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【摘 要】 现有的砼结构及既有的结构性能存在着不同的损伤或缺陷，本文对结构性能检验方法应用于既有砼结构件的可靠性评定中。从概率角度对既有砼结构构件的可靠性进行分析。
【关键词】 混凝土结构；荷载值；可靠性指标；抗裂性
【中图分类号】 TU528.56 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）01-028-02
处在大气环境中使用的砼结构件，既有结构的性能存在着不同的损伤或缺陷，因此人们也越来越关注这些工程的现状和今后的可靠性。现在评定砼结构性能的基本方法是通过充分的荷载试验，即是将试验一直进行到构件完全丧失承载力为止，从而获得结构或构件在承载力、变形、抗裂以及裂缝宽度等方面的实测数据，并同国家的标准规定相比较。将破坏性试验作为研究主要是预制砼构件质量检验评定标准中，对结构性能检验方法应用于既有砼结构件的可靠性评定中。由于可能损害既有砼结构件的性能，而且在试验过程中存在一定安全风险，试验将以正常使用极限状态下的挠度以及抗裂度为例，从概率角度对既有砼结构构件的可靠性进行分析。
1 采取荷载值的选取
按照现行的砼设计规范GB50010-2002的规定，对于正常使用极限状态时，结构构件应分别按荷载效应的标准组合、准永久组合以及荷载效应的标准组合，并考虑长期作用的影响进行验算，并以变形、裂缝等计算值不超过规范规定的限制。由于作研究性试验并不一定是某一具体的荷载情况来设计试验结构构件，因此不会象检验性试验一样，直接根据荷载的标准值来确定荷载标准组合设计值Sc，然后再按试验加载要求换算为结构构件的使用状态短期试验荷载值。
对于研究性试验，往往是己知钢筋和砼材料的实际测试强度、结构构件的截面几何尺寸实测值及实际配筋率等情况，因此应根据结构构件的这些实际参数反求正常使用极限状态标准组合内力计算值Ssc，然后再根据结构构件截面上这个的内力计算值和试验加载要求来确定结构构件的使用状态试验荷载值。而对于既有结构由于材料的实测强度、截面几何尺寸、配筋等情况是己知的，因此可以参照研究性试验方法来确定结构构件的使用状态试验检验值。检验前对样本进行分析，主要是对结构抗力、荷载效应中变量的统计结果，再结合预制砼构件质量检验评定标准中的结构性能检验方法，对既有砼结构的性能做出评定。
2 可靠性指标的计算
２．１ 挠度指标的计算，按照现行的预制砼构件质量检验评定标准GBJ321-90的规定，对于受弯构件变形的评定指标是允许挠度值，符合下式的要求:
aso≤[as] (1)
式中:aso--荷载检查值下实测的挠度；
[as]--荷载标准组合下的挠度限值。
对于正常使用极限状态方程的建立与承载能力极限状态方程相似，其表达如下:
Z=R-S=0 (2)
式中:Z--砼构件的功能函数;
R--砼构件抗力：包括强度、刚度、抗裂及裂缝宽度;
S--砼构件的广义荷载效应。
当Z>0，即抗力R大于效应S时，砼构件处于可靠状态，反之则处于失效状态。当Z>0时，即抗力R大于效应S时，砼构件处于正常使用极限状态。对于构件试验的评定，在试验过程中已经消除了众多不确定因素，只需要确定荷载检验值与实际所承受荷载之间的关系，因此建立对于构件性能试验挠度的极限状态方程，可以通过荷载检验值与实际所承受荷载的关系来确定，极限状态方程表达如下式:
SGK+SQK-SG-SQ=0 (3)
其中:R=SGK+SQK 为常量:S= SG-SQ
按照设计规范构件的可靠度指标与可变荷载和永久荷载标准值的比值p有关。在建筑结构中p通常取0.1，0.25，0.5，1.0和2.0。永久荷载效应SG，可变荷载效应SQ为随机变量。其中SG=KGSGK，SQ=KGSQK。随机量变的分布类型和统计参数见表1。
