結構整體性評估方法研究摘要：土木工程與水利工程作為與人們的生活息息相關的兩大工程，給人們帶來很多福利，但同時，某些老舊的結構物存在一定的安全隱患，因此對其定期進行安全性評估是十分必要的。其中，碼頭檢測與評估是一門新興的邊緣學科，其整體性的評估方法還不完善，十分有研究的價值。本文主要將前人對碼頭、橋梁、建筑以及大壩的評估方法進行總結與分析，以期待更好的顯現結構整體性評估的全貌。關鍵字：土木工程碼頭結構評估方法引言無論是發達的國家還是發展中的國家，結構的安全仍是二十一世紀的熱點問題。隨著時間的流逝，長期暴露在自然環境下的結構物逐漸破損，這是一個不可逆轉的過程。大量解放前的老建筑，還在繼續使用中，而且有些建筑物已經達到設計使用年限，這些潛伏的危害，如果不及時采取措施，將會釀成更大的事故。對已有的老舊結構以及因某些事故而造成破壞的結構進行安全性評價鑒定已經關系到社會經濟、安全和使用的重大問題。此問題已經到了刻不容緩的地步。近年來，不少學者對結構物的整體的評估方法進行了研究，主要是針對使用較多的碼頭、橋梁、建筑以及水利工程中較有代表性的大壩。本文對這些成果進行梳理,以期對結構物評估方法有個更全面的了解。結構整體性評估方法研究2.1碼頭建國以來，我國的國民經濟突飛猛進，這與港口建設的發展有著不可分割的關系。我國加入世貿組織后，對港口的需求量更是有增無減。然而，在我國已建的港口碼頭建筑物中，大部分已經生產運營超過了十年甚至更多，這些碼頭在自然環境或某些事故中，不可避免的發生腐蝕、老化、過載、疲勞的等一系列損傷。這些破損存在一定的安全隱患，如果不及時采取防治措施，將會帶來難以想象的經濟損失，甚至是人員傷亡。與此同時，現役的港口碼頭已不能滿足運輸生產的要求，急需吞吐能力大的碼頭。新建的碼頭能否與老舊碼頭協調滿足整體承載力的要求是碼頭設計人員十分重視的環節。因此，這些問題的解決就要對碼頭進行全面的評估，以保證對碼頭的現狀的健康狀態有個更全面的分析。碼頭的評估主要是對其可靠性進行評估，包括安全性、使用性與耐久性評估。依據《港口水工建筑物檢測評估技術規范》⑴中規定，碼頭的安全性評估以目標可靠指標B為基礎來確定分級界限，并將安全性等級分為A、B、C、D四個等級。使用性評估按正常使用極限狀態進行驗算，評估分級以現行規范規定的現值與實測值或驗算值的比值進行劃分，劃分的基本原則同安全性評估分級相似。對水工結構建筑物耐久性的評估主要針對混凝土結構、鋼結構因材料劣

化造成的損傷程度，劃分為不同的極限狀態進行評估，并考慮維修難易程度進行評估分級。《港口碼頭結構安全性檢測與評估指南》⑵中規定，結構的安全性評估主要有以下步驟：劃分評估單元、依據不同的碼頭結構型式確定驗算項目并驗算、碼頭安全性等級的確定等。其中驗算項目主要是計算結構的抗力與效應。對碼頭的安全性評估分級應從基本單元、子單元和評估單元依次進行。結構構件安全性評估應按下表規定分別驗算個驗算項目等級，取最低一級作為該構件安全性評估等級。表1結構構件安全性評估分級標準\等級構件類別'、ABCD主要構件R/S±1.000.95WR/S<1.000.90WR/S<0.95R/S<0.90一般構件R/S±1.000.90WR/S<1.000.85WR/S<0.90R/S<0.85對結構的安全性而言，主要體現在結構構件承載力的安全性、結彳dd構的整體牢固和耐久性等。混凝土結構因鋼筋銹蝕或混凝土腐蝕導致結構安全事故，日本土木工程協會混凝土結構委員會(1987)提出了混凝土結構耐久性設計方法⑶。徐云清(1997)建立了老化病害混凝土水工建筑物耐久性多層次評估模型，提出了對混凝土耐久性的評估方法——劣化速度法與劣化度法⑷。