基于评估使用年限的既有结构可靠度评定实用方法

在分析国内外关于考虑抗力和荷载效应时变性的结构可靠度研究成果的基础上,提出了既有结构基于评估使用年限的可靠度评定实用方法。分析表明,不考虑设计使用年限内的抗力退化时,结构累积失效概率与服役年数成正比。结构抗力随机过程模型采用服役起始点随机变量乘以一个确定的抗力衰减函数表示,则结构抗力随机过程可退化为随机变量。同时考虑结构在评估使用年限内的抗力退化和评估使用年限缩短引起的抗力需求调整,建立了既有结构基于评估使用年限的累积失效概率和可靠指标条件方程。为便于工程应用,用抗力平均退化系数和抗力需求折减系数表示可靠指标的动态变化,建立了既有结构评估的抗力-需求比实用表达式,并提出了不同评估使用年限下的抗力需求折减系数建议值。     

随机性验证荷载对既有建筑结构构件可靠度的影响分析

对既有建筑结构构件进行安全性评定时,容易推断其在已服役时间内的随机性验证荷载。以混凝土受弯、大偏压和轴压三类构件为例,研究了随机性验证荷载作用下结构构件可靠指标的时变规律。不考虑抗力退化时构件可靠指标和失效概率的时变规律分析表明：①经5年左右的验证荷载作用后,构件的失效概率均趋于与服役时间成正比;既有结构评定时的构件失效概率回复至零,且失效概率增长速率基本与原设计构件相同;②评定时的已服役时间越长、评估使用年限越短、永久荷载占比越大,验证荷载引起的构件可靠指标基本增量越大,而三类构件之间的可靠指标基本增量差异不大;③验证荷载引起的可靠指标综合增量由可靠指标基本增量和评估使用年限缩短引起的可靠指标增量构成,且后者大于前者;④评估使用年限不超过5年和已服役时间的一半时,验证荷载的有利作用较显著,采用基于良好结构状态的评定方法评定既有结构构件的安全性时应限定评估使用年限和已服役时间。完整的结构构件时变可靠指标分析应同时考虑抗力退化、验证荷载作用以及评估使用年限缩短的影响,验证荷载作用及评估使用年限缩短可抵消部分因抗力退化引起的可靠指标降低。     

既有结构基于评估使用年限的目标可靠度研究

在比较JCCS概率模式规范与我国统一标准规定的结构构件允许失效概率及目标可靠指标的基础上,研究了既有结构基于评估使用年限的目标可靠度。以评估使用年限内的允许累积失效概率与原设计使用年限内的允许累积失效概率相等为原则,建立了根据评估使用年限确定目标可靠度的方法,并提出了抗力需求折减系数建议值。以允许年失效概率为依据,提出了危险构件的可靠度定义和既有结构构件的使用安全寿命准则。以某锈蚀钢筋混凝土梁的受弯承载力分析为例,研究了其使用安全寿命、全寿命期检测评定周期等。     

海洋大气环境下钢筋混凝土梁受弯时变可靠度分析

通过引入应力水平影响系数,建立考虑荷载影响的钢筋锈蚀速率时变模型。采用随机分析方法研究锈坑空间分布变异性对锈蚀钢筋混凝土梁可靠度的影响。通过把梁离散为许多小尺寸单元,将整个构件的失效概率转化为一系列单元的串联体系失效概率,采用蒙特卡罗法计算海洋大气环境下钢筋混凝土梁受弯时变可靠度。计算结果表明:对锈蚀钢筋混凝土梁进行时变可靠度分析时,考虑锈坑的空间变异性及荷载对结构劣化的影响十分必要。     

