既有结构可靠性评定.

2013-09-29结构全寿命维护第7章既有结构可靠性评定2本章导读7.1概述7.2既有结构的现场荷载试验7.3具有初始损伤结构的反应分析7.4既有结构构件的可靠性评价7.5既有结构体系的可靠性评价3既有结构评定的定义既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期（目标使用期）内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程。4人类的全寿命Vs结构的全寿命施工建设学成毕业倒塌拆除生命尽头运营服务努力工作损伤老化工作劳累损伤检测身体检查维护加固保健治疗5超载结构退化和改变（气候、物理损伤、修复或改造）周期性检测，发现结构性缺失旧规范设计，不满足新规范要求最大允许荷载的增大为什么要评定6目标使用期有两层含义委托方（或称甲方）根据房屋的现状和自己的使用要求，希望建筑物再能使用若干年建筑物维持现状能继续使用多长时间（即建筑物的剩余寿命）根据建筑物已使用年限、历史、现状和未来使用要求所确定的期望继续使用期目标使用期是对既有建筑物进行结构可靠性评定的时间标准，类似于拟建结构的设计基准期1作用在结构上的活荷载、地震作用，以及材料、结构性能的最终退化值，都是以目标使用期作为时间标准来确定的27荷载分类结构自重预应力土压力建筑荷载分类偶然荷载永久荷载可变荷载8荷载分类结构自重预应力土压力建筑荷载分类偶然荷载永久荷载可变荷载积灰荷载楼板活荷载屋面检修荷载雪荷载吊车荷载9荷载分类结构自重预应力土压力建筑荷载分类偶然荷载永久荷载可变荷载楼板活荷载屋面检修荷载积灰荷载雪荷载吊车荷载地震荷载撞击荷载爆炸荷载10评定与检测的关系结构的检测与评定和病人的化验和诊断类似。检测机构应具备相应的检测资质，定期标定仪器和设备，只负责被检数据的准确性，而不负责对病害的诊断。评定单位根据检测机构提供的检测结果对结构的损伤程度和成因进行判断，给出评定结论和进一步使用的建议。117.1概述既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程。首要目标：确定结构的可用程度具体目标：提供结构的状态信息，以便能对检测、维护和修复工作的时点和程度及时优化，力求以最小的成本达到最好的效果。必要时，通过停止对结构的使用达到最大程度的减小经济损失的目标。评定涉及的多为已知因素，虽然部分因素需要通过调查或者检测才能确定。评定中涉及的不确定因素较少，计算结果偏于强调寿命（耐久性）设计针对的是未知因素，在大多数情况下，结构的材料强度与荷载作用实际值只有在建成后才知道。设计中存在的不确定性较多，计算结果偏于强调强度设计Vs评定127.1概述既有结构评定是指确定既有结构在给定寿命期内承担荷载并满足使用功能的能力的整个过程。安全评估使用性评估评定内容正常使用极限状态（SLS）疲劳极限状态（FLS）承载能力极限状态（ULS）耐久性极限状态（DLS）评估涉及到的结构状态131.承载能力极限状态结构体系瞬变荷载超过极限荷载而破坏结构整体或者局部作为刚体失稳结构失稳7.1概述142.正常使用极限状态由于结构构件的局部损伤使结构的使用年限减少影响结构使用功能的大变形影响结构有效使用的度振动7.1概述舒适性+外观157.1概述疲劳或其他时间相关效应引起的失效疲劳和其他时变效应引起的可观察到的损伤低周疲劳：材料非线性，塑性区塑性应变交替变化高周疲劳：整体线弹性行为3.疲劳极限状态FLS（荷载正常使用，抗力极限状态）167.1概述4.