一种改进的工程结构全寿命设计理论指标体系

以结构耐久性为主线,对现有工程结构全寿命设计理论框架进行重组,将结构的全寿命设计目标总结为可靠性目标和可持续性目标两方面,建立了包含安全性、适用性、耐久性、经济影响、环境影响和社会影响等设计目标的全寿命设计体系,并确定了基于结构动态性能的全寿命设计思路。通过建立结构可持续发展指标,解决了现有全寿命设计理论中概念模糊和指标重复的问题,并完善了全寿命成本的内涵。改进后的全寿命设计理论指标体系具有更为完善合理的构架,能够广泛适应各种结构类型和使用情况。     

一种改进的工程结构全寿命设计理论指标体系

以结构耐久性为主线,对现有工程结构全寿命设计理论框架进行重组,将结构的全寿命设计目标总结为可靠性目标和可持续性目标两方面,建立了包含安全性、适用性、耐久性、经济影响、环境影响和社会影响等设计目标的全寿命设计体系,并确定了基于结构动态性能的全寿命设计思路。通过建立结构可持续发展指标,解决了现有全寿命设计理论中概念模糊和指标重复的问题,并完善了全寿命成本的内涵。改进后的全寿命设计理论指标体系具有更为完善合理的构架,能够广泛适应各种结构类型和使用情况。     

混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展

由混凝土结构耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土结构耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合结构全生命周期成本(SLCC)的理念;其次总结了结构耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,认为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映结构使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。     

考虑全寿命性能和成本的碳化腐蚀下RC梁桥耐久性参数确定方法

发展了考虑时变温度效应的腐蚀开始时间模型和碳化腐蚀率模型,以混凝土保护层厚度、水灰比以及钢筋直径等参数为设计变量,建立钢筋混凝土(RC)梁桥耐久性设计全寿命概率成本模型。以寿命期内全寿命成本现值最小为优化目标、寿命期基于锈胀开裂的正常使用性能为约束条件,提出大气环境下RC梁桥全寿命耐久性优化设计模型,构建大气环境下RC梁桥基于成本-效益的耐久性参数确定新方法,为大气环境下RC梁桥全寿命过程耐久性设计参数确定提供了新的思路。计算发现RC梁桥的全寿命性能与钢筋的位置和直径有关。对于大气环境条件下受碳化腐蚀的RC梁桥,采用初始成本最优得到的耐久性设计参数不满足全寿命耐久性能要求。综合考虑全寿命成本和性能时,当保护层厚度为30mm和水灰比为0.45时,尽管考虑将来累积碳化腐蚀损伤效应,提高混凝土保护层厚度和混凝土强度不能降低全寿命成本,反而增加初始造价,不是成本效益比最优的耐久性设计对策。     

混凝土结构全寿命减碳技术研究进展

混凝土结构应用广泛，但其在施工、服役和退役的全寿命周期均有较大量的碳排放，因此，混凝土结构全寿命减碳技术的研发与应用，对于推动建筑业低碳发展至关重要。从混凝土结构全寿命角度出发，将结构生命过程划分为服役前(包括材料制备和施工建造)、服役中(包括运营和维护)、服役后(包括拆除和回收)3个阶段，以全寿命周期总碳排放量和年均碳排放量为评价指标，分阶段探讨了混凝土结构减碳技术理念；提出了采用新型低碳胶凝材料、提升结构耐久性以及退役后建筑固废循环利用等方式实现混凝土结构全寿命减碳；总结了混凝土结构减碳设计理论的研究现状，建议通过多目标优化分析，实现可靠性、经济性和碳排放的平衡设计；对混凝土结构全寿命减碳设计下一步研究和实施的方向进行了展望。     

基于延寿-减碳目标的混凝土结构耐久性控制策略研究

延长结构服役寿命是减少结构全寿命周期碳排放的有效途径。提出了一种综合考虑混凝土结构服役寿命和碳排放的耐久性控制策略分析方法。基于可靠性理论，考虑混凝土结构耐久性能劣化过程三个阶段的规律，研究不同耐久性控制策略对结构可靠度的影响，建立了基于混凝土结构耐久性控制策略的寿命计算模型和碳排放计算模型，提出了描述结构减碳效果的量化指标。通过比较不同耐久性维护和修复方法的延寿效果和碳排放组成，针对工程案例，分别考虑结构的建成状态和既有状态，计算获得不同耐久性控制策略下的服役寿命和年均碳排放量，对比不同策略的延寿和减碳效果。结果表明，耐久性控制策略最高可延长案例结构约22年的服役寿命，并获得8.76%的减碳收益率，在工程实践中应尽早对混凝土结构采取耐久性控制策略以更好地实现结构延寿-减碳目标。     

混凝土结构耐久性的全寿命分析法

分析影响混凝土结构耐久性的主要因素简要提出了改进混凝土结构耐久性的措施。介绍全寿命分析法，分析采用全寿命分析法计算结构耐久性的必要性及计算方法。     

基于风险的隧道结构全寿命设计方法研究

针对现有隧道结构设计方法存在的问题,将风险和全寿命的理念引入隧道结构设计,应用风险评估和全寿命费用分析的理论对现有设计方法进行改进,提出了基于风险的隧道结构全寿命设计方法.论文根据隧道结构设计的特点讨论了风险评估、全寿命费用分析、方案决策分析的方法和内容,给出了基于风险的隧道结构全寿命设计方法框架,并探讨了需进一步研究的问题.     