承载力折减系数对结构构件可靠度的影响分析

构件承载力评定是鉴定结构构件安全性的重要指标。本文采用一阶二次矩阵法得出了不同承载力折减系数下的构件可靠指标计算公式,并结合多种常用材料的抗力参数,根据非迭代方法计算出了不同结构构件对应的可靠指标。结果表明：可变荷载对结构可靠度的贡献优于永久荷载的影响,但当可变荷载与永久荷载标准值之比达到一定限值时,构件的可靠度不再提高。依照现行标准要求的承载力折减系数计算可知,结构构件可靠指标大致呈等差数列排布,此种划分方法下得出的结果与构件实际失效概率存在较大偏差,可靠指标降幅过大将对构件安全性鉴定工作产生不利影响。     

基于响应面法分析桥梁结构的可靠度及风险概率预测

采用响应面法计算桥梁结构在车辆荷载作用下结构的可靠度,利用MIDAS构建桥梁有限元模型得到结构响应,并通过MATLAB进行迭代计算,最后求得到结构的可靠度;同时从混凝土截面面积退化作用角度入手,对其结构的时变可靠度和时变风险概率进行分析计算。算例表明:以响应面法为手段,结合MIDAS和MATLAB作为辅助计算分析,不仅提高了计算精度,同时还提高了计算效率;对结构时变可靠度和时变风险概率进行计算分析,得到的时变曲线与实际桥梁风险事故规律相符,说明从混凝土截面退化角度考虑时变风险概率是可行的,并根据所绘制的时变曲线,制定了桥梁后期最佳的加固、养护和维修方法。     

基于碳化模型的在役桥梁可靠度分析

根据不同混凝土受碳化腐蚀模式,考虑混凝土抗压强度、水灰比、保护层厚度、环境温度、湿度、碳化速率等影响混凝土碳化深度的时间依赖性因素,计算了桥梁耐久性的失效概率。拟合出桥梁的失效概率与使用年限关系的寿命曲线,在目标可靠指标下,更为直接的表明了受碳化侵蚀的在役桥梁时变可靠度与剩余寿命的关系,为评定桥梁的安全服役年限及加固维修提供了理论依据。     

再生混凝土质量控制及梁时变可靠度分析

基于再生骨料来源复杂、具有变异性等特点,考虑由此引起的再生混凝土的变异性和时变性,对再生混凝土梁的时变可靠度进行研究,为再生混凝土受力构件的设计提供理论依据。基于时变可靠度计算方法,分析了再生混凝土梁的抗弯安全时变可靠度。案例分析表明,再生混凝土梁初始可靠指标为3.30,随着服役时间的增长,可靠指标逐渐降低,对应的失效概率逐渐增加。当服役时间为50年时,失效概率为0.0012,可靠指标为3.03,下降8.18%;当服役时间为100年时,失效概率为0.0114,可靠指标为2.28,下降30.91%。变参数分析结果表明,再生混凝土强度、配筋率和保护层厚度对时变可靠度的影响显著。提高再生混凝土强度,提高配筋率和增加保护层厚度,都可以提高时变可靠指标,保证再生混凝土梁满足可靠度要求。     

基于Gamma随机过程的水工钢闸门时变可靠度方法

钢板锈蚀是引起水工钢闸门结构的抗力和刚度退化的主要因素,在水工钢闸门可靠度评估或剩余寿命的评估中,应考虑其不利影响。今结合Gamma随机退化过程的特点,提出了一种考虑抗力退化过程的水工钢闸门结构时变可靠度计算方法。首先根据钢板锈蚀的基本特征采用Gamma随机过程对钢板锈蚀量随时间演化的过程进行了模拟,同时给出了Gamma随机过程参数估计方法和顺序采样方法。然后根据钢闸门抗力的特点确定了衰减函数的表达式并采用Monte-Carlo法计算了不同服役过程中钢闸门时变可靠度变化过程。最后针对具体数值算例讨论了锈蚀速率、初始钢板厚度以及衰减函数形式对时变可靠度的影响。     