耐久性极限状态DLS（使用寿命评估）使用寿命，考虑荷载与环境作用时间有关的损伤累积包括：新建结构，达到特定设计使用寿命的要求，既有结构剩余寿命评估，区分为产生期和扩展期冻融造成的开裂和剥落产生期碳化导致的钢筋脱钝氯离子导致的钢筋脱钝腐蚀引起的开裂腐蚀引起的剥落和崩溃冻融引起的下挠和崩溃硫酸盐腐蚀开裂展开期17基本的评定分级基于经验的定性评定基于实测荷载效应的评定基于模型计算的评定7.1.1评定方法187.1.1评定方法水平0：非正规的定性评定水平1：基于实测载荷试验的评定水平2：基于文档研究的分项系数法水平3：基于补充调研的分项系数法水平4：修正目标可靠度，修正分项系数水平5：全概率评定定性评定定量评定结构评定基于模型计算的评定基于实测的评定简单复杂197.1.1评定分级定量评定水平0：非正规的定性评估结构评定定性评定基于工程师的实际经验对于常见结构的预评定，通常是基于直观现象通过相应的知识储备来做的判断。有一定的主观性207.1.1评定分级水平0：非正规的定性评定桥跨构件支座台帽支座盖梁桥墩桁架桥面板主梁由上至下依据：专家的经验或根据专家经验总结提炼得到的对结构各个层次相应的检测表格子结构构件层次子结构层次整个结构层次217.1.1评定分级227.1.1评定分级水平0：非正规的定性评定桥跨构件支座台帽支座盖梁桥墩桁架桥面板主梁由上至下依据：专家的经验或根据专家经验总结提炼得到的对结构各个层次相应的检测表格缺点：这种方法与实际情况的符合程度严重依赖于评定者的经验以及评分标准的详细程度。由于无法避免检测者主观意识的干扰，这种评定方法的准确度极差，只有在不得已的情况下才应用，如养护资金匮乏或待检测的结构过多时优点：1.概念明确，方法简便，能层次化具体化体现不同层次的病害程度2.现场检测要求不高，检测养护人员容易上手。3.能考虑不同结构类型的特点4.同时兼顾多种失效模式5.效率高，花费低237.1.1评定分级结构评定定性评定定量评定基于实测的评定水平0：非正规的定性评估水平1：基于实测荷载试验的评定通过测得的性能和相关规范或者单向指定的阀值来评定结构的使用性荷载试验在7.2节介绍247.1.1评定分级水平2：基于文档研究的分项系数法水平3：基于补充调研的分项系数法水平4：修正目标可靠度，修正分项系数基于规范分项安全系数的方法25极限状态方程&可靠度指标设作用为S、抗力为R，则最简单的极限状态函数可以表达为g(R,S)=R-S当g(R,S)0时，结构破坏，其破坏概率为：drdssrfSRgPPSRgSRf,0,0,,SRg,SggN,SSN,0gPPFRRN,gSR0概率密度R当R、S为独立随机变量，且服从正态分布时，其均值和方差符合下列关系SRg22SRg220SRRSfgPP定义注意，当极限状态方程由服从正态分布的线性参数构成时，只需要一个参数就可以唯一确定函数的概率值，越大，则结构的失效概率越小。因此可以使用来表征极限状况方程(即结构)的可靠程度当极限状态方程为其他分布函数时，可以类似用反映结构可靠程度的高低22111SRSRggffPP26特征值与均值、标准差间的换算关系kR、kS为确定标准值时所采用的保证度系数。引入这两个概念后，R和S的标准值分别对应于概率分布为0.05下分位数和0.05的上分位数SS5%5%SSSSSSSSSSkRRRkkSkR设计值特征值27均值与可靠度指标间的换算关系ettSRSRarg22SSSSRSettRRRSRRett]1[]1[22arg22argSSSRRR)1()1(targettarget极限状态方程：变换后，可得：)1()1()1()1(targettargetSSSSkkRRRRkSRkSkkRSR1抗力分项系数作用分项系数SSSkkSRRRkkR28半概率评定方法的进一步分级Level2采用设计规范中提供的极限状态验算公式Level3采用更新特征值后的极限状态验算公式Level4采用更新特征值和分项系数后的极限状态验算公式kSkRSR1kSkRSR1kSkRSR1更新信息来自对随机变量的检测更新信息来自对随机变量的检测以及对目标可靠度的修正297.1.1评定分级结构评定定性评定定量评定基于实测的评定基于模型计算的评定水平2：基于文档研究的分项系数法利用相关设计、施工和检测的文档中信息进行承载能力和使用性能的评定。