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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的影響因素與比較分析

2021-04-12 01:40:39靳曰森
智能城市 2021年16期
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性建筑物

靳曰森 楊 蕾

(青島國立設(shè)計有限公司,山東 青島 266071)

20世紀50年代,我國便開展了大規(guī)模的基礎(chǔ)建筑建設(shè),但其建設(shè)標準相對較低,在建筑物的鑒定與評估工作中使用的檢測技術(shù)較為落后,且多為治標不治本的臨時措施。隨著城市化的不斷發(fā)展,大量的建筑物出現(xiàn)在人們的生活中。為了有效控制坍塌事故的發(fā)生,保障人們生命安全與財產(chǎn)安全[1-2]。在此次分析中,將針對建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性進行分析,結(jié)構(gòu)可靠性指建筑物結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間以及規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力。在此次分析中所設(shè)定的規(guī)定條件指建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限以及正常施工正常使用維護下建筑的使用壽命,預(yù)設(shè)功能包含了建筑的安全性、適用性以及建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。通過對上述部分展開分析,提升建筑物的使用壽命。因此,需要設(shè)定相應(yīng)的方案針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的影響因素進行分析,并比較多種因素的比重,以此確定主要影響因素,設(shè)定針對性解決措施。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度概述

任何的建筑物都會存在相應(yīng)的質(zhì)量問題,為保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,必須規(guī)定質(zhì)量指標,即性能指標。通過文獻研究可知,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能指標可分為三種,即建筑居住的安全性、建筑結(jié)構(gòu)的適用性以及建筑結(jié)構(gòu)的耐久性[3-4]。

建筑結(jié)構(gòu)安全性指建筑結(jié)構(gòu)在正常施工與正常使用的情況下,歷經(jīng)突發(fā)安全事故時與安全事故發(fā)生后的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)的適用性可理解為該建筑物結(jié)構(gòu)在正常使用條件下,滿足各類預(yù)設(shè)要求的能力。通常情況下,在相應(yīng)的研究中會設(shè)定對應(yīng)的性能指標體現(xiàn)其具體數(shù)值內(nèi)容,例如人們受到建筑物的影響情況以及建筑結(jié)構(gòu)的損壞情況等。如果該建筑不符合人們規(guī)定的要求,將其稱為結(jié)構(gòu)不具備相應(yīng)的適用性。建筑物結(jié)構(gòu)耐久性指該建筑結(jié)構(gòu)在正常維護的條件下,材料性能隨時間變化出現(xiàn)的退化情況。

建筑結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的安全性、適用性以及耐久性,可以認定存在一定的可靠性。將上述三種性能合并稱為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性,為了便于理解,將其整合為定義的形式。

在規(guī)定的時間內(nèi)與預(yù)設(shè)條件下,可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)預(yù)定的功能,將這種情況稱為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性。為了對其進行系統(tǒng)的量化分析,結(jié)合可靠度理論,對內(nèi)容進行優(yōu)化。在規(guī)定的時間與條件內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)其功能的概率,稱為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度[5]。通過上述理論分析結(jié)果,作為此次分析的基礎(chǔ)內(nèi)容并實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度影響因素的細致分析。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的影響因素分析

隨著建筑結(jié)構(gòu)可靠性研究的不斷發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)可靠性理論提出了考慮其他不確定因素的可靠度分析方法。在此次分析中,將使用隨機性與模糊性相結(jié)合的模糊可靠性分析方法,對目前建筑可靠性設(shè)計的影響因素進行分析。由于此次分析的問題較為復(fù)雜,在某些方面得不到統(tǒng)一要求,將建筑可靠性從復(fù)雜動態(tài)定性定量的研究方向轉(zhuǎn)化為簡單靜止定量的理論研究分析過程,通過上述分析過程得到了相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度影響因素分析結(jié)果。

2.1 荷載統(tǒng)計參數(shù)

有研究發(fā)現(xiàn),荷載統(tǒng)計參數(shù)是影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的重要原因之一。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性理論中,建筑物的使用年限通常指按照一定規(guī)定設(shè)計完成的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)插件,不需要進行大量修理,即可完成預(yù)定使用期限目標的時限[6-7]。通過研究可知,影響此期限長短的主要原因可分為荷載與耐久性兩個方面。因此,在建筑設(shè)計過程中,需要設(shè)定一定的荷載標準值,取得結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟的最佳平衡。

