服役工程结构可靠性理论及应用简介

1.3.1.1　服役工程结构的基本随机变量不确定性分析及描述

设计一个结构或构件，必须依据现有的信息预估每一个设计方案所代表的结构（或构件）在未来使用期间的表现，需要预估该期间结构（或构件）所处的环境和所受到的外界干扰（荷载作用）。但是，对于未来的事件，常由于无法严格控制其发生的条件；或对于客观事物，由于客观条件而无法明确地识别出该事件；或无法把握事件的概念外延等，都使所需要的信息有不确定性。工程结构可靠性分析的基础是结构本身和环境（自然与使用环境）信息，而信息的准确与否在很大程度上影响可靠性分析结果的准确性。

对现有信息的处理，既取决于信息量的大小、来源、质量，也取决于处理和描述方法的合理性。服役结构是实际存在的实体，其所处环境更为具体，各种信息的采集、描述、处理与检验等都应根据信息的具体情况，采用不同的方法分析其不确定性的来源及类型。服役结构信息的不确定性产生于两个方面，一是在事件自然过程中，由于事件本身所固有的随机性和模糊性及未确知性等造成的不确定性，这种不确定性是必然存在的，一般是不可控制或减小的；另一种是由于检测、描述或模拟带来的误差引起的（即系统误差）［12］，是由于知识不完备引起的未确知性，这种不确定性可以通过采用一定的分析方法或取得更多的数据样本经过处理得到减少。服役结构在服役期前后的信息，都存在由于上述两种原因引起的不确定性，有些信息可能同时存在其中两种或三种（即随机性、模糊性和未确知性）类型的不确定性［12，23，42］。

影响结构可靠度的变量不确定性描述，可基于试验样本（或调查样本）进行假设检验和理论模拟［12，23，42～45］。基于试验样本的分析，主要是对变量的随机不确定性的假设、检验和统计分析。可将服役结构的信息分为意识和自然信息，并利用试验结论对其综合变量（荷载效应和抗力）进行初步分析，是试验统计和理论分析的结合［12］；还可将不确定性分为主观不确定性和客观不确定性，以进行主观不确定性的统一描述［46］，并可进行考虑这种主观不确定性的结构可靠度的计算［47］。而作为理论模拟方法，可在一定程度上对其模糊性或未确知性进行描述，目前理论上的模拟方法还应用了一些新理论，如用证据理论估计既有混凝土的弹性模量［48］。服役工程结构中有的随机变量的统计参数及模型可从观测数据中容易得到，尤其对大型的有监测设备的工程可以做到，如水库的水位统计量可通过水文及观测数据统计分析［45］，通过水文分析方法统计大坝工程中主要变量水位［49］。对于岩土工程结构中材料强度的不确定性研究，多采用试验的方法，但由于土体性质的不同，在一些研究中给予了很多假设［50］；对于水工结构中水力学有关参数的不确定性，如断面尺寸、糙率系数和流量系数的统计参数以及水下桥墩的冲刷预测模型的不确定性等也有初步的研究［51～53］。尽管在变量的不确定性描述方面已做了一定的工作，但还存在很多问题需要解决，如人为差错对抗力和荷载（及荷载效应）的影响［54］，非破坏性技术在评估检测中产生的不确定性［55］。另外，一项信息的特性并不是从一次观测（测试）数据便能确定下来，那么对服役工程结构中的多次观测（测试）的数据处理也是一个需要解决的问题。

1.3.1.2　服役工程结构抗力和荷载的描述及模型(www.xing528.com)

除维修加固外，结构抗力是随时间变化的一个不可逆过程，如钢筋混凝土结构中的混凝土碳化、钢筋的腐蚀和外界使用环境的冻融循环等，将导致抗力衰减和状态恶化［10，16］。在某些特殊阶段，结构抗力会随时间增长，如混凝土强度早期随龄期增长而增大，但大多数情况下由于自然环境和使用环境的作用，结构抗力是降低的，尤其是在严酷环境下。考虑服役结构抗力时变性的可靠度一直是一个广为关注的问题，在研究服役工程结构的两个综合随机变量（抗力和荷载效应）的时变性描述时，较早就利用了Bayes方法来考虑其使用历史上曾经历的荷载对抗力的影响［44，56，57］。如基于模糊随机理论，建立服役工程结构在继续服役基准期内的抗力和荷载的模糊概率模型［57］；文献［58］则研究了环境荷载标准，提出服役期内的等超越概率的原则确定荷载重现期的方法，基于金属材料的裂纹和机械损伤分析海洋平台结构系统中的构件抗力模型。利用验证荷载的信息，可给出时变抗力的概率模型，并可用Bayes方法计算服役结构的可靠度［59～62］。对服役工程结构抗力的理论描述，一是采用抗力衰减函数的形式，而且多数采用指数型函数，二是利用Bayes分析考虑其历史上验证荷载的影响。文献［63］中对基于可靠度的服役结构维修分析时抗力模型就是以一个待定的衰减函数表示，根据危险函数来进行维修决策的，并系统地研究了基于可靠度的维修决策问题。文献［64］则是利用检测数据及Bayes分析方法，对以指数函数形式的衰减函数表示的抗力进行分析，并对实际桥梁T形截面的抗力的影响因素（包括材料强度、截面尺寸和碳化因素等）作了较详细的研究，以实际观测的数据对抗力模型进行修正。这种结合Bayes分析的研究方法是目前的研究趋势，但其成本较高，要求对结构进行较全面的检测或长期观测。文献［65］曾指出，现有结构与设计结构的不同之处就是前者有具体的信息，并应将检测到的信息与Bayes分析方法结合以描述抗力的时变性。

