砌体结构可靠度等级评定

1、I摘 要在建筑物的维修改造过程中，首先要解决的问题是对已有建筑物进行可靠度等级评定。长期以来，结构可靠度评定一直只是采用传统经验法。本文结合工程的实际需要， 综合运用砌体结构基本理论、结构可靠度理论、模糊数学、可拓学理论、层次分析法等基本 方法，对已有砌体结构房屋的可靠度等级评定问题进行了深入的研究，提出了两套有理论依 据的实用评定方法。结构的可靠度评定包括安全性评定与正常使用性评定两部分，本文的研 究以安全性评定为主。本文共五章，主要研究内容概述如下：第一章绪论，阐述了本课题 研究的目的和意义，回顾了结构可靠度研究的发展历程，对结构的可靠度计算和可靠度评估 的国内外研究发展水平作出综述，对目

2、前的砌体结构可靠度计算和可靠度评估的必要性及其 重要意义、常用方法和存在的一些问题进行总结、分析和归纳，确定了本文的研究内容和具 体目标。第二章首先介绍了模糊数学综合评判方法的建模原理，探讨了几种常用的模糊数 学模型并具体分析了各自的特点及适用范围，在此基础上确定了适合砌体房屋可靠度评价的 数学模型；用层次分析法确定了影响砌体结构可靠度各种因素的权重向量；建立以构件可靠 度分析与房屋整体结构可靠度模糊综合评判相结合的可靠度评定方法的框架，提出模糊综合 评判的可靠度评定方法。第三章通过分析可拓学的基本理论确定了适合砌体结构房屋可 靠度评判的数学模型，紧接着引入改进的层次分析法来确定权重向量，并对

3、传统的物元模型 进行改进，然后再分别通过分析一二三等级的评判模型来建立砌体结构可靠度评定的可拓综 合评判模型框架。第四章以一个具体的砌体结构住宅为例，分别通过现行规范法、模糊综 合评判法和可拓综合评判法对其进行可靠度评判，最后对其评判结果进行比较分析，验证了 两种新方法的正确性和可行性。第五章对本文的研究成果进行了总结，并指出了需要进一 步研究的问题。关键词：砌体结构，可靠度，模糊数学，可拓学第1章绪论1第1章 绪 论1.1引言建筑结构的可靠性是指结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力1。如何对已有建筑物进行可靠性鉴定，一 直是建筑物维修改造中首先要解决的问题。无论是做增层改造，还

4、是维修加固，对已有结构 进行可靠性的鉴定都是一个不可缺少的前提工作。并且，在一些自然灾害（如：地震、火灾、 强风、爆炸等）过后，出现了影响结构正常使用的情况时，也需要对结构进行可靠性的鉴定， 以便提出加固和维修的方案。或者是由于设计和施工等原因而造成的结构缺陷，同样在采取 补强和加固措施前，也要对其进行可靠性鉴定。再者，随着建筑业逐步走向市场，对于建筑 物的事故勘察工作日趋重要，无论是开发商与使用者关于质量的纠纷，还是房屋的投保与理 赔，以及房屋产权的转移，都需要对结构进行可靠性鉴定。砌体结构在我国有着悠久的 历史，是我国目前使用最多最普遍的一种结构。建国以来，我国的砌体结构得到了迅速的发 展

5、，取得了显著的成绩。据统计，目前我国90%以上的墙体采用砌体材料。与钢结构、 钢筋混凝土结构相比，砌体结构虽然具有造价低、施工简便、保温隔热性能及耐火性能良好 等优点，但砌体材料强度较低，变异较大，结构的整体性、抗震性均较差。当地基产生不均 匀沉降或有温度变形时，极易产生各种裂缝。对已有砌体结构房屋进行定期或应急的可靠性 鉴定，及时采取维护措施，可消除隐患，延长房屋的使用寿命，对确保房屋安全性，充分发 挥房屋的经济效益具有重要作用3。基本建设的发展一般经历三个阶段，第一阶段以新建为主，第二阶段新建与维修改造并重，第三阶段维修为主，新建为辅。目前，我国的建设 正处于新区开发和旧城改造相结合的发展

6、阶段，并正向以旧城改造为主的第三阶段迈进，改 造的对象主要是在我国已有的、量大面广的多层砌体结构房屋，所以在这一过程中，已有砌 体结构房屋的可靠性鉴定与加固任务就显得非常重要。对这些已有的砌体结构房屋进行可靠 性评定，目前尚无科学的、客观的、完善的、简单易行的方法。因此，建立一套已有砌体结 构房屋可靠性鉴定方法具有重要的理论意义和实际意义。 本文研究的目的是为正确鉴定 已有砌体结构房屋的可靠性，提出一些有理论依据的实用评定方法。砌体结构可靠性评定理 论与方法是涉及土木工程与数学两大学科的重大研究课题，内容丰富而复杂，该课题不仅具 有重大的理论意义，而且有着广泛的工程应用前景。该理论的发展与完善