根據(jù)文獻分析結(jié)果可知[8],風荷載是影響建筑結(jié)構(gòu)主要的荷載之一。對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性而言,風荷載是其主要的控制荷載,并主要影響建筑物的形變情況。在正常的情況下,建筑物的迎風柱與背風柱之間的距離均不能超過一定的極限值,以此滿足適用性要求。一般情況下,風荷載的數(shù)值可以通過規(guī)范給出的公式計算得到。對建筑物結(jié)構(gòu)造成影響的荷載為雪荷載,考慮到房屋外層壓力面積分布影響以及設(shè)計基準期最大荷載概率分布等元素,可將雪荷載的重現(xiàn)期分為1年、3年、5年、10年等。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件由鋼筋和混凝土兩種材料組成,其抗力統(tǒng)計參數(shù)不僅受到上述三方面的影響,還與構(gòu)件截面尺寸、配筋率、鋼筋和混凝土的材料強度比值等因素有關(guān),影響因素眾多。規(guī)范中給出混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能、幾何參數(shù)及計算模式不定性的統(tǒng)計參數(shù),以一種典型構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)為條件,根據(jù)抗力計算公式和統(tǒng)計數(shù)學中的誤差傳遞公式計算得到各類構(gòu)件的抗力統(tǒng)計參數(shù)。參數(shù)根據(jù)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TJ 10—74)的相關(guān)材料性能和抗力計算公式給出,本文根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)的材料性能和抗力計算公式對其進行適當調(diào)整。

除上述內(nèi)容外,房屋結(jié)構(gòu)的恒定荷載也是荷載統(tǒng)計參數(shù)主要組成部分。此荷載對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性影響較小,將其放置于荷載統(tǒng)計參數(shù)中的最后一項,并由上述三部分組成荷載統(tǒng)計參數(shù)。恒荷載屬于永久荷載,在環(huán)境不變的情況下,基本可保持相對恒定,其對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期的計算結(jié)果較小,可將其認定為恒定系數(shù)[9]。

2.2 建筑材料失效情況

除外界影響因素外,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中所選用材料的失效情況也會對其可靠性造成一定影響。通過分析可知,在正常的使用極限情況下,結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用材料的破壞程度與結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的使用年限具有一定關(guān)聯(lián)性。結(jié)構(gòu)允許的破壞程度取決于結(jié)構(gòu)本身的耐久性與實用性,即取決于使用者對于建筑結(jié)構(gòu)的主觀因素。

綜合在第一部分提出的外界荷載影響,在此部分中,將內(nèi)部失效準則設(shè)定為兩個部分。側(cè)移或撓度失效準則,對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性而言,建筑物的結(jié)構(gòu)失效通常由其位移所控制。在此次分析,將此兩項的失效準則用于評估建筑發(fā)生位移后的失效可靠性,通過允許位移,保證結(jié)構(gòu)的適用性。在現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中,將建筑物設(shè)計結(jié)果規(guī)范于風荷載標準值下,若建筑物結(jié)構(gòu)水平位移不超過規(guī)定值,則建筑物的可靠性較高;反之,建筑可靠性較低。舒適性失效準則,對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果,由于此次分析中的建筑物多為可拆卸結(jié)構(gòu),使用時間相對較短,暫不將其列入考慮范圍。

在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的可靠性分析中,一般需要搜集大量的資料進行數(shù)據(jù)分析,對各個變量的概率分布參數(shù)進行分析。為了降低計算難度,將建筑結(jié)構(gòu)的形變數(shù)據(jù)、材料性能荷載等變量在原有的基礎(chǔ)上進行對比。通過此對比結(jié)果,計算獲取材料敏感度,敏感度越高的材料其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計后的可靠性越低。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度比較方法

在此次設(shè)計的方法中,將使用有限元分析法將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進行單元劃分,并將其結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程通過數(shù)據(jù)的形式表達出來。通過計算極限狀態(tài)中各參數(shù)的分布情況以及統(tǒng)計參數(shù)的比值,得到有限元結(jié)構(gòu)下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的標準值與均值,利用一次二階距方程得到此結(jié)構(gòu)的可靠度。

在進行有限元分析的過程中,使用隨機有限元對建筑結(jié)構(gòu)進行分析,求出結(jié)構(gòu)的隨機反應(yīng),并根據(jù)此反應(yīng)得到相應(yīng)的平均值與結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)。將此計算結(jié)果與常用的可靠性分析方法相結(jié)合,對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的失效概率進行求解。使用此種方法不僅可以求得結(jié)構(gòu)可靠性的具體數(shù)據(jù),還可以對建筑結(jié)構(gòu)的外在載荷與結(jié)構(gòu)材料進行分析,具有很好的計算效果。在有限元分析的過程中,需要進行大量的迭代運算,應(yīng)選擇更為高級的計算軟件,作為有限元分析的載體。通過上述方法獲取建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的具體數(shù)值,并根據(jù)此數(shù)值完成對比過程,對比結(jié)果具象化體現(xiàn),可設(shè)定相應(yīng)的等級劃分結(jié)果,確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的可靠度等級,以此完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度比較分析。

4 結(jié)語

本文主要對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的影響因素與比較展開分析。通過研究相關(guān)文獻得到了相應(yīng)的可靠度影響因素分析結(jié)果,設(shè)定了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度比較方法。本研究還存在不足,在有限元計算過程中未設(shè)定對應(yīng)的邊界條件以及建筑結(jié)構(gòu)三維模型。今后的研究中將針對上述不足展開優(yōu)化,以此獲得更完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果,提升建筑物使用年限,保證人們的生命和財產(chǎn)安全。

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