服役工程结构可靠性理论及应用-重要研究成果

工程结构在人类的生活、生产及社会进步发展方面扮演着极其重要的角色，是人类生活和生产活动的重要组成部分。随着人类文明的进程，工程结构一直显示着其强大的生命力，为人类提供着重要的生存和生产的物质基础，同时也积累着财富。工程结构的兴建是为了满足人类社会的功能需求，而由于自然环境和使用环境的作用，现有的工程结构物在使用性能方面将发生改变。在我国，有相当数量的工程结构物性能已严重退化，其安全性低于设计规范及所处环境作用的要求，有的旧有结构功能相对新的要求也已经滞后，大批现存结构已存在因安全性和耐久性过低而面临退役的威胁［1，2］，1950～1960年兴建的大批水利工程也已进入老化阶段［3］。在中华人民共和国成立后的建设发展历史中，有过三次建筑物倒塌事故多发期，第一次是1958年“大跃进”时期，第二次是“文化大革命”时期，第三次是改革开放之初，这三个时期都遗留下了相当数量的质量低下的建筑物，目前问题突出的是第一时期兴建的建筑物，这些建筑物的使用时间一般都超过40年，使用性能明显下降［4，5］。

工程结构的建造费用较高，使用周期长，建造时需要消耗大量的资源，而且其安全可靠与否不仅影响生产与生活，还常关系到人身安全；然而，社会和经济的持久发展仍然需要依赖和利用现有结构物。我国自20世纪80年代以来开始对老建筑物，尤其是冶金行业和水利工程中已使用30年以上的工业建筑及大坝等进行大规模的鉴定、加固改造工作。国际上发达国家的基本建设也经历了大规模新建之后的这一历程，即新建与维修改造并重的建设阶段；之后，重点转入旧建筑的维修改造。如英国1975～1980年间新建工程数量和费用减少，而建筑维修改造的费用逐年增加，1978年用于改造的费用是1965年的3.76倍，1980年的建筑物维修改造工程占全英国建筑工程总量的1/3；瑞典建筑业20世纪80年代的首要任务是对已有建筑物的更新改造，1983年建筑业总投资的50%是维修改造的投资；美国自20世纪70年代起建筑业中新建建筑开始不景气，而维修改造业日益兴旺；德国在20世纪80年代用于厂房改建的投资占建筑总投资的60%；丹麦的维修改造工程与新建工程的投资比例更是高达6∶1［5～7］。在我国，“一五”期间新建建筑投资占基建总投资的95.5%，“七五”期间只占46%，而1997年和1998年两年间的改建与扩建的投资比例均接近于同年基本建设投资的90%，说明我国已开始由新建与维修改造并重的第二阶段逐步进入重点是旧建筑物的维修改造的第三阶段［7］。因此，如何充分利用现有的工程结构，及时采取有效的措施以延长其使用寿命，是今后工程结构理论研究的重要内容。

工程结构可靠性水平，是一个国家经济和资源状况、社会财富积累程度、设计施工水平以及材料质量水准等因素的综合反映。由于结构在设计、建造和使用过程中，存在着许多影响结构可靠性的不确定性因素，结构的可靠性设计实际上是一个风险决策过程，需要在结构初始建造费用和未来可能的失事损失之间进行权衡。保证工程结构在规定的使用期内能承受设计的各种作用，满足设计的使用功能，并在正常的维护下能保持其工作性能的能力是对工程结构的基本要求，这些基本要求包括结构的安全性、适用性和耐久性，即结构可靠性［8，9］。从结构可靠性概念角度分析，服役工程结构与设计结构的可靠性含义有所不同，这是其客观存在的影响因素决定的。服役工程结构可靠性是现有工程结构改造、加固或维修的理论基础，也是结构可靠性理论研究的重要内容之一。结构可靠性设计理论的研究对象是设计中的抽象结构与设计方案，而服役工程结构可靠性研究的对象则是具体的结构（或特定的结构），研究的是评价其今后继续使用期内的可靠性（定量或定性），在理论上属于结构时变可靠性的范畴［10］。(www.xing528.com)

从结构可靠性定义出发分析，服役工程结构可靠性实际上是与工程结构可靠性设计理论同时出现的，因为广义上的工程结构可靠性从时间的概念上分析包括设计、施工和使用等阶段。在可靠性理论本质上，服役结构与拟建的设计结构可靠性计算方法应该没有原则上的区别，但是由于是对具体的结构进行的分析，服役结构可靠性理论有其自身的特点，荷载环境和自然环境更加具体，抗力与荷载效应的统计特性并不能完全接受拟建结构的统计特性，而应建立在自身实际存在的信息基础上［11，12］。因为，随着使用年限的延长和自然环境的作用，工程结构在设计阶段考虑的一些影响因素及其变化规律可能发生改变，服役结构的抗力及其时变模型是在对现有结构进行了相应的检测并考虑其施工及运行情况之后形成的，而其荷载效应模型也应该根据实际使用中的情况进行调整，并应该考虑历史上曾经经历过的荷载及效应的影响；另外，有的服役结构还改变了使用条件，其荷载及效应模型也应该与设计结构有区别。例如，工业建筑中厂房的吊车梁荷载变更、水库运行调度的改变和降水汇流条件的改变等。这些不同之处，拓展了工程结构的可靠性理论内涵，形成了结构可靠性理论新的研究领域。

工程结构可靠性研究内容十分丰富，涉及的学科诸多。开展服役工程结构可靠性理论的研究，既能对现有工程结构进行可靠性评价和继续使用寿命的预测，以充分利用既有结构并延长其使用寿命，也能揭示影响工程结构可靠性及使用寿命的因素，为提高新建工程结构的设计水平及质量提供理论依据。另外，进行服役工程结构可靠性的理论研究，将丰富和发展工程结构可靠性理论。