【建筑结构可靠性探析原理及运用探究8600字（论文）】

建筑结构可靠性分析原理及运用研究摘要随着我经济的迅猛发展和城市化水平的断提高，城市筑物的数及总建筑面积也随之增多。建筑规模的激增和应用一方而改善了人的居仆：条件，使生活更加的快捷方便，们应的房安令性问题也日益突出。由于建筑结构服役时间的不断延，老旧的建筑结构增多，因此建筑结构的安全越來越受到广泛的关注。所以对役让筑结构进行，可靠性评价与剩余兼职寿命检测，仅以减少建筑结构安个隐患的发生，而还可以为维修决策提供科学的依据。本文将应用对算例及工程实例计算所得出的结果与采用其他方法计算得出的结果相比较，结果表明遗传算法在现役建筑结构鉴定方面是可行的，并且具有计算简单、工作效率高等优点，值得进一步研究和推广。关键字：结构可靠性；建筑；工程目录TOC\o"1-3"\h\u5717摘要 12492目录 281961引言 3256962影响建筑结构可靠性主要因素 4142392.1结构可靠性的不确定因素 4315162.2现役建筑结构可靠性评判的主要因素研究 5241672.2.1结构构件的承载能力 5150922.2.2建筑结构使用年数和使用历史情况 689432.2.3混凝土结构的外观和变形、位移 6325863建筑结构可靠性实际概况 7178613.1建筑概述 7221083.1.1工程概述 7216203.1.2水文地质资料 7304033.2结构可靠性特征 8300803.2.1结构体系及基础形式 8220163.2.2混凝土结构工程 9136363.2.3钢筋结构工程 941863.2.4砌体可靠性强度 9253183.3建筑构造可靠性及做法要求 952584结构可靠性原理分析 10178464.1框架结构的可靠性 10230634.2材料使用 10303874.3框架结构布置参数的可靠性计算 11244034.3.1现浇板厚确定 11181884.3.2确定梁截面尺寸 11215734.3.3柱网尺寸 1191754.3.4刚度计算 12169224.3.5现浇板的厚度 1310326结论 1415047参考文献 151引言建筑结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。从应用角度出发，可靠性就其狭义而言是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，即固有可靠性，考虑结构在设计和生产中的随机失效因素，就其广义而言是指使用可靠性，综合考虑了产品结构设计、制造、安装、使用以及维修等不确定因素。在我国的《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）中明确规定了建筑结构应满足的基本功能要求：结构能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用（包括荷载及外加变形或约束变形）。结构在正常使用时具有良好的工作性能。结构在正常维护和养护下，具有足够的耐久性。结构在偶然事件（如地震、爆炸、龙卷风等）发生时及发生后，能够保持必要的整体稳定性。其中，上述要求中的第一项和第四项属于结构的安全性，第二项属于结构的适用性，第三项属于结构的耐久性。安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。对现役建筑物或构筑物可靠性的评定是关系到国民经济稳定发展的重要问题。据有关部门统计，在我国现有50亿平方米的建筑物中，约有23亿平方米需要分批分期进行鉴定和加固，其中有10亿平方米急待维修或者改造才能正常使用。同时，我国解放前的建筑物，有的已超过预定的使用年限，严重老化；解放后的尤其是1958年大跃进时期所建造的简易住宅、工厂及公用建筑等，已接近或超过正常使用年限。特别是当时缺乏抗震设计，结构安全存在先天不足，这些潜伏的危险如不及时解决将会酿成重大的事故。因此，对这些建筑物进行可靠性鉴定，通过质量检测、评定，予以及时改造或加固补强是十分迫切的，也是十分必要的。目前在现役建筑结构中，由于以前存在某些方面管理不严格，施工人员职业素质较低，从而导致后期可能会出现施工质量问题，因此对现役建筑结构发生的工程事故的诊断、鉴定和加固处理的技术，就显得格外重要。

