基于可靠度分析的现役结构安全评价与剩余寿命预测

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本文以工程结构可靠度理论为基础,研究了结构体系可靠度的简化计算方法,系统的建立了现役钢筋混凝土结构的安全评价、剩余使用寿命预测及结构维修决策的理论和方法。全文主要内容如下: 1.通过查阅有关结构可靠性理论的大量文献资料,对结构可靠性理论在国内外的发展历史、现状及发展趋势进行了比较全面的概括分析和总结。对现役建筑结构的可靠性分析、剩余寿命预测及维修决策等方面的内容进行了详细的综述。介绍了国内外学者在这方面取得的最新研究成果,这些开创性的工作是本文的基础。 2.简要介绍了工程可靠度的基本理论,首次提出了结构体系可靠度计算的结构抗力调整法。 结构抗力调整法是一种实用的结构体系可靠度近似计算方法,该方法根据结构体系、结构失效模式及结构构件三者失效概率的相互关系将结构体系可靠性设计分为结构体系可靠性分析和结构体系可靠度调整两步来进行。初步解决了结构体系可靠度的合理分配和调整,使结构体系的可靠性分析和结构设计直接联系了起来。算例表明该方法对于一般的工程结构设计和检验方便而实用,计算精度符合要求。本文的设计方法,使现在普遍采用的结构可靠性设计方法得到了改进和发展,具有一定的现实意义。 3.研究了现役结构可靠度的计算方法。首先研究了影响现役结构可靠度的2个重要因素:环境腐蚀作用和疲劳损伤。 环境腐蚀对混凝土结构可靠性的影响,把混凝土碳化和氯离子的侵蚀,视为影响环境造成腐蚀的两个主要因素。混凝土碳化理论已经比较成熟,本文重点研究了氯离子侵蚀对混凝土可靠度的影响。由于氯化物渗透过程的不定性和不均衡,混凝土中某根钢筋开始腐蚀的时间会有一定变化范围,用一个概率分布来表示就比定值表示符合实际。在一个给定时间,氯化物渗透锋面位置的概率密度函数,使用氯化物渗透锋面随机分布和可靠度方法进行确定。 对于混凝土结构的疲劳损伤及其应力重分布,分析了基于累积损伤破坏机制的疲劳可靠性,初步探讨了混凝土疲劳损伤及其影响机制。钢筋混凝土是一种复合材料,其结构表现出非线性及相应的损坏过程。对此,需要综合力学、结构非线性分析和概率方法进行结构可靠度评估。本文提出了一种疲劳状态下的结构可靠性分析方法,提出了近似计算的方法。 本章重点研究了现役结构可靠度的计算方法,主要内容分为3个方面:(1)对工程技术中遇到的模糊性问题,进行了客观的分析,提供了合理的计算方法; (2)首次提出了现役混凝土桥梁的可靠度计算方法,为桥梁的健康诊断和维修加固提供了依据; (3)对现役工业厂房钢筋混凝土连续板可靠性进行了系统分析,研究了可靠度的计算方法,通过实例予以详尽阐述,有一定的实用价值。 4.研究了现役混凝土结构的可靠度鉴定方法,并对现役混凝土结构的性能检测方法进行了系统的分析。 研究了对现役结构构件进行可靠性鉴定的类比法,该方法先分析影响结构构件可靠度的各种因素,分别算出待定可靠性指标的构件与标本库中所选定的标本构件在各个因素下的类比数,再分别算出各标本构件与实测构件之间的相似度,最后运用层次分析法算出构件的可靠指标。该方法从混凝土结构基本计算方法入手,经过实测实量,层次清楚,可操作性强,是进行现役混凝土结构可靠性鉴定的实用方法。 另外,怎样合理的考虑碳化的影响,对准确的检测及评价结构的状况非常重要,本文也进行了深入的探讨。 5.基于可靠度理论,研究了混凝土结构剩余使用寿命的预测方法。 本文参考了国内外大量的有关混凝土结构耐久性的文献,为正确评估这些结构寿命的极限状态,对混凝土整个寿命过程的性能变化规律、破坏机理进行了深入分析。要满足计算需要,整个生命周期或剩余寿命的失效概率必须控制在允许的范围内。以此为原则,建立了混凝土结构剩余使用寿命的预测模型。 结合现行的设计规范,利用结构安全时变可靠度定义,计算现役结构剩余寿命;由于评估荷载由剩余使用寿命决定,参考已有文献,利用迭代方法对评估时采用的荷载进行修正,可以近似计算。 6.对现役受损伤结构的维修特点及其优化决策方法进行了初步的理论性探讨,首次提出了基于可靠度理论的现役框架结构的维修设计方法。 该方法以当时实测的结构材料强度和构件截面尺寸为依据,根据结构体系、结构失效模式和结构构件三者失效概率的相互关系,直接对结构体系抗力进行调整,对结构体系可靠度进行合理分配和调整。因此,可以对结构维修可靠度目标值直接进行设计计算,简单实用,对于现役结构的可靠度评估及维修决策,具有一定的参考价值。本文所提出的现役结构可靠度的维修设计计算方法,物理概念清晰,克服了调整过程中的盲目性,适用于一般的建筑结构维修工作。 最后,对本文的研究内容进行了概括、总结,展望了本研究课题广阔的发展前景。
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