安全性和使用性的评价依据是分项系数307.1.1评定分级基于文档研究的分项系数法依据：结构设计相关的规范结构超载、冲击、地震和风灾等由疲劳、腐蚀或其它退化过程引起的损伤极端加载后的安全性和使用性验算结构功能变化后安全性和使用性验算极端加载后的安全性和使用性验算应用范围317.1.1评定分级结构评定定性评定定量评定基于实测的评定基于模型计算的评定水平2：基于文档研究的分项系数法使用从制定实际细节的无损信息进行承载能力和使用性的评价。运用相应的精细化方法和模型进行分析。水平3：基于补充调研的分项系数法327.1.1评定分级基于监测的系统识别鉴定荷载试验（在7.2节介绍）基于补充调研的分项系数法隐藏的损伤和不均性几何尺寸材料的物理性质和化学性质对材料性质和尺寸的调查承载力和损伤结构剩余寿命的确定目的荷载的监测337.1.1评定分级结构评定定性评定定量评定基于实测的评定基于模型计算的评定水平0：非正规的定性评估水平1：基于实测载荷试验的评定水平2：基于文档研究的分项系数法水平3：基于补充调研的分项系数法水平4：修正目标可靠度，修正分项系数利用现场修正的分项系数进行承载能力验算，（要求验算结构性能与荷载影响应相似）347.1.1评定分级结构评定定性评定定量评定基于实测的评定基于模型计算的评定水平0：非正规的定性评定水平1：基于实测载荷试验的评定水平2：基于文档研究的分项系数法水平3：基于补充调研的分项系数法水平4：修正目标可靠度，修正分项系数水平5：全概率评定考虑所有基本变量的统计特性的评定。对于不确定建立概率分析模型，直接进行全概率可靠度分析。不再采用分项系数357.1概述Step2确定结构的极限状态方程Step1首先确定临界失效模式全概率评定的步骤Step3不确定性模拟Step4计算失效概率或可靠度指标计算结果与可靠度指标比较Step5367.2荷载试验荷载试验是一种“工程检验性试验”，它要求将试验荷载施加在结构的指定位置上，利用各种量测手段测定结构的响应，以最终对结构的使用性进行评定。分为诊断荷载试验和鉴定荷载试验诊断荷载试验荷载试验鉴定荷载试验尤其适用情形：损伤和退化对结构抗力的影响通常很难用理论模型足够精确的预测验证构件或系统性能，提供一个解析计算桥梁荷载等级的替代评定方法静力试验荷载分配，校核构件刚度、应力用来校正和调整设计和评定中采用的分析模型动力试验冲击效应，实桥影响线377.2荷载试验1.荷载试验的作用了解结构的实际工作状态，检验结构的整体受力性能，确定是否具有满足规范及使用要求的承载性能；对新材料、新结构或新的设计施工方法进行验证，判断所采用的理论和假定的正确性与合理性，为今后同类结构设计施工提供经验和积累科学资料；通过荷载试验，分析结构病害原因及其变化规律。2.荷载试验的方式静载试验（以桥梁为例）静载试验是将选定的试验荷载静止的放置或用试验车缓慢驶入桥梁的预定位置静置。动载试验动载试验指安排跑车试验测定冲击系数，用车辆制动试验测定桥梁承受纵向水平力的性能。一般以静载试验为主381.确定荷载试验的项目，选定结构控制截面；选择控制截面跨中弯矩最大截面为例2.确定试验荷载与加载工况注意：为了保证荷载试验的效果，必须首先确定试验的控制荷载作用。控制荷载作用由可变作用加载于结构控制截面产生的最不利内力、应力或变位确定。最理想的情况下，试验荷载应与形成控制截面最不利内力的荷载作用完全一致。但由于客观条件的限制，以及降低试验支出的考虑，实际采用的试验荷载与控制荷载作用会有所不同。7.2荷载试验（桥梁）荷载试验流程图示391.确定荷载试验的项目，选定结构控制截面；2.确定试验荷载与加载工况3.分配仪器，布置测点；测点布置注意事项：1.应力应变测点的布设应能测出内力控制截面的竖向、横向应力分布状态2.布设时应