2影响建筑结构可靠性主要因素随着社会进一步发展，人民生活水平的提高，对建筑功能的要求越来越高，现役建筑结构的规模和功能不能满足新的使用要求，而且现役建筑结构的低标准、老龄化和长期使用后结构功能的减弱等引起的结构安全问题，已成为人们关注的热点。而建筑结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律。如果能够科学地评估这种损伤的规律和程度，及时采取有效处理措施，可以延缓结构损伤的进程，达到延长结构使用寿命的目的。但是，人们对现役建筑结构所进行的可靠性研究却相对较少，因此研究现役建筑结构的可靠度具有十分重要的意义。现役建筑结构作为一个复杂的系统，其中存在着大量的影响现役建筑结构可靠性的因素。首先，结构存在着先天缺陷，当时设计水平有限，由于使用低劣建筑材料、施工管理松垮、设备落后、工序不合理、施工人员素质低、甚至偷工减料等导致施工质量存在隐患。其次，外部环境对现役建筑结构的物理作用、化学作用、生物作用和意外灾害以及使用不当也会影响现役建筑结构的可靠性。此外，设计标准和使用要求的改变都将导致现役建筑结构可靠性的改变。影响现役结构可靠性的不确定因素主要包括：结构失效准则、荷载作用效应、抗力指标、结构分析理论的不完善性以及自然或人为因素的影响等。2.1结构可靠性的不确定因素所谓事物的随机性，是指由于事件发生的条件不充分，使得在条件与结果之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出的不确定性。处理可以大量重复的随机现象的数学方法主要有概率论、随机过程、数理统计，其目的是寻求随机现象的统计性的、总体的因果关系。建筑材料特性、载荷、结构尺寸、初始缺陷等设计参数在数值及发生时间上的随机特性，必然会影响现役建筑结构的可靠性。建筑结构在施工和使用过程中所受到的作用以及作用的环境都是事先不能准确预料的，所以必须考虑它们的随机性。目前在土木工程中，人们主要在自然灾害的危险性分析和结构可靠性分析中考虑随机性因素。而我国的设计统一标准就是引用以概率论为基础主要考虑随机性因素而编制的。所谓事物的模糊性，是指主要表现在客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”。人们在对现役建筑结构可靠性的认识还存在不确定性，包括不可能给某些影响结构的不确定因素以明确的定义和一些评定标准形成的不确定性。如钢筋混凝土结构的允许裂缝宽度和允许变形是模糊的，或大或小不代表完全失效，一定程度上只反映了人们的接受程度。再用来编制设计统一标准的概率论方法也是存在不确定性的，更能反映现役结构可靠性的模型的寻找需要人们继续研究。由1965年美国自动控制专家L.A.Zadeh教授创始的“模糊数学”是用来研究和处理模糊性的数学方法。2.2现役建筑结构可靠性评判的主要因素研究进行现役建筑结构可靠性评判时，需要考虑许多因素：结构构件的承载能力、结构构件使用历史情况与环境、变形（构件挠度与位移）、构件外观（混凝土裂缝开展情况、钢筋锈蚀情况等）、构造与连接等方面。在实际现役建筑结构的可靠性鉴定工作中，我们可以通过详细调查和现场检测获得我们所需的资料与数据。下面就典型的影响现役建筑结构可靠性的因素加以分析说明。2.2.1结构构件的承载能力承载能力作为建筑结构最重要的功能，具有重大意义。根据国家标准和规范给出的结构构件承载能力的评定标准和规范，对现役建筑结构的安全性采用抗力荷载比R/（γ0S）来进行分级。其中：R为结构或构件抗力；S为结构或构件的作用效应；γ0为结构重要系数。安全性检查项目按承载能力验算结果评级的分级原则如下：au级:符合现行规范对目标可靠指标β0的要求，实物完好，验算表达式为R/（γ0S）≥1；bu级:略低于现行规范对目标可靠指标β0的要求，但尚可达到或超过相当于工程质量下限的可靠度水平，即可靠性指标β≥β0-0.25,此时，实物状况可能比au级稍差，但仍可继续使用，验算表达式为R/（γ0S）≥0.95；cu级:不符合现行规范对目标可靠指标β0的要求，即可靠性指标下降已超过工程质量下限，使构件的失效概率增大一个数量级，但未达到随时有破坏可能的程度，可靠指标β0-0.5≤β<β0-0.25,验算表达式为0.9<R/（γ0S）<0.95；du级:严重不符合现行规范对目标可靠指标β0的要求，即可靠性指标下降已超过0.5,实物可能处于濒临危险的状态，验算表达式为R/（γ0S）<0.9；计算抗力荷载比时应注意以下事项：在进行现役建筑结构的可靠性鉴定时，结构上的作用应经调查或检测核实。