关于既有建筑承载力鉴定标准的研究

对既有建筑需要根据建筑物现状及后续运营情况重新确定后续目标使用年限作为时间的考量,这个目标使用年限是不确定的;同时现行设计规范与过往年代设计规范的可靠度水平也有很大变化。因此,考虑不同的目标使用年限,并采用统一的可靠度水平,对既有建筑的荷载作用、抗力及目标可靠指标给予时间因素影响的修正,才能对既有建筑给出更合理的鉴定结果。从研究各年代结构设计规范中荷载、抗力的变化入手,考虑既有建筑不同后续目标使用年限的需求,分析时间因素对荷载、抗力等相关参数的影响,探讨一种基于相同可靠度水平的、不同目标使用年限的既有建筑承载力鉴定标准。     

既有RC桥梁时变可靠性分析

为了研究构件抗力劣化和车辆荷载对既有RC桥梁服役期间的可靠度影响,首先分析讨论了抗力的衰减模型,并将车辆荷载率视为随机变量。在此基础上,分析了不同的抗力衰减模型和车辆荷载对结构可靠性的敏感性。结果表明,行车道板抗弯失效模式的失效概率最大,车辆荷载对结构可靠性影响较大,抗力按不同的规律衰减导致结构的可靠指标降低趋势表现出不同的规律。     

氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计方法

为了建立氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计方法,根据混凝土结构性能劣化的特点,在分析结构耐久性失效状态、可靠度设置水平、环境荷载及抗力影响因素的基础上,建立了钢筋初锈、保护层锈胀开裂及锈胀损伤达到最大限值这3种情况下的耐久性极限状态方程.基于结构可靠度设计理论,引入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久目标可靠指标的要求,建立了结构耐久性设计的分项系数表达形式.按照概率设计与分项系数设计具有相同可靠度水平的原则,给出了抗力分项系数的确定方法及不同耐久性极限状态下抗力分项系数的取值.     

不同服役环境下基于非线性功能函数的RC箱形拱桥时变可靠度分析

现有拱桥可靠度研究多为时不变可靠度研究,而时变可靠度研究较少。针对此不足,采用现有的结构抗力时变模型对RC箱形拱桥进行了时变可靠度分析。在此基础上采用JC法,求解得到RC箱形拱桥关键截面在不同环境中、不同时间段的可靠指标。结果表明:RC箱形拱桥拱脚截面无论处于何种环境中,随着服役时间的增长,可靠指标都会逐步下降。关键截面处于小偏压时,起始阶段可靠指标较高,但下降较快;关键截面处于大偏压时,可靠指标变化幅度相对较为缓慢;且随着时间推移,失效截面可能会发生变化。     

锈蚀钢构件时变可靠度的重要抽样法研究

设计使用年限内锈蚀钢构件的抗力随时间是衰减的,但我国现行GB 50017—2017《钢结构设计标准》假定抗力不随时间改变,导致计算得到的可靠度偏大。采用串联系统模型简化计算时变可靠度,利用蒙特卡洛重要抽样法在计算效率上的优势,给出了锈蚀构件的时变可靠度计算方法。通过抗力时不变算例,对比分析了所推荐方法与传统时不变算法的计算结果,验证该方法的精确性和有效性。进而采用拟合度指标对该方法的参数进行优化分析,给出了该方法计算锈蚀钢构件时变可靠度的参数建议。     

受拉钢构件可靠指标退化分析

根据试验结果和现有文献资料,对锈蚀钢材的力学性能、锈蚀速率等方面进行研究,获得钢材锈蚀规律,提出受拉钢构件抗力衰减模型。采用一次二阶矩法计算不同服役年限的受拉钢构件可靠指标,研究受拉钢构件时变可靠指标退化规律。     