由于新规范对活荷载的取值作了调整，所以表1中活荷载的统计参数的值受影响。主要是办公和住宅楼的活荷载的标准值由过去的1.5kN/m2提高到2.0kN/m2。所以统计参数均值系数(即实测值的平均值与标准值之比) 会受到影响。由于活荷载的标准值的提高对变异系数的影响不大，因而变异系数仍然采用过去的结果。对于恒载由于缺乏系统的统计资料，对恒载的统计资料KQ的均值和变异系数仍然采用过去的结果进行取值。对表1修改见表2。
按照表2的统计参数，用JC法分别计算构件在不同p值下的正常使用极限状态下挠度的可靠指标β。
通过以住宅实例计算其极限状态方程为:
SGK+SQK-SG-SQ=0 (4)
活荷载的标准值取调整后的2.0kN/m2。当p=0.5时则SGK=2.0/0.5=4.0kN/m2。且恒载服从正态分布。
R滋SG=SGKx1.06=4.24 σSQ=SGx0.07=0.296 8
活荷载服从极值I型分布:R滋SG=SGKx0.643 9=1.287 8 σSQ=SQx0.232 6=0.299 5
因为恒载是正态变量，不考虑抗力变化，看作常量。而活荷载是非正态变量，极限状态方程为线性方程，应对非正态变量进行当量正态化。根据JC法得到p=0.5时的正常使用极限状态下挠度的计算结果β为1.226。同理可以计算出不同p值的可靠性指标。最后得到办公楼正常使用极限状态下挠度的指标均值β为1.02，住宅的可靠指标β为1.38。
２．２ 抗裂可靠指标的计算。按照现行的预制砼构件质量检验评定标准GBJ321-90的规定，对砼的抗裂性能评定，规定以抗裂检验系数γCr为检验指标，要满足下式要求:
γCro=Scro/Ss≥[γCr] (5)
式中: γCro--构件抗裂检验系数实测值；
Scro--构件开裂内力实测值；
Ss--荷载效应的标准组合；
[γCr]--抗裂检验系数容许值。
常使用极限状态下抗裂的极限状态方程的建立同挠度、 及极限方程为:
[γCr] Ss-SG-SQ=0 (6)
试验以预应力构件为例，其正截面抗裂检验系数允许值[[γCr] 见表3。
表中根据抗裂检验的极限状态方程(6)，并参照正常使用极限状态挠度的计算方法，得出的抗裂可靠指标及失效概率。
3 对计算结果分析
３．１ 挠度计算结果，对挠度计算结果表明，由于住宅的活荷载比办公楼高，且变异系数比办公楼较小，算出的可靠性指标也小，这是符合规律的。统计的变量稳定程度越大，对结构件的评定结果就越肯定，在取值时可以适当降低可靠指标，反之则相反。根据建筑结构可靠度统一标准确定的正常使用状态的可靠性指标β对可逆状态时取0，不可逆状时取1.5。在正常使用极限状态控制设计的条件下，其可靠指标在0.8～1.9之间，相应的失效概率在5～25%之间，其平均可靠指标在1.2左右。通过试验的计算结果平均可靠指标在1.20，失效概率为15%左右。从结果分析基本上是合理的。从计算过程分析可知p对可靠指标的影响是比较大，也即是活荷载所占比例对可靠指标的影响是最重要的因素。β值越大表示活荷载的比例越大，也就是不确定的因素越大，可靠指标的取值相应的也大，是同实际相符的。
３．２ 抗裂计算结果分析。对于抗裂计算结果分析表明：由于[γCr] 的不同，会导致可靠指标β的不同，对一级或重级的构件对应的抗裂检验系数取值较大，对应的可靠指标相应的比二级及中级的可靠指标高。按照上述计算结果来看，对于办公楼的可靠指标要求要高于住宅的要求，分析原因同挠度相似。
根据分析结果一级抗裂评定可靠指标的均值为3.8，对应的失效概率大约为0.03%；对于二级抗裂评定可靠指标的均值为3.0，对应的失效概率大约为0.44%。对抗裂的评定指标远高于正常使用状态下裂缝的评定指标，这一点在设计时应引起重视。在正常情况下构件主要由承载力极限状态来控制设计的，是在构件设计中一般不会达到正常使用极限状态。从而抗裂可靠指标的计算结果分析，有些可靠指标可能会高于承载力极限状态所控制的结果。因此，对预应力构件设计时，尤其对于一级的构件在设计时应重点考虑安全性能。
参考文献