兩種方法均用耐久性系數作為其分級標準，能夠保證對同一個建筑在正常運性條件下不同時期進行評估時，其結果的一致性。劉伯清(1997)采用C語言編程和相應的開發環境，研究開發出可在基本的原始信息輸入后，自動進行評估并輸出評估結果的計算機軟件［5］，可對碼頭評估該具有整體的宏觀認識。竺存宏(2000)提出了用模糊數學理論對海港高樁碼頭的可靠度進行評估［6］，并結合工程實例，得出該方法對結構整體的綜合評價與現場調查情況基本一致的結論。該方法中最重要的是建立模糊數學評估模型，建立因素集與評判集，采用加權平均法確定各因素的權重。基于層次分析法，對各類構件進行單層綜合評估及碼頭結構整體雙層評判，雙層評判可按下述步驟：①將因素集U按某一屬性分成S個子集；②對子集Ui進行綜合評判，設相應的因素權集為A,某單因素的評價矩陣為R，則V=A?R:③iiiii將每個子集U作為一個元素，為其單因素評判，這樣{U、U……U}的評價矩陣為R={V、12i1V、}t,由于每個子集U反映了U的某種屬性，按其對結構整體可靠度的重要程度，2給出權集A，于是有：V=A?R。應用評判集可知整體的可靠度等級。王廣德、田雙珠(2002)等人對目前碼頭評估的方法進行概括性的總結⑺，主要有經驗法、模糊評判法、概率計算法、控制斷面計算法、振動診斷模態分析法、基于知識的專家系統、人工神經網絡法及綜合評估法。各種方法各有各個有的特色，但文中未深入研究每種方法的應用。陳強、馮濤(2003)等人對高樁碼頭承載力“論證方法”進行探討⑻，在“靜態論證”與“實測參數論證”方法的基礎上，用“動態論證”方法，強調現場原型整體“模擬加載”的試驗觀測。

朱崇誠(2003)基于可靠度理論，采用概率極限狀態設計法，對碼頭極限狀態進行評估［9］。一般將評估體系分為四層，即系統可靠性、子系統可靠性、單元可靠性以及子單元可靠性。基于概率極限狀態評估法理論，碼頭損傷其失效概率加大，可理解為碼頭出現不安全行的可能性增大。引入碼頭可靠性判別指標Z,定義Z=R/YS,其中Y0000為結構重要安全系數，R、S分別為碼頭結構或構件的抗力和荷載作用效應。根據可靠性判別指標Z將碼頭實際技術狀態分為四個等級，具體見下表。0表2碼頭可靠性評估標準級別Z文字解釋技術狀態破損程度處理要求評估結構I級Z三1.0符合規范要求正常無破損不必采取措施繼續使用II級0.92VZ<1.0略低于規范要求稍差輕微破損可不采取措施改善使用III級0.87VZ<0.92不符合規范要求較差較重損傷應采取措施限制使用IV級Z<0.870嚴重不符合規范要求極差嚴重破損必須及時或立刻采取措施停止使用徐秀娟(2009)運用灰色關聯度為準則，對在役高樁碼頭的安全性及耐久性進行綜合評估a。該方法是在多層次評估模型的基礎上,確定各個層次的初始權重，在用熵的性質對權重數修正，最后用表示結構或構件耐久性的灰色關聯度R作為劃分等級的標準。孟靜(2009)將影響高樁碼頭安全運行的因素有機的結合起來，利用Matlab軟件編制出層次分析法計算程序確定各個部分的權重［⑴，經過模糊運算得出評估結果。將定量分析和定性分析相結合，在模糊環境下考慮多種因素的影響，提高了評估的準確性。碼頭結構的安全性評估主要是對其構件承載力的評估。古松(2009)將模糊數學與層次分析法相結合，將不確定因素系統化［12］，并利用模糊隸屬函數把定性轉化為定量，計算綜合折減系數，并根據實測結果，來估算既有鋼筋混凝土的承載力，從而對整體結構的安全性進行評估。通過確定影響鋼筋混凝土的影響因素，進行模糊評價得到模糊關系矩陣，采用層次分析法將各組成因素呈遞階層次兩兩對比，求解判斷矩陣，從而確定各因素的相對權重，評估等級用承載力折減系數集表示，即｛1.0,0.9,0.&0.7｝。