建筑结构的可靠性研究

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摘要:建筑结构的可靠性是设计与施工过程中需要综合考虑的因素，其安全性、适用性和耐久性都反映了结构的实际需求。建筑结构的可靠性可以用可靠度来衡量，采用先集中、后全面的方法适当地提高可靠度，对于建筑结构的可靠性有实质性的作用和现实意义。建筑物的可靠性受到多方面因素的影响，合理利用这些影响因素可以提高建筑结构的可靠性。

关键词:建筑结构;可靠性;安全性;可靠度

引言

建筑设计能为我们创造一个与环境相适应的整体，也就是说建筑设计的目的在于将一些相互关联的环境融合成为一个整体;结构设计应从整体着眼，贯穿于建筑工程设计的各个阶段，结合各个相关专业。现代工程建设的时代特点要求我们要改变传统设计的缺陷，除常规设计之外，要考虑从用户需求到设计评价及施工阶段的结构设计。基于现代工程建设要求，建筑结构本身的可靠性作为设计施工中的重要因素必然需要进行合理的设计，以便实现建筑结构的预期效果。

1建筑结构的可靠性

建筑结构的可靠性是指建筑结构在既定的时间和约束条件下，能够完成其预定功能的能力。建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性。

1．1建筑结构的安全性

在衡量建筑设计及施工质量的众多指标中包括建筑结构的安全性。建筑结构安全性指的是建筑结构在正常的施工以及使用条件下，在可能出现的荷载作用或者变形作用时，其能够不产生破坏，或发生偶然事件时能够维持自身的整体稳定性。在建筑结构的设计中，主要从结构构件的安全性、结构整体的安全性来判断建筑结构的安全性，相关的规范和标准也对结构的安全性进行了规定，以确保建筑结构的安全性。

1．2建筑结构的适用性

建筑结构的适用性是建筑结构使用功能的衡量指标，即建筑结构在正常使用状态下，能够保持其良好的工作性能，能够满足使用功能的要求。对于变形、挠度、裂缝及振动等，要求不超过相关规范和标准的要求。影响建筑结构适用性的因素包括:施工技术水平、建筑材料性能、地理环境、建筑物外观要求等。例如，水池出现裂缝将对其使用功能产生影响，导致不能蓄水;楼板变形过大会对使用者造成一定的心理压力，这都影响建筑的正常使用。所以，对变形、裂缝等因素进行控制是必要的。

1．3建筑结构的耐久性

建筑结构耐久性是指在正常维护的条件下，应能够在预计的使用年限内完成各项功能的要求。耐久性表现为建筑结构的使用寿命和使用安全及建筑的整体经济性。例如，降低钢筋的锈蚀概率或提高混凝土的抗老化性能，可以提高建筑物的使用寿命。

2建筑结构的可靠度

可靠度是建筑结构可靠性的度量，是一个概率值。可靠度是指在规定时间和规定条件下，建筑结构能够完成其既定功能的概率。规定时间指的是设计基准期，普通建筑的设计基准期为50年，可靠度的计算考虑的并不是建筑结构的寿命，而是基准时间。规定条件是指正常的设计条件、正常的施工条件以及正常的使用条件，而不是偶然事件以及人为过失的原因。既定功能是指在正常的施工和使用中，建筑结构对可能受到的作用力具有要求的承载力和良好的工作性能;在正常维护条件下，建筑结构具有要求的耐久性;在发生偶然事件后，建筑结构具有整体性。可靠指标β是可靠度ps的度量。当结构构件的抗力和作用效果这两个基本变量为正态分布时，则:β=μS－μRσ2R+σ2槡S(1)式中:μS，σS———结构构件作用效果的平均值和标准差;μR，σR———结构构件抗力的平均值和标准差。结构构件承载能力极限状态的可靠指标β，对于安全等级为一级的构件且破坏类型为延性破坏的，β应≮3．7;脆性破坏的，β应≮4．2。对于安全等级为二级的构件且破坏类型为延性破坏的，β应≮3．2;脆性破坏的，β应≮3．7。对于安全等级为三级的构件且破坏类型为延性破坏的，β应≮2．7;脆性破坏的，β应≮3．2。结构构件正常使用极限状态的可靠指标，可根据其可逆程度在0～1．5之间取值。结构失效概率pf与可靠指标β之间的关系可用函数关系式来表示:pf=Φ(－β)(2)式中:Φ(－β)———标准正态分布函数。

3在工程设计中运用可靠度的优点

在工程设计中利用可靠度的原理具有很大的优越性。从本质上讲，可靠度体现了安全性与经济性之间的辩证统一关系。在工程设计过程中，安全与经济是矛盾的，但又是同时存在的。一方面要追求建筑结构的安全性，但另一方面又要对项目的总投资进行控制。可靠度可以将安全性与经济性进行统一，协调建筑结构的总投资和长远效益。选择合适的可靠度参数，可以平衡建筑结构的投资和长远效益。将建筑结构的投资和长远效益作为函数用可靠度来表示，可靠度越高，投资越大，长远效益越高;可靠度越低，投资越低，长远效益越低。可以将可靠度作为度量投资和长远效益的综合尺度，在低投资与高长远效益之间找到可靠度的最佳值。因此，可靠度可以综合反映结构工程的安全程度，是工程设计中综合性的约束条件，同时可靠度可以协调近期投资与长远效益的平衡。