1 建筑结构可靠度设计统一标准[S]．GB50068-2001
2 史志华．钢筋砼结构构件正常使用极限状态可靠度的研究[J]．建筑
科学，2002(6)：4~11
【关键词】 混凝土结构；荷载值；可靠性指标；抗裂性
【中图分类号】 TU528.56 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）01-028-02
处在大气环境中使用的砼结构件，既有结构的性能存在着不同的损伤或缺陷，因此人们也越来越关注这些工程的现状和今后的可靠性。现在评定砼结构性能的基本方法是通过充分的荷载试验，即是将试验一直进行到构件完全丧失承载力为止，从而获得结构或构件在承载力、变形、抗裂以及裂缝宽度等方面的实测数据，并同国家的标准规定相比较。将破坏性试验作为研究主要是预制砼构件质量检验评定标准中，对结构性能检验方法应用于既有砼结构件的可靠性评定中。由于可能损害既有砼结构件的性能，而且在试验过程中存在一定安全风险，试验将以正常使用极限状态下的挠度以及抗裂度为例，从概率角度对既有砼结构构件的可靠性进行分析。
1 采取荷载值的选取
按照现行的砼设计规范GB50010-2002的规定，对于正常使用极限状态时，结构构件应分别按荷载效应的标准组合、准永久组合以及荷载效应的标准组合，并考虑长期作用的影响进行验算，并以变形、裂缝等计算值不超过规范规定的限制。由于作研究性试验并不一定是某一具体的荷载情况来设计试验结构构件，因此不会象检验性试验一样，直接根据荷载的标准值来确定荷载标准组合设计值Sc，然后再按试验加载要求换算为结构构件的使用状态短期试验荷载值。
对于研究性试验，往往是己知钢筋和砼材料的实际测试强度、结构构件的截面几何尺寸实测值及实际配筋率等情况，因此应根据结构构件的这些实际参数反求正常使用极限状态标准组合内力计算值Ssc，然后再根据结构构件截面上这个的内力计算值和试验加载要求来确定结构构件的使用状态试验荷载值。而对于既有结构由于材料的实测强度、截面几何尺寸、配筋等情况是己知的，因此可以参照研究性试验方法来确定结构构件的使用状态试验检验值。检验前对样本进行分析，主要是对结构抗力、荷载效应中变量的统计结果，再结合预制砼构件质量检验评定标准中的结构性能检验方法，对既有砼结构的性能做出评定。
2 可靠性指标的计算
２．１ 挠度指标的计算，按照现行的预制砼构件质量检验评定标准GBJ321-90的规定，对于受弯构件变形的评定指标是允许挠度值，符合下式的要求:
aso≤[as] (1)
式中:aso--荷载检查值下实测的挠度；
[as]--荷载标准组合下的挠度限值。
对于正常使用极限状态方程的建立与承载能力极限状态方程相似，其表达如下:
Z=R-S=0 (2)
式中:Z--砼构件的功能函数;
R--砼构件抗力：包括强度、刚度、抗裂及裂缝宽度;
S--砼构件的广义荷载效应。
当Z>0，即抗力R大于效应S时，砼构件处于可靠状态，反之则处于失效状态。当Z>0时，即抗力R大于效应S时，砼构件处于正常使用极限状态。对于构件试验的评定，在试验过程中已经消除了众多不确定因素，只需要确定荷载检验值与实际所承受荷载之间的关系，因此建立对于构件性能试验挠度的极限状态方程，可以通过荷载检验值与实际所承受荷载的关系来确定，极限状态方程表达如下式:
SGK+SQK-SG-SQ=0 (3)
其中:R=SGK+SQK 为常量:S= SG-SQ
按照设计规范构件的可靠度指标与可变荷载和永久荷载标准值的比值p有关。在建筑结构中p通常取0.1，0.25，0.5，1.0和2.0。永久荷载效应SG，可变荷载效应SQ为随机变量。其中SG=KGSGK，SQ=KGSQK。随机量变的分布类型和统计参数见表1。
由于新规范对活荷载的取值作了调整，所以表1中活荷载的统计参数的值受影响。主要是办公和住宅楼的活荷载的标准值由过去的1.5kN/m2提高到2.0kN/m2。所以统计参数均值系数(即实测值的平均值与标准值之比) 会受到影响。由于活荷载的标准值的提高对变异系数的影响不大，因而变异系数仍然采用过去的结果。对于恒载由于缺乏系统的统计资料，对恒载的统计资料KQ的均值和变异系数仍然采用过去的结果进行取值。对表1修改见表2。