最終的綜合承載力折減系數用模糊綜合評估結果乘以折減系數集，將對結構物的實測結果計算得到的承載力乘以最終的折減系數作為現有承載力設計值。孫熙平(2012)根據重力式碼頭的特點，結合有限元軟件強大的后處理功能，采用建立有限元計算軟件的模型對重力式碼頭進行安全性評估［13］。該種方法是計算過程更加方便，計算結果更加精確。重力式碼頭利用結構自身的重力，抵抗墻后土壓力的荷載作用，其破損狀況程度較輕。根據近10年的檢測資料顯示，重力式碼頭的破損較少，只有3例。板樁碼頭是利用打入地基中的板作為擋土墻，并在板樁墻后設置拉桿，并由錨定結構錨固。但目前對板樁碼頭的檢測評估的研究較少。相比重力式和板樁式碼頭，高樁碼頭的受損較為嚴重，其屬透空式結構，對波浪不發生反射，不影響泄洪，并可減少淤積，適用于軟土地基。因此高樁碼頭大量的運用在港口碼頭中，但該種結構型式的耐久性和對加載工藝的變化適應能力較差。目前對高樁的碼頭的檢測評估研究較多，經驗法雖然精確性不高，但對預防某些事故的發生起著很大的作用。傳統的以可靠度為理論的極限狀態評估方法依然運用較廣泛。

模糊層次分析法較為大多數學者接受，其將定性與定量相結合，具有一定的可行性，但如何確定層次分析法中的權重系數方法很多，這就要求提出更簡便的方法。隨著有限元軟件的推廣，基于振動的模態分析法、人工神經網絡法將在碼頭的評估中發揮著更大的作用，隨著各種評估方法的成熟，綜合評估法將會越來越完善。2.2橋梁隨著我國經濟迅速發展，對交通運輸的需求也不斷增大。而橋梁作為交通工具的樞紐，其重要性是不言而喻的。各種形式、各類體系的跨河（江）大橋、高架橋、立交橋、人行橋等都為現代化都市文明增色添彩，對推動經濟發展發揮著巨大的作用。然而由于結構自然老化、車輛荷載增加以及不利環境的影響，部分既有橋梁結構不可避免的要出現各種病害，導致橋梁的承載力的降低。近年來，國內外大橋出現斷裂、坍塌的現象屢見不鮮，如果長期不采取措施的話，將會給交通安全帶來很大的危害。因此開展橋梁檢測和評估的研究，對我國交通事業的發展有著十分重要的意義。20世紀80年代中期以來，國內外學者針對橋梁的安全性評價進行了廣泛深入的研究，為橋梁交通事業做進一步的貢獻。根據我國《公路橋梁技術狀況評定標準》［14］規定，公路橋梁技術狀況評定采用綜合評估法與單項指標相結合，先對各構件評定，在對部件或整體進行評定。通過對橋梁總體的技術狀態評分，根據計算的評分結果判斷等級。橋梁總體的技術狀況評分按下式計算：Dr二DCIXW+SPCIXW+SBCIXWDr—橋梁總體技術狀況評定；SPCI—橋梁上部結構技術狀況評分；SBCI—橋梁下部結構技術狀況評分；DCI—橋面系技術狀況評定；W—橋梁系在全橋中的權重，按規定取值；W一上部結構在全橋中的權重，按規定取值；spW—下部結構在全橋中的權重，按規定取值；SB表3橋梁技術狀況分類表技術狀況等級技術評分狀況1類2類3類4類5類Dr[95,100][80,95)[60,80)[40,60)[0,40)《公路橋涵養護規范》［15］中指出，全橋總體技術等級評定，宜采用考慮橋梁各部件權重的綜合評定方法。亦可按重要部件最差的缺損狀況評定，或對照橋梁技術狀況評定標準進行評定。與碼頭評估不同，橋梁評定將分為5類，具體的可參照規范。《公路舊橋承載能力鑒定方法》［16］對承載能力評估方法進行規定，在靜力荷載方面，先定義一個靜力荷載試驗效率系數，在定義一個校驗系數n。校驗系數n確定橋梁承載力的重要指標。n值越小結構安全儲備越大。王永平（1996）提出用損傷來度量橋梁結構或構件的損傷程度，并采用模糊數學原理，建立橋梁使用性能的模糊綜合評價體系和橋梁評價的專家系統