4建筑结构可靠性的影响因素

建筑结构可靠性的影响因素主要表现在结构的安全性、适用性以及耐久性方面的影响，具体对可靠性造成影响的因素分别有荷载作用、环境作用、材料因素以及人为因素四个方面。

4．1荷载作用

在建筑结构的设计与使用过程中，有两种荷载会对其可靠性产生影响。一种荷载是直接作用于结构上，对结构可靠性产生直接影响，如在某一荷载组合效应时荷载作用大于建筑结构抗力，导致结构变形、倒塌;另一种荷载表现在荷载的累积作用造成结构失去可靠性。荷载的累积作用降低结构的可靠性，既可以是静荷载的累积损害作用，也可以是动荷载的累积损害作用。在静荷载的长期作用下，随着时间的推移，结构损伤持续积累。静荷载的累积损害作用主要有结构构件的损伤和蠕变等。动荷载的累积损害作用主要是结构在重复荷载作用下，随着荷载作用次数的增加，对结构产生累积损伤。重复荷载的荷载作用频次、荷载作用大小，均是动荷载累积损害的相关因素。

4．2环境作用

建筑结构可靠度受环境作用的影响主要有自然环境以及使用环境这两方面的因素。自然环境对建筑结构可靠性的影响是自然环境中的腐蚀介质以及人类对环境的污染对结构本身产生侵蚀。如空气、土壤或地下水中的二氧化碳渗入混凝土内部造成的混凝土碳化、酸雨对结构的腐蚀、冻融循环等，都是自然环境对结构的腐蚀作用。使用环境对建筑结构可靠性的影响是生活和生产过程中产生的一些对结构可靠性的不利作用。使用环境的化学侵蚀介质和物理作用，都会对结构的性能造成损害。如化工、纺织等产生的化学腐蚀使结构尚未达到使用期限就出现了结构上的问题而提前报废，化学腐蚀与腐蚀物质的浓度、生产工艺、通风等因素有关。再如，工业厂房的机械振动和荷载作用使得厂房结构产生损伤，长期作用导致结构提前报废。

4．3材料因素

建筑结构的材料是对其结构可靠性最主要的影响因素之一。首先，随着时间的推移，材料必然出现老化的现象，材料的性能以及强度会随着材料老化现象而逐渐降低。其次，混凝土的强度、耐久性等工作性能受材料配合比的影响。例如在满足混凝土强度的前提下，如果水灰比过大，水泥在凝结硬化过程中。孔隙率的增大降低了混凝土的密实度，从而影响其耐久性。第三，一些存在于建筑材料中的活性物质能够与材料中的其他成分发生化学反应，这种化学反应虽然是缓慢进行的，但新生成的成分可能产生不均匀的压力导致结构破坏。

4．4人为因素

对于建筑结构的可靠性，除了荷载作用、环境作用以及材料因素之外，在实际操作过程中人为因素对其也有一定程度的影响。人为因素对可靠性的影响主要表现在人的活动以及人为失误。人的活动必然对建筑结构有荷载作用，当荷载作用超过结构抗力时，结构的可靠性就会受到影响。另外，在设计和施工过程中，人为失误会导致结构基本参数的错误。设计人员对结构几何尺寸、边界条件界定、计算模式选择、计算精度取舍等方面，很可能对建筑结构的可靠性产生影响。减少人为因素对结构可靠度的影响是提高结构可靠度的一个必要方面。

5结语

随着建筑工程项目数量的增加，所有的设计人员和施工人员应充分考虑结构的可靠性在工程实践中的重要影响，以确保建筑的使用安全。由于可靠性受到多方面因素的影响，如何提高建筑结构的可靠性，要充分考虑其影响因素。在设计与施工过程中，可靠性可通过可靠度来衡量。可靠度的限制不应过高或过低，在投资合理的范围内应尽可能提高可靠度，进而使经济性与安全性达到一个平衡。当然可靠度的提高，也应该经过调查、统计以及分析，有一个合理可行的可靠度取值准则。在调整可靠度的过程中，应该采用先集中、后全面的调整方法。通过调查研究以及分析，对于已经掌握且具有一定研究资料证实了的较低荷载予以适当提高，例如可提高某些公共建筑的活荷载、某地区的风荷载、厂房的集中荷载等;也可以提高某些荷载或者某些材料的分项系数等;对于较重要的建筑结构或构件，在设计过程中可以适当提高其重要性系数。在提高可靠度的同时，也就为建筑结构的可靠性提供了保证。

参考文献:

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作者:杨飞 陈焰发 单位:山西职业技术学院 三峡大学 宜昌供电公司