对服役RC结构的抗力描述，较为关键的是钢筋的初始锈蚀时间和钢筋截面锈蚀率的预测及分析，为此在理论和试验方面做了许多研究。文献［66］和文献［67］按钢筋锈蚀后的平均锈蚀电流密度分析锈坑直径及面积，从而得出锈蚀率与初始锈蚀时间之间的关系。文献［68］中的锈蚀后剩余钢筋直径也定义为与初始锈蚀时间和锈蚀速度的函数，但未能说明初始锈蚀时间和锈蚀速度的分析方法。文献［69］和文献［70］以初始抗力与衰减函数组成抗力的随机过程，并讨论了钢筋锈蚀率对时变可靠度的影响，应是抗力平稳化的一种方法［10］，其中钢筋锈蚀截面的理论模型与文献［68］类似。文献［71］中的抗力衰减函数为多项式形式，文中还讨论了失效—安全模式下受损结构的破坏时间预测问题；文献［72］则是利用统计参数、材料试验、荷载调查、室内和现场试验及理论模拟等方法综合评定桥梁结构的抗力、荷载（恒载、活载和动力荷载），并对其中的几种不同材料（包括钢、组合梁、钢筋混凝土及预应力混凝土）梁的剪力和弯矩计算模式不确定性作了详细的分析，得出其统计参数；而文献［73］对现有铁路桥梁的基本变量的分析结论表明，材料（钢筋及混凝土）的强度及混凝土保护层的厚度对时变可靠度的影响最大。文献［75］基于混凝土碳化深度和钢筋的初始锈蚀时间及现场调查，建议了三个等级（低、中和高）的钢筋锈后直径的计算公式，由此分析计算截面的钢筋面积减少比例和抗力及时变失效概率。值得关注的是，国内对服役工程结构抗力时变性的描述和研究，多是依赖于锈蚀钢筋混凝土结构的室内试验研究的成果，如文献［75］～文献［77］、文献［80］等都是基于室内试验数据进行分析的；文献［78］和文献［79］也是室内试验研究。

对于服役工程结构的荷载（及效应），结构所处的环境比拟建结构的更为具体，其统计特性并不能完全接受拟建结构的统计特性。拟建结构（设计阶段）的荷载统计采用的是时空转换方法，而服役结构的荷载要利用已存在的信息，采取的是时间外推方法，即通过对已有信息的统计分析来估计结构及其环境在未来继续服役基准期内的统计特性。如文献［81］和文献［82］等提出的服役评估期内构件的可变荷载标准值的修正方法和修正系数，使设计构件与评估构件的目标可靠指标一致，可供服役建筑结构构件评估时用。文献［72］中也讨论了桥梁结构的荷载模型问题，文献［83］对时变荷载中的可变荷载组合问题研究了解析解，而文献［58］的等超越概率的原则确定荷载的模型参数的方法，则有较为普遍的意义。另外，对风荷载的研究也较深入，如文献［84］根据Shinozuka理论和Davenport脉动风速功率谱模拟产生风速、风压样本，并讨论了风载下脉动风压对结构动力响应的影响，结论是不能忽略脉动风速平方项对脉动风压谱密度函数的影响，否则计算的可靠度偏于不安全；文献［85］的结论是威布尔分布为极值风速普遍最优概率模型，极值Ⅰ型次之，而广义跨阈分布GPD（Generalized Pareto Distribution）偏差最大，并且极值风速估计的变异性最大。

考虑抗力时变性的结构时变可靠度，由于抗力与荷载效应都是非平稳随机过程，用随机过程理论研究显然是合理的。但其结构失效概率计算比较困难和繁复，在实际工程中并不实用，一般是将非平稳随机过程平稳化［10］。另外，即使是将其作为随机变量处理，由于结构抗力的时变性随结构的使用环境不同而差异很大，现有结构的抗力应由服役结构抗力的实测值组成的统计样本分析确定，但实际又不可能得到大量的实测样本，使得具体考虑抗力时变性的可靠度分析尚存在许多困难。服役结构与拟建结构有很大的区别，而且由于施工等原因结构个体的性能相差很大。因此，服役结构抗力和荷载分析应建立在获得充分而且准确的信息基础上。