［17］。依據評估因素評價標準的的等級劃分原則，劃定了損傷度等級的區間，A級：DVW0.2；B級：0.2WDVW0.4；C級：0.4WDVW0.6；D級：0.6VDVW0.8；E級：0.8WDVW1。利用橋梁使用性能等級隸屬函數，并結合損傷度，就可以通過權重和因素評判矩陣的關系來運算，可以進行上一級的評判，然后逐級評判，最終求出橋梁綜合評判等級。橋梁評估專家系統的建立采用TurboC2.0語言編程，在PC(AT/XT)微機上實現。該系統具有較好的適用性。杜進生(1999)研究了系統可靠度在橋梁評估中的應用［18］，并介紹了尋找失效模式的方法，即確定性搜索法和概率搜索法，包括荷載增量法、RSR法、分支界限法、B分解法等。張永清(2001)借助多級模糊綜合評判和打分法相結合a,用層次分析法建立橋梁安全性評價模型，并計算出橋梁安全性的總評分確定橋梁的安全等級。王有志(2002)等針對橋梁結構體系的受力特點，按照其傳力路徑將其劃分為上部結構、傳力結構和下部結構，并給出構成各部分的基本受力構件，建立起多層次綜合評估模型Mo橋梁結構的可靠性取決于主要受力構件的可靠性，然后建立功能函數求解單一破壞模式下的可靠指標。因為評估的計算結果不可能采用統一的方法，采用承載力降低率做為評價構件的統一標準。利用層次分析法原理，將構件的評估指標對應的承載能力降低率進行逐層加權求和作為結構體系的評估指標。寇明國(2002)總結了關于鋼筋混凝土橋梁可靠性的評估方法，主要有基于外觀調查的方法、基于設計規范的方法、荷載試驗、基于專家經驗的方法以及基于結構可靠度理論的方法等［21］。黃建勇(2008)在其論文中提到人工智能在橋梁狀態評估中的應用，其主要的理論方法有模糊理論、人工神經網絡、灰色動態系統理論以及遺傳算法［22］。其中遺傳算法與神經網絡相結合的方法為既有橋梁狀態智能評估方法開辟了新得道路。盧嘯(2010)以某鋼筋混凝土拱橋為例，建立相應的有限元模型，采用基于廣義剛度的構件重要性評價方法分析拱橋各構件的重要性，從而指出保證結構安全性的重要部位［23］。在橋梁評估中可用該方法首先確定關鍵部位，然后對關建部位評估，從而對橋梁的整體安全性進行分級。林賢坤(2012)利用振型已質量歸一化的試驗模態參數，將基于不中斷交通運行模態分析的模態撓度法在橋梁評估中運用［24］,用模態撓度代替靜撓度評估橋梁的狀態，并用實例驗證了其可行性與有效性。項麗(2012)對使用性的評估方法做了簡要的介紹邸］，主要有人工巡查法、荷載試驗法、實時監測數據評定方法、可靠度理論評定法等。目前相比于可靠性評估，使用性評估研究得到的重視相對較少，有待加強。張偉(2013)分別按模擬車流加載和規范荷載最不利位置加載計算荷載效應［26］,并進行比較，得出運用規范荷載乘以一系數的形式作為極限荷載模型是一種可行的方法。在城市建設中，橋梁作為不可缺少的一項建筑物，為城市發展做出了巨大的貢獻。在生產運營中，如何在給人類帶來最大效益的同時，應盡量的將其損害降低到最低是一件很值得考慮的問題。技術檢測評估人員應定期對橋梁進行檢測評估，在用經驗法發現問題的同時，應及時解決問題，并采用其他方式對修補過的橋梁再次檢測評估，確保結構的安全性。目前，橋梁的評估方法發展較為完善，其中模糊層次分析法較為大多數學者接受，而人工智能評估法憑借其更精確，更準確的特點，在橋梁檢測評估中將會有很大的應用前景。2.3建筑

