混凝土结构可靠性非线性未确知分析.pdf

2 0 1 2年 第 4期 总 第 2 7 0期 Nu mb e r 4 in 2 0 1 2 T o t a l No ． 2 7 0 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEoRETI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 4 ． 0 0 8 混凝土结构可靠性非线性未确知分析 吉龙华 山西工程职业技术学院，山西 太原 0 3 0 0 0 9 摘要 混凝土结构是一个多层次、 多因素、 多功能、 多目标的相互联系、 相互制约的系统， 具有明显的不确定和非线性特征 ， 是一个复杂 的动态系统 。 根据此特征 ， 提 出了利用未确知测度分析法来评估其可靠性的新方法 。 结合混凝土结构可靠性评估特点 ， 应用未确知测 度 、 置 信度的概念， 得到的评估结果能够客观全面地反映结构可靠性。 通过工程实例分析， 将评价结果与实际鉴定结果对比， 结果显示此方法简 单、 准确、 实用， 是混凝土结构综合评价的一个新途径。 关键词 混凝土；可靠性；未确知测度分析法；等级评估 ； 建筑施工 中图分类号 T U5 2 8 ． 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 0 2 1 0 3 St r uc t ur a l r e l i a bi l it y of c onc r e t e bui l di ng ba s ed on nonl i ne ar una s c eai ne d ma t hema t i c s J I Lo n g - h u a S h a n x i E n g i n e e ri n g Vo c a t i o n a l C o l l e g e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a ct T h e c o n c r e t e s t r u c t u r e i s a s y s t e m o f c o n n e c t i n g a n d r e s t r i c t i n g e a c h o the r o f a mu l t i - l e v e l ， mu l t i f a c t 0 r ， mu l t i ． fu n c t i o n a l a n d mu 1 ． t i g o a 1 ． I t h a s o b vi o u s n o n l i n e a r c h a r a c t e ris t i c s a n d i s a t y pi c a l dy n a mi c s y s t e m． Ac c o r ding t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s ， the u n a s c e r t a i n e d ma t h e ma t i c a p ． p r o a c h i s p u t f o r wa r d t o a s s e s s bu i l d i n g c o n s t r u c t i o n r e l i a b i l i t y a s a n e w me thod ．Th e nn a s c e r t a i n e d me a s u r e mo de l a n d the i n c r e dib l e d e g r e e we r e a p p l i e d t o e s t a b l i s h a mo d e l o f e v a l u a t i n g o f s t r u c t u r e r e l i a b i l i t y b a s e d o n nna s c e r t a i n e d me a s u r i n g ．T h r o u g h the a n a l y s i s o f p r o j e c t i n s t anc e s ． the a p p r a i s e d r e s ul t s wi l l b e c o mpa r e d wi th t h e a c t u a l l y d e t e r mi n e d o n e s ， the r e s u l t s h o ws t h i s me tho d i s s i mp l e， a c c ura t e ， p r a c t i c a l and a n e w wa y o n c o mpr e h e n s i v e s a p p rai s al o ft h e b ui l d i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Ke y WOr ds c o nc r e t e ； r e l i a b i l i t y； u n a s c e r t a i n e d ma the mi c； r a n k e v alu a t i o n； b u i l d i ng c o n s t r u c t i o n 0 引言 由于工程混凝土结构一般具有很高的冗余度， 失效模式多， 且失效模式之间的相关性复杂。 对于既有结构 ， 因为要考虑各失 效模式在已经历的荷载历史中的表现既验证模式问题 ， 使得实 效概率的计算更复杂 。 