7、将为建筑结构的科 学管理和控制提供的依据，使砌体结构在我国现代化经济建设中更充分地发挥作用。所以研 究科学合理的评定方法来正确评定已有房屋的可靠性，对保证已有房屋继续安全使用和挖潜 利用房屋资源具有重大的经济效益和社会效益。第1章绪论1. 2国内外研究现状及其发展1.2.1结构可靠性理论发展概述 以上世纪初期把概率论及数理统计学应用于结构安全度分析为标志，结构可靠性理论至今大 约有7 0至8 0年的发展历史。本世纪4 0年代以前只有少数学者从事这方面的研究 工作。如60：1911年，匈牙利布达佩斯的卡钦奇（）就提出用统计数学的方法研究 荷载及材料强度。最早提出应用概率论进行结构安全度分析的学者

8、之一的德国的迈耶（H.Mayer），于 1 9 2 6年提出了基于随机变量均值和方差的设计方法。在3 0年代， 主要是围绕飞机失效进行可靠度的研究。第二次世界大战中，德国曾用可靠度方法分析过火 箭，美国也对B-29飞机进行过可靠度分析。1935年斯特列律茨基（.C），1947年尔然 尼钦（.）和苏拉（.）等人相继发表了文章59,结构安全度的研究逐渐开始进入到应用 概率论和数理统计学的阶段。50年代开始，美国国防部专门建立了可靠度研究机构（AGREE），对一系列可靠度问题进行研究，促进了空间研究计划。可靠度在结构设计中 的应用大约是从40年代开始。1946年，弗罗伊詹特（A.M.Freude）发

9、表题为结构的安 全度4的论文，开始较为集中地讨论这个问题。同期，前苏联的尔然尼钦提出了一次二阶 矩理论的基本概念和计算结构失效概率的方法及对应的可靠指标公式。但那时以及从那以后 的研究还局限于古典可靠度理论，设计中随机变量完全为其均值和标准差所确定。显然，这 只有在随机变量都是正态分布的条件下才是精确的。美国柯涅尔C.A.Cornell在尔然尼钦工 作的基础上，于1969年提出了与结构失效概率相联系的可靠指标0作为衡量结构安全度 的一种统一数量指标，并建立了结构安全度的二阶矩模式 5。 1971年加拿大的林德（N.C.Lind）对这种模式采用分离函数方式，将可靠指标0表达成设计人员习惯采用的分

10、 项系数形式。这些进程都加速了结构可靠度方法的实用化 6。美国伊利诺斯大学洪华生（A.H.S.Ang）在结构可靠度研究方面有较大的贡献：他对各种结构不定性作了分析，提出 了广义可靠度概率法；他同邓汉忠（W.H.Tang）合写的工程规划和设计中的概率概念 一书在世界上已广为应用；他正致力于结构体系的可靠度研究工作。1976年，国际“结构安 全度联合委员会”（JCSS）采用拉克维茨（Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler）等人提出的通 过“当量正态”的方法以考虑随机变量实际分布的二阶矩模式，这对提高二阶矩模式的精度意 义极大。至此，二阶矩模式的结构可靠度表达式与设计方法开始进入实用阶段。

11、我国从50 年代开始，有关高等院校和科研单位开展了极限状态法的研究和讨论，用数理统计方法研究 荷载、材料强度的概率分布，确定超载系数及材料强度均质系数。60年代初，组织了航空 及机械方面的可靠性研究队伍。在工程结构方面，以中国土木工程学会为主，广泛开展过安 全度问题的讨论，当时的土木工程学报发表过不少这方面的论文，这些成果已部分纳入 了 60年代初颁布的结构设计规范中。70年代，我国在制订工业与民用建筑设计规范以及 公路桥梁和铁路桥梁、水利水电工硕士研究生学位论文第1章 绪论3程、港口工程等设 计规范时，也对结构安全度问题做了大量的调查研究工作，基本上采用了多系数分析、单系 数表达的容许应力法

12、，属半经验半概率的极限状态法设计范畴。这虽然比以往的规范有不少 改进和提高，但仍存在不少问题，例如：各种材料的设计表达式不统一，缺乏明确的可靠度 定义，各类构件的可靠度水准不一致等。其中比较突出而急需解决的问题有两个：一是改进 结构可靠度的分析方法和表达式；二是使各类结构的设计准则统一化。在这种情况下，建 筑结构设计统一标准和铁路工程结构设计统一标准及其它一系列的部门标准也相继出 台，这些统一标准的共同特点是，采用了国际上正在发展和推行的以概率论为基础的极限状 态设计方法，统一了各类结构设计的基本原则，明确了结构的可靠指标，规定了适于各种材 料结构的可靠度分析和质量控制与验收标准。进入80年代

13、以后，对于复杂的结构系统可 靠度分析和计算方法有了蓬勃的发展。结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中 的热点，并己经出版了许多的专著。Hohenbichler和Rackwitz7提出了结构系统可靠度分析 的一阶矩概念。Calambos8采用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同， 提出了系统可靠度分析和结构设计方法。A. Karamchandani and C.A. Comell及 Melchers， Yaacob Ibrahime及等人采用重要抽样技术，利用蒙特卡洛(MonteCarlo)法计算结构系 统可靠度9。李云贵、赵国藩55给出了一种新的结构系统可靠度的点值估算方

