后续使用年限对既有建筑安全性鉴定的影响_叶旻笺.pdf

Architectural and Structural Design建筑与结构设计1引言GB 502922015民用建筑可靠性鉴定标准1（以下简称民建可靠）作为既有建筑安全性检测鉴定评定的重要依据之一，其规定构件承载能力评定是结构安全鉴定评级中第一层级，将抗力作用效应比R/(0S)的大小作为评定构件安全性等级的依据（其中，R为结构构件的抗力；S为结构构件的作用效应；0为结构重要性系数），评定结果分为au级、bu级、cu级和du级4个等级。其中民建可靠第5.2.2条规定，结构规定抗力作用效应比中抗力及荷载效应均按现行设计规范执行，但由于现行规范中各类参数如荷载分项系数、活载标准值等明显提高，造成既有结构安全性鉴定结果较差，多数构件评级为cu级甚至du级，而根据现场调查情况，构件仍处于正常使用状态，对鉴定工作造成困惑。2022年4月1日开始执行的GB 550212021既有建筑鉴定与加固通用规范2在既有结构安全性检测鉴定要求中，对既有结构的安全鉴定提出剩余设计工作年限的条件，其中对既有建筑在进行结构安全鉴定时，在明确后续使用年限的同时，应按不低于原建造时的荷载规范和设计规范进行验算，即安全性鉴定设置了不低于原设计规范的底线。但在实际检测鉴定工作中，后续使用年限确定在时间边界存在一定交叉，不同后续使用年限建筑在地震力计算方式上存在差异，给结后续使用年限对既有建筑安全性鉴定的影响The Influence of Continuous Working Life on theSafety Appraisal of Existing Structure叶旻笺1，王梁亚1，吕源芳2（1.中冶建筑研究总院（上海）有限公司，上海 200433；2.兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500）YE Min-jian1,WANG Liang-ya1,LV Yuan-fang2(1.Central Research Institute of Building and Construction(Shanghai)Co.Ltd.,MCC Group,Shanghai 200433,China;2.Yankuang Energy Group Company Limited,Zoucheng 273500,China)【摘要】现行可靠性标准未规定后续使用年限低于基准期 50 年时的可靠指标，按此计算得到的构件安全性评级偏保守。论文根据不同后续使用年限下的失效概率不变的原则，得到对应不同后续使用年限的可靠指标，以及构件安全性分级所对应的可靠指标，并通过算例验证。【A b s t r a c t】Thecurrentstandardofreliabilitydoesnotspecifythereliabilityindexwhenthecontinuousworkinglifeislessthan50yearsfromdesignreferenceperiod,theclassificationofappraisalofsafetywhichbasedonreliabilityindexisconservative.Thereliabilityindexofdifferentcontinuous working life is calculated by the principle of constant failure probability in this paper,the reliability index is also gained which iscorrespondingtosafetyclassification,andtheresultisverifiedbyanexample.【关键词】可靠性；失效概率；后续使用年限；既有建筑；实用分析法【K e y w o r d s】reliability;failureprobability;continuousworkinglife;existingstructure;practiseanalysismethod【中图分类号】TU311.2【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）03-0027-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.03.007【作者简介】叶旻笺（1989），男，上海人，工程师，从事建筑结构检测鉴定研究。27Construction&DesignForProject工程建设与设计构验算分析增加了复杂性。因此，针对上述问题，本文依据GB 500232009建筑抗震鉴定标准3及GB 500682018建筑结构可靠性设计统一标准4等规范标准，结合GB550212021既有建筑鉴定与加固通用规范对不同分类的建筑的地震作用折减要求，对于既有建筑根据后续使用年限的不同，分析得出不同的可靠性或失效概率。2不同后续使用年限下的可靠指标2.1失效概率与可靠指标的关系结构安全的影响因素为R和S，可采用状态函数Z=R-S来描述结构的安全状态。当Z=0时，认为结构处于极限状态，可以衡量结构是否失效，那么结构的失效概率Pf可以描述为：Pf=P（Z0）（1）式中，P为结构处于失效状态的概率。因为一般抗力R和荷载作用效应S服从正态分布，那么状态函数Z也服从正态分布，随机变量Z的分布如图1所示，失效概率等于图1中阴影部分的面积。将图1中0到mZ的距离可以表示为可靠指标与标准差Z的乘积，很明显可以看出，失效概率与可靠指标存在一一对应的关系，此时失效概率Pf为：Pf=0-12Zexp-（Z-mZ）322ZdZ（2）式中，mZ为状态函数Z的平均值；Z为状态函数Z的标准差。f（Z）PfzmzZ图 1随机变量 Z 的概率密度函数根据文献5，将失效概率变化为标准化正态分布函数：Pf=-mZZ-12exp-t22 dt=（-mZZ）（3）式中，（）为标准正态分布函数。