既有结构可靠性评估的理论基础是结 构体系可靠性理论 ， 主要包括 寻找和构建结构体系主要失效 模式； 根据失效模式的极限状态方程计算模式失效概率 ； 由主 要失效模式的模式失效概率计算体系的失效概率。 目前 ， 通过评级进行结构体系的可靠性评估不失为一种 实用可行的方法。 然而， 现有的评级方法没有考虑不同构件对 结构体系可靠性的不同影响， 评定结果往往和实际情况有一 定差距 ； 且对于复杂结构 ， 现有方法不易操作 ， 在实际工程中 较难应用 。 混凝土结构的可靠性评估长时间以来使用的是传统经验 法， 随着检测技术的发展 ， 在传统经验法基础上 ， 又发展 出利 用现代检测技术获取各种结构信息的实用鉴定法 。 该方法不 定时的主观性。 为了统一鉴定的操作和鉴定人的评判尺度 ， 我 国已颁布了一系列用于房屋结构鉴定的规程和标准。 近年来 ， 依据结构可靠性设计理论， 用结构失效概率来衡量结构可靠程 度 的概率法也在探索中。 在结构系统中有些界限标准带有很 大的模糊性 ， 导致在对结构体系进行可靠性评估时， 由于无法 直接估计系统的可靠度， 而采用等级评定 ， 将系统的可靠性分 为若干等级。 本研究运用未确知测度评价模型， 结合混凝土工程结构可 靠性评估的特点， 根据已建立的工程结构可靠性的4个状态等 级 ， 构造结构可靠性状态评估的未确知测度模型 ， 从而合理准 确地确定混凝土工程结构的可靠性状态等级。 1 混凝土 结构可靠性状况的影响指标体 系及 评 价 标 准 文献[ 7 9 ] 从 3个方面选取指标， 混凝土结构 自身抗力条 件 板、 柱、 主梁、 次梁、 墙体； 外界荷载状况 风荷载、 雪荷载 、 地 震作用 、 自重 ； 其他因素 结构设计水平、 工程施工水平、 地基及 再倚重个人的作用 ， 而利用检测数据进行辅助判断， 减少了鉴 周围设施状况。 某混凝土工程具体相关取值见表 1 。 表 1 混凝土结构可靠性状况的影响指标体系 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 - 2 6 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 文献【 9 】 选取 的影响指标有 结构失效准则 、 荷载作用效 应、 抗力指标 、 结构分析理论的不完善性 以及 自然或人为因素 的影响等 。 以通用性 、 协调性 、 综合性 、 客观性和实用性为原 则 ， 通过调查研究， 确定影响混凝土结构可靠性的因素为 抗 力 ／ 荷载效应 比 Y 。 ， 已使用年数 Y ／ 5 0 y ， 变形及外观评 定 ， 裂缝 1 ， ， 构造和连接 Y ， 环境因素 y ， 混凝土碳 化深度 D ／ 5 0 y ， 将上述影响评价指标 因素划分为 一级 、 二级， 三级和四级。 指标分级标准以实际值的高价标准或国外 城市达到的平均水平为参考上限 一级 ， 以国内城市现状平 均水平为参考中间值 三级 ， 其余 内插或外推确定。 具体分级 评定标准见表 2 。 表 2 评 价指标分级及标准 2 未确知测度计算理论 设 ⋯， 是 17 , 个对象， 即指标空间 扛。 ， ⋯ ， } ， 每个评价对象有 m个单向评价指标空间， 即卢{ ， l ， 2 ， ⋯， ， n ， 则 鼍可表示为一个 m维向量 x - { x ⋯ } 。 对 她有P个评价 等级 ， 评价等级空间 { c ， ， ⋯， c D } ， 其中 c k 表示第 k个评 价等级 ， 设 k级比k l 级强， 级 C ， 则称{ c 。 ， ， ⋯， 为评 价空间 上的一个有序分割类[ 1 1 - 13 I 。 2 ． I 单指标未确知测度 设 -- - g x ∈C k 表示测量值 ‰属于第 k个评价等级 的 程度， 要求 满足 0 z x ∈G k ≤1 1 ， 2 ， ⋯ ， n ；j l ， 2 ， ⋯， m； k l ， 2 ， ⋯， p 1 ‰∈ 1 1 ， 2 ， ⋯ ， n ；j l ， 2 ， ⋯， m 2 蛳 ∈ 1_ ∑ ∈ G 1 ， 2 ， ⋯ ，p 3 其中式 2 称为 对评价空间 U满足“ 归一性” ， 式 3 称为 对评价空间 ‘ 可加性” 。 满足式 1 、 2 、 3 的称为 未确知 测度 U n c e r t a i n t y Me a s u r e ， 简称测度 ” 1 。 称矩阵 为单指标测度评价矩阵， 且有 -肫t ⋯ 胁 ] 。 。 l 4 ． J 在构建单指标测度评价矩阵时， 首先要构建单指标测度函 数， 目前， 单指标测度函数的构建方法主要有直线型、 指数型、 抛物线型、 正弦型等。 不管采用什么形式的模拟函数， “ 非负、 归 一 、可加” 的限制条件是必须被满足的。 2 ． 2指 标权 重 的确定 设 0 - c ⋯ C p ， 引入置信度识别准则， 设 A为置信度 A≥ f p 、 0 ．5 ， 通 常 取A o ．6 或o ．7 ， k 0 m i n { k ∑ ≥ A ， 1 ≤ z ≤ ， 则 认 、 f l 为 耘属于 c 。 3 应 用 实例 参考文献【 8 1 1 】 ， 确定 5个聚类对象， 均为混凝土钢结构 自贡 1 0 1 厂房 A1 ， 华安机械厂 2 l 1 2厂房 A 2 ， 贵 阳钢厂炼 钢分厂冶炼跨厂房 A3 ， 某新建新厂 1 A 4 ， 鄂钢一 炼钢主厂房 A 5 。 其实际评估数据样本如表 3 。 采用本方法进行研究 ， 同时 列出实测的评价结果 ， 可见评价结果吻合较好 ， 说明建立的模 型是合理可靠的。 