作用可以分为直接作用（永久荷载、可变荷载）和间接作用（如温度变化、支座沉降、焊接应力、地震作用等）。当结构上的作用在国家现行标准《建筑结构荷载规范》规定取值时，应按规范取用。当结构上的作用在国家现行标准《建筑结构荷载规范》中未作规定或存在特殊情况时，应按国家现行标准《建筑结构设计统一标准》有关原则规定执行。2.2.2建筑结构使用年数和使用历史情况建筑结构建成之后在服务年限内将经受许多自然的、人为的以及偶然的作用。其中包括混凝土的碳化、徐变、混凝土碱－骨料反应、氯离子的侵蚀、融冻循环、表面的磨损等，所有这一切作用都会对建筑结构的可靠性能产生影响。一般取建筑结构使用年数为其量化值。对于那些在使用过程中曾经被加固的建筑结构，考虑到加固只是针对局部结构构件，并未改变整个主体结构的特性，所以还是以建筑主体结构使用年数作为量化值。2.2.3混凝土结构的外观和变形、位移现役建筑结构的外观特征可以大致地反映结构本身的使用状态。如构件由于多种原因承受不了荷载，其表面混凝土会出现裂缝或剥落；钢筋混凝土构件中钢筋锈蚀，会在沿钢筋方向的混凝土表面产生裂缝；柱子倾斜，会使其偏心受压以至失稳。观测这些外观现象对于准确分析作用效应和构件抗力是非常重要的。测量结构或构件变形常用仪器有水准仪、经纬仪、锤球、钢卷尺、棉线等常规仪器，以及激光测位移计、红外线测距仪、全站仪等。测量小跨度的梁、屋架挠度时，可用拉铁丝的简单方法，也可选取基准点用水准仪量测。测量楼板挠度时应扣除梁的挠度。屋架的倾斜变位测量，一般在屋架中部拉杆处，从上弦固定吊锤到下弦处，量测其倾斜值，并记录倾斜方向。基础不均匀沉降可根据建筑物水准点进行观测，观测点宜设置在建筑物四周角点、中点或转角处、沉降缝的两侧，一般沿建筑物周边每隔10~20m设置一点，用经纬仪、水准仪测量水平和垂直方向的变形。观测混凝土结构的裂缝宽度、数量和分布位置可以用来反映结构受力状态和预测结构寿命，所以在可靠性检测和鉴定中必须对结构或构件的裂缝状态进行分析，以得出正确的判断。从工程实践角度可将裂缝分为受力裂缝和非受力裂缝两大类。一般讲由结构上的作用效应引起的是受力裂缝，否则为非受力裂缝。如果构件表面开裂，空气中的侵蚀性物质就会通过裂缝进入混凝土内部，使得钢筋提早锈蚀。裂缝的检测包括裂缝出现的部位（分布）、裂缝的走向、裂缝的长度和宽度。裂缝宽度的检测主要用10~20倍读数放大镜、裂缝对比卡及塞尺等工具。裂缝长度可用钢尺测量。裂缝深度可以用极薄的钢片插入裂缝，粗略的量测。判断裂缝是否发展可以用粘贴石膏法，将厚10mm左右、宽约50~80mm的石膏饼牢固地粘贴在裂缝处，观察石膏是否裂开，也可以在裂缝的两侧粘贴几对手持式应变仪的头子，用手持式应变仪量测变形是否发展。在最大裂缝的测定中，为了较为准确的判定最大裂缝宽度，应选择三条或三条以上较大的裂缝宽度进行测量，取其中最大值作为裂缝宽度值，以免发生误判。当结构构件上的裂缝宽度不均匀时，约取该裂缝长度10~20%范围内平均宽度作为该裂缝的最大宽度。3建筑结构可靠性实际概况3.1建筑概述3.1.1工程概述服务社区办公楼工程项目是位于上海中心区的社区服务工程项目，建筑基层面积252.29m2，总建筑面积506.93m2，主体框架结构六层；建筑抗震设防烈度为7度，类别为丙类，设计使用年限按要求为50年；耐火等级为二级；工程质量要求满足国家强制性标准及验收规范。总工期为6个月，拟定于2018年7月10日开工，于2019年2月15日竣工。该工程为社区服务办公楼工程项目，共一栋，有多个专业施工，由此决定了与业主、设计、监理、专业施工单位、供应商及相关部门单位间的组织协商是该项目施工组织设计编制的重点。3.1.2水文地质资料Ⅱ类场地，冰冻深度-0.8m，地下稳定水位距地坪4m以下。根据工程地质勘测报告，拟建场地地势平坦，表面为平均厚度0.5m左右的杂填土，其下有1.0m左右的淤泥质粘土，承载力的特征值为60kN/m2，再下面有较厚的垂直及水平分布比较均匀的粘土层，其承载力的特征值为220kN/m2，桩端土的承载力为3000kN/m2，可作为桩端持力层。地下水位距地表最低为-0.8m，对建筑物基础基本无影响。(1)地形概况：拟建场地内地形平整，地面标高在28.50-29.00之间；(2)地下水位：钻探毛标高为28.000m处未见地下水；钻孔位置和地质剖面图见地质剖面布置图和钻孔位置平面布置图：图2.2钻孔位置和地质剖面图(3)承载力特征值:土层：自上而下为①人工填土，厚约2.0m，地基承载力特征值fak=60kN/㎡②粘性土，厚约5.0-7.0m，地基承载力特征值fak=280kN/㎡③粉砂，厚约15m。