14、法。E. Vanmarcke、吴媚玲分别研究了利用随机有限元法和随机边界元法分析结构系统可靠度 问题10ol.2.2在役结构的可靠度评估综述为了在结构可靠性鉴定中引入现代理 论的概念和实用的计算方法，许多学者做了大量的工作。1981年，Hart和Fitzsimons 1 1 1 2 等提出了应用可靠指标来评估结构损坏的可靠性分析方法。1990年，王光远院士提出并建 立了结构服役期间的动态可靠度分析和在役结构强度储备评估方法。1991年，赵国藩院士 提出了在役结构在剩余寿命内荷载及荷载效应的统计分析方法。19921996年，欧进萍、 杜修力、牛狄涛等人研究了结构概率损伤理论及构件抗力衰减规律。1

15、994年，张爱林等人 对在役石油井架的可靠性进行了研究1 3。1996年Ajay Singha和Anne S. K iremidjian 利用非线性动力分析，研究了框架结构在地震下的损伤评价方法。目前，国内外对房屋可 靠性鉴定的方法主要分为：传统经验法、实用鉴定法和概率鉴定法3。(1)传统经验法是习惯采用的鉴定方法。长期以来，在役建筑结构可靠性鉴定，一直是依赖有经验的设计人 员进行现场目测检查和必要的结构验算，凭借其个人的知识和经验作出评价和处理，这就是 最初的“传统经验法”。这种方法过多的依赖个人经验，缺乏一套科学的评估程序和现代测试 技术，因此鉴定结果具有很大的随机性和主观性。但是，由于这

16、一方法比较简单、节约时间 和鉴定费用，至今仍广泛采用。(2)实用鉴定法是在传统经验法的基础上发展起来的，它克服了传统经验法的缺点，4第1章绪论硕士研究生学位论文利用现代检测手段和测 试技术，运用数学和数理统计理论，通过专家组全面分析已有建筑损伤的原因，列出明确的 调查项目，一般经过数次调查，并结合结构计算或检测结果，经逐项评估后，综合得出较为 完整准确的鉴定结论。该方法非常强调个人和集体的双重作用，利用现代检测技术获取各种 结构信息。(3)概率鉴定法是把影响房屋结构可靠性的因素，如外部荷载或作用使得结构 产生效应S和结构本身的抗力R等作为随机变量来考虑，按照概率论和数理统计方法， 通过计算结构

17、的可靠概率或失效概率来对房屋的可靠性进行鉴定。国内外的许多专家和学 者从事着房屋可靠性鉴定方法的研究。中国建筑科学研究院的赵鹏飞1 4在校核原有规范 可靠指标的基础上，分别研究了实际在役构件的受荷特点和抗力特点，提出了一种在役 钢筋混凝土结构构件的可靠指标求法。郑州工学院的李清富和刘晨辉在引入“主观概率”的 基础上，对现有结构的破损状况进行了概率估计；建议了两种确定结构破损指标概率分布的 方法，近似的估计现有结构正常使用可靠度等问题1 5。但是，文献在分析过程中只考虑 了各个影响因素之间相互独立的情况，而在实际工程中，各个因素之间常常会存在着相互影 响，如对于受弯构件，变形越大，则裂缝的宽度往

18、往也越宽等等。在实际工程中却很难找到 这样一个结构，其各个构件之间的相互作用是完全独立的或者是造成其结构失效的各种影响 因素之间也是相互独立的。冶金部安全环保研究院的赵挺生探讨了现存结构可靠性评价的 极限状态方法，提出利用荷载水平方法对现存结构构件进行可靠性评价16。山东建筑工 程学院的徐茂波和清华大学的李惠明、刘西拉提出的根据结构体系中构件的不同作用，将构 件分为直接构件和间接构件，在此基础上提出了结构功能指标法和分级评价法1 7。需要 指出的是，此方法目前还不完善，关键问题仍然是失效模式的确定以及不同失效事件之间的 相关性处理。同济大学的张誉、李立树提出了一种改进的三级模糊综合评判方法。用类比 法对非定量因素定量化，建立隶属函数；用层次分析法确定因素权重；用加权平均模型作为综合评判模型；用非对称贴近度划分房屋质量等级1 8。使用此方法确实可以比较简单快速的评判出房屋的质量等级，但是，如果需要明确的知道房屋的可靠度，则并不是轻而易举 的，这需要建立一套从质量等级到可靠度指标的计算公式。目前还没有发现国内外有相关的 研究资料。上海市政工程设计研究院的王恒栋、王大龄和葛春辉等人结合现役建筑结构评 估的实际背景，利用经典数学理论中的最小二乘法确立了多目标权重分配方法以及多人评估 水平权重分配方法，建立了加权平均型多目标多人现役建筑结构性能评估的新方法2。上 海建筑设