工程结构全寿命设计绿色指标体系构建

工程结构的绿色设计和绿色评价存在共性,在已建立的可持续发展工程结构全寿命周期设计理论体系基础上,参考国内外的绿色建筑评价体系,根据其共性构建了工程结构全寿命设计的绿色指标体系。该体系包含了三个指标,即以所处环境为对象的“环境评价指标”、以人为对象的“用户及社会满意度指标”和以区域和全球生态系统为对象的“可持续发展指标”。工程结构的全寿命设计传统指标是对现行设计方法的扩展和延伸,而绿色指标则是独立于传统设计方法体系之外的新体系,体现了全寿命设计方法的人文关怀和对自然的责任。为了将工程结构全寿命活动的环境和生态影响控制到最低水平,并使相关人群的利益最大化,通过指标分层、指标分类和权重分析,建立了建筑结构全寿命绿色设计指标体系。针对沿海高速公路桥梁结构的结构形式、用途和所处环境,构建了其全寿命设计绿色指标体系框架。     

混凝土结构全寿命性能设计理论框架研究

为了发展基于性能的设计理论,从结构性能概念、性能方法、性能设计的基本要求出发,构建结构全寿命性能设计的性能体系模型。将荷载作用等级通过不同设计使用年限的荷载取值标准来体现,并给出可变荷载取值标准的确定方法。将结构的性能水平划分为三个方面,并将结构的耐久性划分为三个等级,提出了采用三级性能指标(标准)作为结构性能的控制指标(标准)。建议耐久性等级为一、二、三级时,风险性能标准β分别取1.0、1.5、2.0;提出采用有害介质扩散深度、钢筋锈蚀率及锈胀裂缝宽度指标作为结构耐久性设计的控制指标。     

混凝土结构的绿色耐久性

从节约资源和能源，与环境相容共生并实现建筑业可持续发展的战略高度出发，提出了混凝土结构的“绿色耐久性”概念。基于结构生命周期成本理论与绿色设计理念，探讨了“绿色耐久性”的设计与施工方法，并提出了“绿色耐久性”的实施策略。     

结构生命周期的可靠性管理

结构的抗力性能、使用条件、环境作用等都是随时间变化的过程。结构的运行规律复杂且具有大量的不确定性和不确知性,单纯依靠设计来保证结构的安全性是不够的,而应该综合考虑设计、检测、维护等策略对结构生命周期的可靠性进行管理。首先分析了目前的可靠度设计方法的优点和局限性,对可靠性管理的概念和必要性进行了阐述。继而引入时变可靠度和时点可靠度指标,建立一套考虑安全控制和风险优化的结构生命周期可靠性管理框架,并对其中的若干理论问题进行了讨论。该框架的特点在于,由静态思路转向动态思路,强调信息的更新和充分利用,与现有设计理论和工程实践保持协调。     

高性能结构抗多次多种灾害全寿命性能分析与设计理论研究进展

为促进高性能结构抗多次多种灾害全寿命性能设计理论研究在我国的发展,详细介绍了该领域的国内外研究现状并建立了其基本研究框架。对高性能结构在全寿命周期内可能遭受的多种灾害单独作用和联合作用的发生概率模型的研究成果进行了阐述,以碳化腐蚀作用和风致疲劳作用为例,论述了在结构全寿命周期内由环境作用引起材料及构件退化的时变模型研究现状,为开展多次多种灾害作用下高性能结构的全寿命性能分析研究提供了方向,并系统介绍了多种灾害作用下结构易损性分析方法和考虑灾害损失成本的结构全寿命抗灾性能优化设计方法的研究进展。基于全寿命周期的结构抗多次多种灾害性能设计方法,能够合理地解决传统设计方法中未考虑多种灾害联合作用和结构性能退化问题,对于建筑结构设计领域的发展具有重要意义。     

Life-cycle performance,management, and optimisation of structural systems under uncertainty: accomplishments and challenges 1

Our knowledge to model, analyse, design, maintain, monitor, manage, predict and optimise the life-cycle performance of structures and infrastructures under uncertainty is continually growing. However, in many countries, including the United States, the civil infrastructure is no longer within desired levels of performance and safety. Decisions regarding civil infrastructure systems should be supported by an integrated reliability-based life-cycle multi-objective optimisation framework by considering, among other factors, the likelihood of successful performance and the total expected cost accrued over the entire life-cycle. The primary objective of this paper is to highlight recent accomplishments in the life-cycle performance assessment, maintenance, monitoring, management and optimisation of structural systems under uncertainty. Challenges are also identified.     