地基承载力特征值fak=350kN/㎡3.2结构可靠性特征3.2.1结构体系及基础形式（1）本工程主楼结构体系为框架体系，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为非抗震，基础采用独立柱基础，持力层为粉质粘土层，承载力特征为200kpa，基础设计等级为丙级，其它相见基础设计说明。（2）本工程依据地矿新余地质工程勘察院提供的《新余福盈钢材加工有限公司（办公楼）岩土工程勘察报告》进行设计，若施工时发现实际地质情况与设计不符，及时通知设计、勘察、监理人员共同研究处理，土方开挖后均需按有关规定由设计配合勘察人员、监理人员及相关人员进行基础验槽。3.2.2混凝土结构工程本工程混凝土强度等级及使用部位如下：基础部位为、框架柱、梁、板及其他构件如：构造柱、圈梁、窗台压顶均为C25。3.2.3钢筋结构工程本工程采用钢筋有I、II级钢筋。柱纵向钢筋接头要求焊接连接与机械连接均可，电渣压力焊接；梁纵向受力钢筋优先采用搭接连接，如果采用搭接焊要求单面焊焊接长度10d，双面焊5d，也可以电弧对焊；如果采用搭接需要保证搭接长度为受拉钢筋1.2La，且不小于300mm，受压钢筋搭接长度不小于0.85La，且不小于200mm；钢筋锚固长度按照I级钢筋35d、II级钢筋45d考虑（C25混凝土）。3.2.4砌体可靠性强度内外填充墙:标高±0.00以上砌体采用M5强度等级的混合砂浆砌筑，强度等级为MU10.0的烧结空心砖砌块，标高0.00以下砌体采用10强度等级的水泥砂浆眠砌MU10烧结砖墙。砌体填充应符合相应砌体结构的有关施工规定。表2.1砌体填充施工规定序号部位厚度砖砂浆组砌方法1外墙200多孔砖墙M5混合砂浆全顺压中2楼梯间200多孔砖墙M5混合砂浆全顺压中3内墙200多孔砖墙M5混合砂浆全顺压中4卫生间100多孔砖墙M5水泥砂浆全顺压中3.3建筑构造可靠性及做法要求基础可以分成深基础和浅基础。考虑到本建筑自重较小，地质条件良好，从技术需要的角度考虑选择天然地基上的浅基础。目前多层框架结构中最常用的浅基础形式有无筋扩展基础，柱下钢筋混凝土独立基础，柱下钢筋混凝土条形基础。其中无筋扩展基础是刚性基础，所选材料抗拉强度大但抗拉和抗弯强度很低，设计时，要求一定的刚性角，所以基础相对很高，基坑深度加大，基底压力增加，也不利于抗震。柱下钢筋混凝土条形基础则多用于处理地基软弱而荷载又较大时的工程问题。根据本工程的地质勘测资料显示，本工程地下水位为-4.0m以下，地下水位比较深。另外，地下土层地质良好，没有软弱层，而且地下-1.8m处为中砂层，地基承载力比较高，因此采用施工方便，技术成熟的柱下独立基础更为经济适用。4结构可靠性原理分析4.1框架结构的可靠性现浇钢筋混凝土框架结构是一种抗震性能好，施工技术成熟，所以现浇钢筋混凝土框架结构已经成为现代工程建设中的主要结构型式。办公室为钢筋混凝土框架结构体系，因毕业设计未给定±0.000标高所对应绝对标高，框架平面柱网布置如图附录所示。4.2材料使用框架柱，梁及楼板，楼梯等均为现浇混凝土结构：（1）框架柱框架柱截面尺寸为500500mm2。采用C30混凝土；纵筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋。（2）框架梁框架纵梁截面尺寸为250550mm2，框架横梁截面尺寸为300600mm和250400mm2，采用C25混凝土；纵筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋。（3）现浇板房间现浇楼板板厚度为100mm，走廊现浇板厚度为100mm，采用C25级混凝土；HPB235级钢筋。（4）基础形式为钢筋混凝土柱下独立基础，底面尺寸为28002800mm2，基础厚为800mm，混凝土强度等级为C25；采用HRB335级钢筋。基础底做100mm厚C15混凝土垫层。（5）楼梯现浇折板式楼梯设有平台梁，楼梯踏步宽为300mm，高为150mm，楼梯斜板厚为150mm，混凝土强度等级为C25，采用HPB235级钢筋。平台梁截面尺寸为200400mm2，混凝土强度等级为C25，纵向钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋。