关于结构可靠性鉴定的重要性

摘要: 从可靠性与可靠度之间的关系，结构的不确定性，影响结构可靠性鉴定因素以及常用的鉴定方法等一系列方面入手，阐述了结构在设计、施工和使用过程中，如何更好具有最优的可靠度水平，以保证建筑物拥有一个更合理的使用寿命。

关键词: 可靠性 可靠度结构不确定性影响因素 鉴定方法使用寿命

中图分类号： TU318文献标识码： A

0引言

随着我国经济的迅猛发展，国民对于建筑物使用追求的期望值也日趋增高，继而各式各样的建筑开始不断兴建，并且在国民经济中发挥着重要的作用，但是随着使用年限的增加和工作环境的劣化，这些结构的承载能力和使用寿命肯定会逐年降低，破损将是一个必然的、不可逆转的过程，因此从国家宏观经济的长远发展角度出发，为了节约能源和资金，相关的从业人员有必要对建筑物的可靠性进行全面科学地鉴定与分析，以保证建筑物在服役期间具有最优的可靠度水平，进而完成延长结构使用寿命的任务与目标。

1可靠性与可靠度之间的关系

我国《建筑结构可靠度设计统一标准》[1]中同时对结构可靠性和结构可靠度分别进行了定义。

结构可靠性:结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。

结构可靠度:结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。

通过定义不难看出结构可靠性主要强调结构完成预定功能的能力，它的度量是通过结构可靠度来反映的，也就是说一个系统的可靠度反映了对工程设计的综合性要求，表现了安全和经济的统一，并且可用以协调工程的近期投资和长远效益之间的矛盾。

结构可靠性鉴定则是以结构可靠度设计的概念和实用方法为基础发展起来的。自1638年伽利略奠定了现代建筑力学基础以来，工程结构设计方法经历了容许应力设计法破损阶段设计法极限状态设计法的过程，目前采用较多的是极限状态设计法。

2结构的不确定性

工程结构需要有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中，具有种种影响结构安全、适用、耐久的不确定性。这些不确定性，很早以前就受到人们的重视。

早期，人们采用安全系数法来笼统地考虑影响结构安全的各种不确定性，设计方法为容许应力法。容许应力法的优点是使用方便，一般情况下能够满足使用要求，缺点是安全系数全凭经验选取，缺乏科学依据，不能定量地确定安全性。所取的安全系数不能说明结构的可靠程度，因为材料强度、作用效应的概率分布没有被考虑。不同的工程采用的安全系数往往有不同的可靠性。基于可靠度的思想来对工程结构进行设计是土建工程的一大进步[2]。它用数学方法对工程建设的各个环节进行分析，建立了有明确可靠指标的结构设计方法。用可靠指标代替了原有的安全系数，结构的失效概率得到量化。自 1969 年A． M． Frendenthal 教授提出将可靠性理论用于结构工程领域后，经过半个世纪的努力，结构可靠性分析已经从理论研究阶段进入实用阶段。

结构在经过设计、施工等一系列工序后由最开始的虚拟模型计算转变为现实的空间实体, 这时相应的一些问题也就产生了，最早设计时考虑的随机因素, 如荷载、荷载效应、材料性能、构件几何参数等, 会改变其不确定的程度, 甚至转变为客观上确定的因素。而同时因为材料选择、施工等因素引起的不确定性却随着结构的建成而消除。

就简单的从荷载方面来说吧, 现有结构上的活荷载和设计中的活荷载具有程度不同的随机性, 因为设计中活荷载的统计特性是针对某类建筑的,而现有结构上活荷载的统计特性则应针对特定的具体建筑, 两者的变异性往往有很大差别，同时结构自重在结构建成之后不应再是随机的, 而是客观上确定的量。

此外, 一些随机因素的不确定性还与人类的控制行为有关, 如设备运行荷载、屋面积灰荷载的随机性便与实际的设备管理制度、清灰制度及其执行情况有关。这些结构的不确定因素都需要我们相关的从业人员在各自的工作环节中做出仔细的分析。

3影响可靠度鉴定的因素

3．1 建筑物在使用期内可能会遭受自然灾害侵蚀，而自然灾害会使建筑物在不同程度会受到损害，需要通过技术手段对受损建筑进行安全鉴定及维修加固施；

3．2 因地质勘察、设计、施工等因素对建筑结构造成质量缺陷，就需要对建筑物的安全性进行评估，然后运用相关技术手段进行加固或补强处理；

3．3 随着建筑物的使用时间的增长，建筑物性能会逐渐衰退，再加上碳化、腐蚀、碰撞、冻融等不利因素作用，建筑物的可靠度水平将逐渐降低，甚至有可能危害人们的生命安全；

3．4 随着社会经济和文化的发展，人们对居住、工作环境的要求发生巨大的变化，导致相当数量的老旧建筑的功能不在适用，这就需要对这些建筑进行技术改造；

3．5 建筑物的可靠性鉴定也为法律仲裁、质量纠纷、合同理赔、房屋保险投保等提供依据。而且通过结构可靠性鉴定，对为末办理相关产权的既有建筑的产权办理及银行抵押贷款提供了必要条件；