按照表2的统计参数，用JC法分别计算构件在不同p值下的正常使用极限状态下挠度的可靠指标β。
通过以住宅实例计算其极限状态方程为:
SGK+SQK-SG-SQ=0 (4)
活荷载的标准值取调整后的2.0kN/m2。当p=0.5时则SGK=2.0/0.5=4.0kN/m2。且恒载服从正态分布。
R滋SG=SGKx1.06=4.24 σSQ=SGx0.07=0.296 8
活荷载服从极值I型分布:R滋SG=SGKx0.643 9=1.287 8 σSQ=SQx0.232 6=0.299 5
因为恒载是正态变量，不考虑抗力变化，看作常量。而活荷载是非正态变量，极限状态方程为线性方程，应对非正态变量进行当量正态化。根据JC法得到p=0.5时的正常使用极限状态下挠度的计算结果β为1.226。同理可以计算出不同p值的可靠性指标。最后得到办公楼正常使用极限状态下挠度的指标均值β为1.02，住宅的可靠指标β为1.38。
２．２ 抗裂可靠指标的计算。按照现行的预制砼构件质量检验评定标准GBJ321-90的规定，对砼的抗裂性能评定，规定以抗裂检验系数γCr为检验指标，要满足下式要求:
γCro=Scro/Ss≥[γCr] (5)
式中: γCro--构件抗裂检验系数实测值；
Scro--构件开裂内力实测值；
Ss--荷载效应的标准组合；
[γCr]--抗裂检验系数容许值。
常使用极限状态下抗裂的极限状态方程的建立同挠度、 及极限方程为:
[γCr] Ss-SG-SQ=0 (6)
试验以预应力构件为例，其正截面抗裂检验系数允许值[[γCr] 见表3。
表中根据抗裂检验的极限状态方程(6)，并参照正常使用极限状态挠度的计算方法，得出的抗裂可靠指标及失效概率。
3 对计算结果分析
３．１ 挠度计算结果，对挠度计算结果表明，由于住宅的活荷载比办公楼高，且变异系数比办公楼较小，算出的可靠性指标也小，这是符合规律的。统计的变量稳定程度越大，对结构件的评定结果就越肯定，在取值时可以适当降低可靠指标，反之则相反。根据建筑结构可靠度统一标准确定的正常使用状态的可靠性指标β对可逆状态时取0，不可逆状时取1.5。在正常使用极限状态控制设计的条件下，其可靠指标在0.8～1.9之间，相应的失效概率在5～25%之间，其平均可靠指标在1.2左右。通过试验的计算结果平均可靠指标在1.20，失效概率为15%左右。从结果分析基本上是合理的。从计算过程分析可知p对可靠指标的影响是比较大，也即是活荷载所占比例对可靠指标的影响是最重要的因素。β值越大表示活荷载的比例越大，也就是不确定的因素越大，可靠指标的取值相应的也大，是同实际相符的。
３．２ 抗裂计算结果分析。对于抗裂计算结果分析表明：由于[γCr] 的不同，会导致可靠指标β的不同，对一级或重级的构件对应的抗裂检验系数取值较大，对应的可靠指标相应的比二级及中级的可靠指标高。按照上述计算结果来看，对于办公楼的可靠指标要求要高于住宅的要求，分析原因同挠度相似。
根据分析结果一级抗裂评定可靠指标的均值为3.8，对应的失效概率大约为0.03%；对于二级抗裂评定可靠指标的均值为3.0，对应的失效概率大约为0.44%。对抗裂的评定指标远高于正常使用状态下裂缝的评定指标，这一点在设计时应引起重视。在正常情况下构件主要由承载力极限状态来控制设计的，是在构件设计中一般不会达到正常使用极限状态。从而抗裂可靠指标的计算结果分析，有些可靠指标可能会高于承载力极限状态所控制的结果。因此，对预应力构件设计时，尤其对于一级的构件在设计时应重点考虑安全性能。
参考文献
1 建筑结构可靠度设计统一标准[S]．GB50068-2001
2 史志华．钢筋砼结构构件正常使用极限状态可靠度的研究[J]．建筑
科学，2002(6)：4~11