（6）墙体填充墙，外墙300mm厚空心砖墙加60厚苯板保温层，内墙200mm厚空心砖；砂浆等级为M5。4.3框架结构布置参数的可靠性计算4.3.1现浇板厚确定由于本工程双向板的最长跨度为4500mm，计算得4500/50=90mm，又因为板厚不小于100mm，再结合该建筑各板的受力情况，选取板厚为100mm；由于走廊恒载相对较大，但由于走廊的跨度小所以统一取100mm。4.3.2确定梁截面尺寸为了对节点核心区提供约束以提高梁的受剪承载力，梁截面宽度不宜小于柱宽的1/2，如不能满足其要求，则应考虑核心区的有效受剪截面。横向框架：边跨梁取b×h=250×700，中跨粱取b×h=250×400纵向框架：b×h=250×600框架柱：b×h=450×4504.3.3柱网尺寸框架柱的截面尺寸可根据柱支撑的楼层面积计算由竖向荷载产生的轴力设计值（荷载分项系数可取1.30），按下列公式估算柱截面积，然后再确定柱边长。有地震作用组合时柱所需截面面积为：式中——柱轴压比限值见《混凝土规范》表11.4.16——混凝土轴心抗压强度设计值在设计中，楼梯间、设备层等部位难以避免短柱时，除应验算柱的受剪承载力外，还应采取措施提高其延性和抗剪能力。框架柱剪跨比可按下式计算：式中——框架柱的剪跨比，反弯点位于柱高中部的框架柱，可取柱净高与2倍柱截面的有效高度之比值。4.3.4刚度计算考虑到现浇楼板的作用，在求梁截面惯性矩时取I＝2I0，I0为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩。刚度计算如下：边跨梁：中跨梁：柱：底层：其余层：修正后：底层，其余层半框架线刚度图如下：图2.1半框架线刚度图4.3.5现浇板的厚度单向板：为了保证刚度，单向板的厚度应不小于跨度的1/40（连续板）、1/35（简支板）以及1/12（悬臂板）。双向板：板厚不宜小于80mm，由于挠度不再另外验算，双向板的板厚与短跨跨度的比值需满足刚度的要求:简支板≥1/45连续板≥1/50对于周边与梁整体连接的双向板，由于在两个方向受到支撑结构对变形的约束，整块板内存在穹顶作用，使板内弯矩大大减小。5办公室建筑地基基础案例5.1基础方案的确定根据勘察资料，以及上部结构的资料，地基的承载力比较大，容易满足上部荷载要求。所以采用柱下独立基础已经能满足设计要求，所以，我们选择柱下独立基础的基础形式。根据要求，将所有基础均设计成柱下独立基础，根据已知荷载特点，分成四种基础进行设计，分别为边框边柱（JC-1），边框内柱(JC-2)，内框边柱(JC-3)，内框内柱(JC-4)；基础布置图纸见图5.1所示。图5.1基础类型及布置示意图5.2独立柱基础设计5.2.1基础埋置深度根据《建筑地基基础设计规范》、勘查部门提供的《岩土工程勘察报告》以及上部结构情况，选择在B1区地基基础埋深设置为5m，在A、C、D、E、G、H区地基基础埋置深度设置为2m。5.2.2地基承载力=fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)式中：fa--修正后的地基承载力特征值；fak--地基承载力特征值ηb、ηd--基础宽度和埋深的地基承载力修正系数γ--基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b--基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；γm--基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d--基础埋置深度(m)，一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。计算得知fa=160kPa该场地天然地基承载力满足上部结构的压力。

结论由于建筑结构可靠性分析是一门实践性和经验性很强的工作，理论分析和后期处理所得出的结果很大程度上依赖于现场检测所得结果。所以从某个角度来说，想要从根本上提高鉴定结果的准确性和可靠性，应该不断完善检测手段、完善检测规程的制定，以及找到更符合实际情况的计算方法，提高检测数据的精度，以保证检测数据的可靠程度。主要研究多层框架的建筑设计、框架结构设计及其基础设计，和了解结构计算过程、运用软件进行结构设计。毕业设计要求设