根据图1中可靠指标的定义和式（3），可以得到失效概率与可靠指标的函数关系：=-1（Pf）（4）式中，-1（）为标准正态分布函数的反函数。2.2等失效概率的原则GB 500682018建筑结构可靠性设计统一标准给出了设计基准期50年时的可靠指标及失效概率，但未给出其他设计基准期下的可靠指标，如何考虑结构服役过程中的可靠度时变效应，是确定不同使用年限下的可靠指标是安全鉴定的关键。文献6分析了JCSS概率模式规范中的年允许失效概率，通过将JCSS模式规范的年允许失效概率换算为50年使用年限的累积失效概率，其结果基本与我国统一标准中50年基准期失效概率相同。按照不同后续使用年限下的失效概率与现行统一标准规定的失效概率相等的原则，就可以获得对应于不同后续使用年限的年失效概率，并由此确定考虑时变效应的可靠指标。不考虑抗力衰减的情况下，累积失效概率与使用年限成正比。根据上述假定，不同后续使用年限的失效概率增长线如图2所示。图 2失效概率增长线Pf，t（T）表示基准期为t年时，使用T年的失效概率。由此可以确定，后续使用年限为30年、40年和50年的失效概率随时间变化的直线，将3个基准期下的失效概率换算到同一个时间维度（50年），可得30年、40年后续使用年限的失效概率，按式（4）计算，可得到对应的可靠指标。28Architectural and Structural Design建筑与结构设计根 据GB 500682018建 筑 结 构 可 靠性设 计统 一 标准，50年基准期、安全等级为二级时，延性破坏可靠指标为3.2，脆性破坏可靠指标为3.7。根据图2及式（5），运用等失效概率的原则可以得到30年、40年后续使用年限对应于50年基准期的失效概率及可靠指标（图2中B点、C点），结果见表1。Pf，t（50）=Pf，50（50）50t（5）表 1不同后续使用年限的失效概率及可靠指标后续年限/a延性破坏脆性破坏PfPf3040500.001 150.000 8590.000 693.053.143.203.573.643.700.000 1800.000 1350.000 112.3不同后续使用年限下的构件安全性分级民建可靠将构件安全性按承载能力分为4级：au级下限可靠指标大于或等于现行规范要求，即0，表征为抗力作用效应比R/（0S）大于或等于1；bu级的下限可靠指标为0-0.25，大致相当于失效概率上升半个数量级，表征为抗力作用效应比R/（0S）大于或等于0.95；cu级的下限可靠指标为0-0.5，表征为抗力作用效应比R/（0S）大于或等于0.9；du级的可靠指标0-0.5，表征为抗力作用效应比R/（0S）小于0.9。参照现行鉴定标准，可将不同年限下的构件安全性按照t、t-0.25、t-0.5为界限分成au级、bu级、cu级和du级4个等级，可在表1的基础上扩充为不同后续使用年限下的各分级界限对应的可靠指标和失效概率，如表2所示。3算例根据表2得到的不同后续使用年限下的可靠指标采用实用分析法计算，可以判断具体构件不同使用年限下的安全性鉴定分级。实用分析法的原理见文献7，本文不再赘述，以下将通过一个算例验证构件安全性的分级。假设混凝土简支梁安全等级为二级，恒载作用下的弯矩标准值Gk=50 kNm，活载作用下的弯矩标准值Qk=50 kNm，截面抗力为Rk=122.2 kNm。恒载为标准正态分布，活载为极值型分布，截面抗力R为对数正态分布。则构件的极限状态为：g（R，Gk，Qk）=R-G-Q=RRk-1.2Gk-1.4Qk=0（6）式中，R为抗力分项系数。根据建筑结构设计统一标准8钢筋混凝土受弯构件的统计参数，截面抗力R的变异系数VR=0.10，平均值与标准值的比值KR=1.13；根据文献9恒载的变异系数VG=0.070，平均值与标准值的比值KG=1.060，活载的变异系数VQ=0.233，平均值与标准值的比值KQ=0.524。后续使用年限为50年时，根据表2按照延性破坏，au与bu界限的可靠指标为3.2，失效概率为0.000 69。以下按照实用分析法求Rk与R：k=ln（1+V2R）=0.009 95（7）-R=1-exp（-k-k/2）VR=2.769（8）+G=0=3.2（9）+Q=-ln-ln（Pf）+0.57721.2825=5.228（10）R=-R0VRmR=0.086 5mR（11）G=+G0VGKGGk=3.71（12）Q=+Q0VQKQQk=9.974（13）0=3.2=mR-mG-mQR+G+Q（14）表 2按构件安全分级的失效概率及可靠指标分级界限延性破坏脆性破坏au与 bu界限bu与 cu界限cu与 du界限au与 bu界限bu与 cu界限cu与 du界限可靠指标50 年40 年30 年3.23.143.052.952.892.802.72.642.553.73.643.573.453.393.323.23.143.07失效概率50 年40 年30 年0.000 690.000 860.001 150.001 590.001 960.002 560.003 470.004 210.005 390.000 110.000 130.000 180.000 280.000 350.000 450.000 690.000 840.001 0829Construction&DesignForProject工程建设与设计【收稿日期】2022-05-06将式（11）式（13）代入式（14），可得关于mR的一元二次方程，解方程可得mR=128.44 kNm。由mR的值可计算得到Rk=mR/KR=113.66 kNm，R=1.14。同上步骤可求出不同可靠指标下的抗力作用效应比，结果列于表3。表3中的50年后续使用年限的抗力荷载效应比基本符合民建可靠，bu与cu界限、cu与du界限的R/（0S）均比规范略高，计算偏于安全。表 3不同后续使用年限的构件安全性分级后续使用年限/a抗力荷载效应比aubucudu5040301.000.990.970.961.000.950.990.930.970.920.960.910.