如今的建筑工程技術如此成熟，但建筑工程的安全性問題仍然是各個建筑工程參與者所關心的著重強調的。當建筑工程一旦出現安全隱患，往往就會隨之發生結構失效，甚至是工程事故，進而發生巨額的經濟損失等一系列問題，這些都是任何工程人員不愿意看到的。事實上，無論是民用建筑還是工業建筑，國內外都曾發生過重大的倒塌事故，嚴重影響了社會生產。因此在建筑結構的安全評估中，必須把結構失效或發生工程事故的可能性降到最低點。對已有建筑物和構筑物的可靠性和安全性的評價鑒定，已經成了關系到社會的重大問題，該問題的解決到了刻不容緩的地步。《工業廠房可靠性鑒定標準》［27］中，對于結構構件的可靠性等價劃分的主要標準是構件的承載力，而關于構件本身的一些物理量則作為次要因素來考慮，并按一定的經驗型規則來評價構件的可靠性。同時規定，整體結構可靠性評估下分三個方面，即承重結構體系、結構布置及支撐系統和維護系統，且以承重結構體系為主。假設承重結構體系的安全性等級即為整體結構的安全性狀態。對于結構的設計與評估而言，結構可靠性可以作為協調結構安全性適用于經濟的一個重要指標。劉闖（1995）通過結構系統可靠性分析對結構的安全性等級進行劃分，就是從定量的方法入手，通過一定的變換關系然后對系統安全性劃分［28］。李正農，袁文陽（1996）在灰色系統理論的基礎上，對結構的抗力和荷載進行分析和預測，建立動態GM模型，通過此模型可以求得荷載和抗力在不同時刻的數學期望和均方根差，再求的不同時期的結構可靠度的值［29］。因考慮到結構的抗力和效應具有時變性，所以結構的可靠度公式變為p（抗力和效應具有時變性，所以結構的可靠度公式變為p（t）=p(t)-pC)花(t)+^2(t)''RS其中,pQ&QpQ&Q分別為抗力是灰力時的均值與方差，荷載效應是灰數時的RRSS均值和方差。應用GM模型將灰數白化，即可得任意時刻t的結構可靠度，即p0=1—①（―0^））。S張愛林（1998）針對現役結構的特點，綜合考慮有關參數的隨機性以及失效準則的模糊性，將隨時間變化的結構模糊動態可靠度的復雜過程簡單化，研究分階段性評定結構動態可靠度的方法a】。劉西拉（2001）依據結構系統可靠性劃分結構安全等級的思想［31］,采用泰勒展開法推導結構安全性等級的實用公式，通過計算結構失效概率，使安全性劃分成為可能。柳承茂（2004）從臨界結構入手，以構件失效影響面積為參考，用簡便的方法計算構件重要性系數，在結合構件的可靠度提出了定性與定量結合的結構安全性綜合評估方法⑶］。構件失效面積比的定義如下：a=S/ES其中S表示單個構件失效的影響面積。用構件的失效面積表示單個構件對整體性的貢獻，可以進一步通過單個構件的安全性評價整體的安全性。劉西拉（2004）按照Bayes思想，在MEDIC方法基礎上發展了一種結構可靠性評估和預測的方法跑。按Bayes方法：P'Ci|x）二）式中：x為檢測結果；e.為結構所處的等級；P（e.）為先驗概率；P'（e.|x）為后驗概率；P（X|e、為樣本似然值。這樣可以對寸可靠性有個合理的預測，通過不斷的獲取信息，可以不斷地調整

預測結果。該方法能夠模擬結構等級衰減變化的情況，從而能夠預測結構等級的發展情況。顧祥林（2007）根據層次分析法，提出了適合工程應用的子結構中構件權重系數實用計算方法昭。先對n個影響因素中每次取2個因素比較，形成判斷矩陣，并對其進行歸一化處理。用層次分析法，計算構件的權重系數，即單個構件在整體性中所占的比重，計算方法如下①i二遲。3表示i類構件中各構件的工yinii權重系數；Y.表示各構件的權重比；n各構件的數量。先評定每層結構的可靠性等級，在根據層與層之間的相關關系，確定整體結構的可靠性等級。隨著社會的發展，建筑業正逐步進入以維修與現代化改造為重點的第三時期，為了充分保護資源，保持社會可持續發展，必須充分利用既有結構，在安全的前提下延長其使用壽命。目前，對建筑的整體性評估主要是基于可靠度的理論方法，研究其構件的重要性系數，從而對建筑物的整體性進行評估。關鍵在于如何用簡便的方法計算出構件的重要性系數，是目前學者重點研究的問題，在前人研究的基礎上，將探索出更有效的方法。