Integration of structural health monitoring in a system performance based life-cycle bridge management framework

In this paper, an approach for integrating the information obtained from structural health monitoring in a life-cycle bridge management framework is proposed. The framework is developed on the basis of life-cycle system performance concepts that are also presented in this paper. The performance of the bridge is quantified by incorporating prior knowledge and information obtained from structural health monitoring using Bayesian updating concepts. This performance is predicted in the future using extreme value statistics. Advanced modelling tools and techniques are used for the lifetime reliability computations, including incremental nonlinear finite element analyses, quadratic response surface modelling using design of experiments concepts, and Latin hypercube sampling, among other techniques. The methodology is illustrated on an existing bridge in the state of Wisconsin.     

网壳结构寿命周期总费用的计算方法研究

现代结构系统在灾害中产生巨大经济损失的特点,使人们意识到在结构设计之初就对结构的寿命周期总费用进行有效评估、并反过来指导工程设计具有重要意义。对网壳结构寿命周期总费用的计算方法进行研究,分别提出初始造价、维护费用和失效损失的计算公式,并考虑寿命周期内网壳结构可能受到的荷载发生的概率,建立寿命周期总费用的计算方法,编制网壳结构寿命周期总费用的计算程序。通过一具体的网壳结构工程算例验证上述方法和程序的有效性。研究结果表明,网壳结构初始造价的追加投资会由于结构使用过程中失效损失费用的减小而得到补偿,而寿命周期总费用最小正是结构设计的最优状态,按照现行规范设计方法得到的结构配置方案不一定是寿命周期总费用最小的方案。     

The effect of uncertainties in seismic loss estimation of steel and reinforced concrete composite buildings

The objective of this work is to study the influence of various sources of uncertainties on the seismic response of structural systems. For this purpose, four test examples are considered, in particular two steel and two steel–concrete composite buildings. In order to study the impact of uncertainty on this type of structure, life-cycle cost analysis is performed for each structure, which is a measure of the damage cost due to future earthquakes that will occur during the design life of a structure. The calculation of the life-cycle cost of structural systems requires the calculation of the structural capacity in multiple earthquake hazard levels. Multicomponent incremental dynamic analysis (MIDA) is considered as one of the most efficient procedures for estimating the seismic capacity of 3D structural systems; therefore, in this work, MIDA is incorporated into the seismic loss estimation procedure. In order to take into account uncertainty on the mass, the material properties, the damping and the record-incident angle, the Latin hypercube sampling method is integrated into the MIDA framework.     

基于模糊综合评判的结构寿命周期总费用评估

结构寿命周期总费用评估是实施基于性能的抗震设计的关键问题,其中失效损失期望评估中结构失效概率的计算往往需要多次结构重分析,计算量很大,成为结构寿命周期总费用评估中的一个主要问题。本文利用模糊综合评判理论进行结构寿命周期损失期望的评估,以失效概率方法评估结果为参照,研究了隶属度函数的不同形式、结构不同重要性对模糊评判方法结果的影响,并计算了钢筋混凝土框架算例。结果表明,利用模糊综合评判进行结构损失期望评估,可以在保证一定精度的前提下,大大简化了失效损失期望评估的计算量。     

Life-cycle cost analysis and life-cycle assessment of the second-generation benchmark building subject to typhoon wind loads in Hong Kong

Tall buildings located in Hong Kong can suffer great damage caused by typhoon hazards throughout their lifetimes. In addition, the effect of wind hazards may be exacerbated due to increases in the typhoon intensity and frequency caused by the climate change effect. Therefore, developing a framework to evaluate and quantify the damage caused by wind hazards on tall buildings from the economic perspective is critical for engineers and building owners in designing a cost-effective tall building. In this study, an economic damage indicator, life-cycle cost, is measured by using a probabilistic method called life-cycle cost analysis (LCCA). Moreover, the building sector is one of the biggest contributors to greenhouse gas (GHG) emissions, and the environmental impact that may be generated in intervention activities after wind-induced damage occurs is analyzed. An environmental impact indicator, embodied carbon emission, is quantified by employing another probabilistic method called life-cycle assessment (LCA). Therefore, an integrated methodology combining the LCCA and LCA is proposed to evaluate potential damage costs and environmental impact caused by typhoon hazards on tall buildings.