表 3 实际混凝土钢结构 的评价样本及分析结果 4结 论 1 影响混凝土结构可靠性的因素极其复杂多样 ， 既有形 变因素又有力学因素 ， 针对目前对建筑物结构可靠性评价和分 析采用的理论方法存在的缺点和不足， 运用未确知测度评价模 型对建筑物结构可靠性进行了评判。 2 根据混凝土结构可靠性的影响因素和分级标准， 运用 未确知测度理论建立了建筑物结构可靠性的未确知测度函数， 利用信息熵权理论计算各指标的权重， 按照置信度识别准则建 筑物结构可靠性进行了评价。 3 实例分析表明， 未确知测度评价模型更加科学客观合 理 ， 为混凝土结构可靠|f 生 评价提供了一种新思路。 参 考文献 [ 1 】G HO B A B A HA， S A I D A ． S h e a r s t r e n g t h e n i n g o f b e a m- c o l u m n j o i n t s [ J ] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 2 4 8 8 1 8 8 8 ． [ 2 1 HA D I MN S ．B e h a v i o r o f F R P s t r e n gth e n e d c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r e c c e n - t ri c c o m p r e s s i o n l o a d i n g [ J ] ．C o m p o s i t e S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 7 7 1 9 2 - 9 6 ． 【 3 ] 刘瑛， 赵金先， 荣强． 湿式外包钢加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研 究 世界地震工程， 2 0 0 4 ， 2 0 1 1 0 5 1 1 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 【 4 】 赵国藩， 金伟良， 贡金鑫． 结构可靠度理论[ M ] E 京 中国建筑工业出 版社， 2 0 0 0 1 - 1 0 ． 【 5 】王黎怡 ， 林江． 混凝土结构可靠性的模糊评价模型[ M ] ． 福建工程学院 学报， 2 0 0 5 ， 3 3 2 5 5 2 7 1 ． [ 6 ]唐业清 E 京 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 1 2 3 5 -3l 7 ． 【 7 】 焦利军 ， 李军． 基于未确知数学理论的混凝土结构可靠性分析[ J J _ 河 北工程大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 7 2 2 2 2 9 ． 【 8 】 姚继涛 ， 马永欣 ， 董振平， 等． 建筑物可靠性鉴定和加固基本原 理和方法[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 3 5 0 2 6 5 ． [ 9 ]张宽权． 自贡 1 0 1 厂房可靠性鉴定与加固【 J 】 ． 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 0。 2 6 4 1 6 1 8 ． 上接第 8页 图4清楚地显示了P V A纤维表面和根部上积聚了大量的 水化产物， 断裂面上的 P VA纤维表面残留着大量的水化产物， 说明纤维与水化产物的黏结性良好 ， 足以证明在硬化后的水泥 基体中， 纤维与水泥基体之间可形成良好的黏结力 ， 使纤维与 基体形成整体， 对增强纤维混凝土的力学性能更有利。 图 5显示了P P纤维的表面几乎没有水泥的水化产物， 说 明其与水泥基体之间的黏结性能很弱 ， 同时发现纤维根部与水 泥浆体存在间隙， 说明二者之间有脱黏现象 ， 不利于增强混凝 土力学性能， 也影响到混凝土的耐久性能。 4 P vA纤维抑 制混凝土 凝缩 的机理 P V A纤维掺入后， 相对增加了混凝土稠度 ， 抑制了集料下 沉 。 P VA纤维可 以在混凝土 中可形成网状结构 ， 当集料颗粒下沉 时， 纤维形成的网状结构可以对其起到阻碍作用 见图 6 。 钢纤 维在混凝土基体中起到乱向支撑的作用， 抑制集料颗粒的下沉， 减少混凝土泌水 ； 而聚丙烯纤维是柔性的， 在一定程度上增加 了混凝土的稠度和黏性， 抑制了集料的下沉运动【 l2 】 。 P V A纤维 不同于钢纤维与聚丙烯纤维 ， 属于柔性合成纤维 ， 掺人后不仅 提高了 P V A纤维混凝土中基体的黏性与稠度， 阻碍集料的下沉， 且 由于它 良好的亲水性， 与胶凝材料的黏结力强 ， 当集料的下 沉引起浆体的流动时， 贯穿其中的无数 P VA纤维与浆体的互相 牵扯 ， 抑制了浆体的流动性， 限制了置于其中的集料的运动。 5结论 图 6 P VA纤维抑制混凝土凝缩模型 P VA纤维可显著减少混凝土的凝缩值 ， 纤维掺量增加到 0 ． 9 k g ／ m3 后再提高 P VA纤维掺量对凝缩的减少并不明显。 P VA纤维对凝缩值的改善与其亲水性有密切关系， P V A纤 [ 1 0 ] 王风来 ， 唐岱新， 潘景龙． 华安机械厂 2 1 1 2 厂房结构可靠性鉴定及 加固[ J ] ．哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 0 ， 3 3 2 1 2 5 1 2 8 ． 【 1 1 】 董陇军， 李夕兵， 宫凤强．