2.4水利我國水利水電樞紐大多興建于上世紀60年代。當時由于受到國民經濟發展的限制，工程設計技術比較落后，整個水利水電樞紐工程的施工和管理都缺乏經驗，所以運行到現在，很多水利水電工程出現了各種各樣的問題。比如有些大壩出現潰壩、有些出現滲流破壞、有些大壩本身存在著安全隱患。目前對水庫大壩病險的分析已經引起國家政府部門的高度重視，通過對大壩的風險評估研究，提高大壩的安全性，排除潛在風險。目前，對水利水電的風險評估方法主要有概率論法、專家打分法、蒙特卡羅法、直接積分法、大系統目標規劃法等。姜樹海（1998）研究了隨機模糊不確定性因素對大壩防洪風險的影響閃，在承認現有規范規定的設計洪水標準前提下，通過風險分析的比較，采用允許風險指導值來評估大壩的設防標準。李君純（2000）提出了一種新的評價大壩安全的方法及相應的判別標準明，該方法綜合考慮了水庫工程結構的安全性和大壩興利或成災對人類社會的影響因素，在此基礎上對大壩總體安全度sD給出定義，并將sD作為大壩安全評價的判別標準。李芬花（2010）采用層次分析法對水利水電A.D.HALL系統進行分析，確定了A.D.HALL系統中各因素的風險對大系統風險的影響，構件了水利水電A.D.HALL矩陣的層次模型［37］。近年來，對水利結構的安全性評估較少，主要是針對其風險性評估，更側重于水利水電工程中的風險評估管理。在風險性評估中可借鑒結構評估的方法，比如層次分析法。無論是風險性評估還是結構評估，都對水利水電工程有著不可缺少的作用。因此其評估方法的探討與研究還有待進一步深入。結論對結構工程的設計而言，結構的安全性主要體現在結構構件承載力的安全性、結構的整體牢固性和結構耐久性。結構的承載能力是保證結構正常運行的重要因素，近來，如何計算結構的承載力成為諸多學者研究的熱點。但采用最多的方法是基于可靠度理論的計算方法，以可靠指標

B作為安全等級的評價標準。無論是橋梁還是港口碼頭等，基于模糊理論的層次分析法被廣泛應用于結構安全性評估中，該方法將定性與定量相結合，前一級綜合評估的結果可以用作后一級評估的輸入數據，有利于最大限度地客觀的描述被評估事物。混凝土結構的耐久性也是困繞當前土建基礎設施的世界性問題，這就需要盡快編制有關橋梁、港工等耐久性設計技術條例。在結構的整體性評估中，提高對耐久性評估的重要性，提高鋼筋混凝土的使用壽命，進而增加整個結構的壽命。結構安全性是各種作用下結構防止倒塌、保護人員不受傷害的能力，是結構工程最重要的質量指標。結構工程的安全性主要決定于結構的設計與施工水準，也與結構的正確使用有關。如果一些工程的正常使用功能和安全性得不到有效保證的話，我國的現代化建設和國民經濟會蒙受巨大損失，并給生產和公眾生活帶來長期困擾。因此，迫切需要對結構的安全性進行評估與檢測，使結構最大極限的發揮其功能，給社會帶來最大的效益。參考文獻JTJ302—2006，港口水工建筑物檢測與技術評估規范[S].中交四航工程研究院有限公司，港口碼頭結構安全性檢測與評估指南M.Kunishima,H.Dkanura.DurabilityDesignforConcreteSteuctures.In:IABSE,eds.SymposiumLisbon,1989徐云清，柏青.老病害水工建筑物耐久性評估研究.武漢水利電力大學學報.1997劉柏青，雷聲隆?老化病害水工建筑物計算機評估系統研究.水利水電技術.1997竺存宏，韓玉等?海港高樁碼頭結構可靠度的模糊數學評估.交通部天津水運工程科學研究所.1998王廣德，田雙珠等?碼頭檢測、評估的現狀與發展.交通部天津水運工程科學研究所.2002陳強，馮濤?受損高樁碼頭結構承載能力“論證方法”探討.中國港