3．6 受不同时期经济环境和政治形势影响， 有的房屋建造时未按基本建设程序进行，导致房屋工程质量不能得到有效保证，并且这些建筑均在不同程度上存在各种安全隐患，需要经过安全性鉴定，并依赖定期检查来保证其安全使用；

3．7 维修改造既有建筑有着巨大的经济和社会效益，与新建建筑物相比，维修改造具有投资少、工期短、省空间等优点，这些均会带来显著的经济和社会效益。

4 可靠指标的确定以及常用的鉴定方法

4.1 设计可靠指标的确定

在实际设计中，限于目前的条件，并考虑到标准规范的现实继承性，现行统一标准中给出的可靠指标值是采用“校准法”确定的[3]。即通过对现行设计规范安全度的校核，利用反演计算，找出按原规范设计在结构中隐含的相应可靠指标值，经综合分析和调整，以此来制定基于概率分析的可靠性设计的目标可靠指标。这在实质上是充分考虑到了工程建设长期积累的实践经验，继承了原有设计规范规定的可靠度水准，接受了其总体上的合理性。目前我国统一标准中采用的可靠指标如表1 所示。

表1 结构构件承载能力极限状态的可靠指标

破坏类型 安全等级

一级 二级 三级

延性破坏 3.7 3.2 2.7

脆性破坏 4.2 3.7 3.2

4.2 结构可靠性常用的鉴定方法

目前，结构可靠性鉴定方法大致包括: 传统经验法、实用鉴定法、概率鉴定法、人工神经网络鉴定法和响应面法等[4]。

1) 传统经验法。传统经验法是以原设计规范为依据，根据个人专业知识和工程经验，然后对建筑物的可靠性给出评价的一种经验判定方法。此方法鉴定程序简单，荷载计算以实际调查为准，材料强度取值一般按经验确定，受个人主观因素影响较大，缺乏准确数据。因此，难以对结构的性能和状态做出全面的分析，评判过程缺乏系统性，鉴定结论往往因人而异。

2) 实用鉴定法。实用鉴定法是在经验鉴定法的基础上发展起来的，应用各种检测手段对建筑物及其环境条件进行周密的调查、检测、测试结构的主要力学性能参数，然后经统计分析后用于结构的分析计算，由此判定建筑物的性能和状态，全面分析建筑物所存在问题的原因。然后，以现行标准规范为依据，按照统一的鉴定程序和标准，从安全性、使用性多个方面综合评定建筑物的可靠性水平的方法。与传统经验法相比，该法鉴定程序科学，实用鉴定法十分强调检测手段和试验数据，试验数据准确可靠，对建筑物性能和状态的认识较准确和全面，可以为建筑物维修、加固、改造方案的决策提供可靠的技术依据。

3) 概率鉴定法。在实用鉴定法的基础上，运用概率论和数理统计原理，进一步利用统计推断方法分析影响特定建筑物可靠性的不确定因素的评定方法。概率鉴定法则针对具体的既有建筑物，找出建筑物在正常使用条件下和预期的使用期限内发生破坏或失效的概率，通过对建筑物和环境信息的采集和分析，评定建筑物的可靠性水平，确定结构的使用寿命。应用该方法得出的鉴定结论更符合建筑物的实际状态。

4) 人工神经网络鉴定法。人工神经网络是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。具有高度的并行处理、联想记忆、良好的自适应性和自组织能力。它无需预先确定系统的模型，而是以实验或实测数据为基础，经过有限次迭代计算，从而获得一个反映实验或实测数据内在规律的数学模型。由于人工神经网络具有较强的学习功能和容错性，可以模拟专家推理，因此神经网络在结构评定中的应用日益受到重视。

5) 响应面法。响应面法是近年来发展起来的进行可靠度分析的一种有效的方法，其思想是通过一系定性试验拟合一个响应面来模拟真实的极限状态曲面。从本质上讲，响应面是统计学的综合实验技术，用于处理几个变量对同一体系或结构的作用问题，也就是体系或结构的输入与输出的转化关系问题。

5 结语

对结构进行可靠性鉴定是对结构现状和未来工作能力了解和掌握的必要途径，鉴定方法的发展在一定程度上还要依赖于鉴定手段和技术的发展，理论上的突破同样是不可或缺的重要条件，合理的鉴定方法是对结构设计和结构可靠性鉴定安全性的重要保证，也是实现结构使用寿命延长的必要环节。

[1] GB50153—2008, 工程结构可靠性设计统一标准 [ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[2] 赵国藩.工程结构可靠度理论与应用［M］．大连:大连理工大学出版社，1996:13 －17．

[3] 余安东,叶润修.建筑结构的安全性与可靠性[M].上海:科学技术文献出版社,1986

[4]周虹霞.既有结构可靠性鉴定方法研究［D］． 南宁: 广西大学硕士学位论文，2007: 23-33．