膨胀土胀缩等级分类的未确知均值聚类方 法及应用『 J 1 _ 中南大学学报 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 9 5 1 0 7 5 1 0 8 0 ． [ 1 2 】 董陇军， 赵国彦． 未确知均值分级方法及在回采巷道围岩分类中的 应用f J ] ． 解放军理工大学学报， 2 0 0 9 ， 1 0 6 5 7 5 5 7 9 ． 【 1 3 ] 万正义． 混凝土抗渗性能预测的未确知判别分析模型 混凝土， 2 0 1 1 7 3 9 4 0 。 5 2 ． 作者简介 吉龙华 1 9 7 6 - ， 女， 讲师， 硕士研究生， 研究方向 建筑构造。 联系地址 太原市新建路山西工程职业技术学院建工系 0 3 0 0 0 9 联 系电话 1 5 6 9 8 5 5 2 7 2 6 维中的亲水性基团 一 OH 与水泥基体之间的有良好黏结性能。 P V A纤维在混凝土中分散后形成网状结构， 增加了混凝土 的稠度， 抑制了胶凝材料中集料的下沉和浆体的上升 ， 减少了 混凝土 的凝缩 。 参考文献 [ 1 】邓宗才．高性能合成纤维混凝土【 M] _ ] 京 科学出版社， 2 0 0 3 ． 【 2 】2 吴中伟．纤维增强一水泥基材料的未来【J 1 ． 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 1 5 - 6 ． [ 3 ]G A O P W．E ff e c t s o f f l y a s h o n t h e p r o p e r t i e s of e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y d a m c o n c r e t e ]J ] ． F u e l ， 2 0 0 7 ， 8 6 7 8 1 2 0 8 1 2 1 1 ． f 4 ] 王海波．聚乙烯醇纤维 维纶 增强砂浆性能的研究【 D 】 - ] E 京 北京工 业大学， 2 0 0 3 ． 【 5 】P AD R ON I ， Z OL L O F ． E f f e c t of s y n t h e t i c fi b e r s o n v o l u me s t a b i l i t y a n d c r a c k i n g of P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a n d mo rt a r ] J ] ． A C I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 5 4 3 2 7 3 3 2 ． [ 6 】 王晓刚， 毛新奇， 赵铁军． 聚乙烯醇纤维水泥基复合材料[ J ] ． 青岛建筑 工程学院学报， 2 0 0 4 ， 2 5 4 2 8 3 1 ． ‘ 【 7 】K I M J H， R OB E R T S O N R E ． S t r u c t u r e a n d p r o p e rt i e s O f p o l y v i n y l a l e o h o 1 - mo d ifi e d m o r t ar and c o n c r e t e ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 2 9 4 0 7 4 1 5 ． 【 8 ]S A L A H A A， D A V I D A L ． S h ri n k a g e a n d c r a c k i n g of r e s t r a i n e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e [ J ] ．AC I Ma t e ri a l s J o u rna l ， 2 0 0 1 ， 9 8 4 3 2 3 3 3 1 ． [ 9 ]9 高培伟 ， 唐明述． 膨胀剂对混凝土变形性能的影响[ J ] ． 南京航空航天 大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 2 2 5 1 ． 【 1 0 ] S WA MY R N ． D e f o r ma t i o n a n d u l t i ma t e s t r e n g t h i n fl e x u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s ma d e w i t h s t e e l fi b e r c o n c r e t e [ J ] ．A C I J o u ma l ， P r o - c e e d i n g s ， 1 9 8 1 5 7 8 ． 【 1 1 ] 高培伟． 纤维增强混凝土的强度与韧性硼． 材料科学与工程， 1 9 9 0 1 1 8 2 1 ． 【 1 2 ] 林晖．掺 P V A纤维混凝土的力学及变形性能研究[ D 】 ． 南京 南京航空 航天大学， 2 0 0 6 ． 作者简介 联 系地 址 联 系电话 沈化荣 1 9 6 5 一 ， 女 ， 副教授， 硕士， 研究方向 建筑材料。 江苏省淮安市北京北路 8 9 号 淮阴工学院建筑工程学院 土木系 2 2 3 0 0 1 一 l 3 8 61 5 7 5 5 6 8 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m