机变量的分布规律和统计参数，除了实测统计，另无它法。(2)在规定了材料性能设计的质量要求后，为了达到规定的结构可靠度要求，必须对结构