考虑空间变量的氯盐环境下RC简支梁桥失效概率分析

桥梁结构常规失效概率计算主要集中在关键截面,但在腐蚀环境下,蚀坑分布具有空间特征,关键截面可能随之发生变化。因此,基于一维随机场理论,考虑混凝土强度、混凝土表面氯离子浓度以及扩散系数等参数的空间分布特性,使用平方指数自相关函数,建立氯盐环境下RC简支梁桥的空间时变可靠度模型,计算腐蚀环境下的结构失效概率。通过将荷载场、材料场和腐蚀介质场离散为随机变量,合理选取的相关长度d和波动系数θ,结合空间均值法,计算了氯盐环境下简支RC梁桥服役期的随机失效概率。研究表明:考虑参数空间特征时的RC梁桥失效概率比不考虑空间分布特征时高18%,寿命期超载作用导致桥梁结构失效概率是正常运营条件下的6倍,因此需要严格管理车辆荷载,延长桥梁服役寿命。     

混凝土结构长期性能的若干基本问题探讨

混凝土结构在建造以及服役过程中不可避免地产生损伤积累、抗力衰减和性能退化。混凝土结构的长期性能是指结构在长期的荷载与环境耦合作用下,随时间推进表现出的具有时变性的功能或特性。结构长期性能反映了结构性能随时间的变化,是结构的综合性能。考虑了在环境侵蚀作用、反复作用、持续作用下混凝土结构的时变累积效应,总结了混凝土结构长期性能在服役全过程中的劣化规律,明确了在环境侵蚀作用、反复作用、持续作用下结构长期性能劣化的各极限状态准则,并基于结构设计现状总结了结构长期性能的分项系数设计法和全概率设计法的设计思路。     

基于剩余使用年限的结构生命周期性能设计方法

基于概率理论结构设计的基本目的是使结构在预定的使用期内满足设计所预期的结构可靠性,包括安全性、适用性、耐久性。影响结构可靠性的荷载效应(直接或间接作用引起的结构的各种内力)与结构抗力(指结构承受荷载和变形的能力)因受到各种因素的影响,都是随时间或空间而变动的随机函数。在目前的超高层建筑结构的设计过程中,有关是否需要考虑作用及抗力的时变性能以及如何考虑的规定十分笼统。为了更加明确考虑时变性能在结构设计中的影响,在引入剩余使用年限的基础上提出了基于剩余使用年限的结构生命周期性能设计方法。并以一个超高层建筑为例,阐述了其具体应用,为今后工程中基于时变性能的结构设计提供参考。     

沈阳城区挖孔桩单桩竖向承载力可靠度研究

为采用概率极限状态法设计挖孔桩,引用无量纲随机变量的极限状态方程,结合沈阳城区人工挖孔桩的试桩资料,对其竖向承载力进行可靠度分析;然后采用JC法计算可靠指标,得到沈阳地区建筑地基基础规范中挖孔桩的目标可靠指标和抗力分项系数,并对影响可靠指标的各种因素进行分析。研究结果表明,荷载效应比和荷载组合形式对可靠指标有一定影响,抗力概型分布对可靠指标的影响较大,抗力分项系数受荷载组合型式和荷载效应比的影响较小。     

运营公路隧道衬砌正常使用极限状态模糊随机可靠度分析

该文基于运营公路隧道衬砌正常使用极限状态的特征,针对钢筋混凝土偏心受压构件的最大裂缝宽度极限状态开展了研究。建立了考虑衬砌结构抗力模糊性及荷载效应随机性的正常使用极限状态下模糊随机可靠度分析方法,并对某海底隧道海域Ⅲ级（Ⅳ类）围岩下衬砌结构最大裂缝宽度的可靠度进行了计算。计算结果表明：（1）在考虑结构安全重要性系数、结构的使用环境及荷载条件等因素前提下,模糊失效准则的边界应根据规范规定的允许裂缝宽度值确定;（2）某海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面衬砌拱顶处出现最大宽度裂缝时的失效概率pf=0.194,小于50%,可以满足使用要求;（3）某海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面衬砌拱腰处出现最大宽度裂缝时的失效概率pf=0.322,小于50%,可以满足使用要求。