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我国目前正在进行着世界上最大规模的工程建设,作为基础设施的工程结构,则有着建设成本高、使用周期长、一次性等特点,它不仅关系着国计民生,也影响到一个国家的现代化进程和可持续发展道路。然而工程结构在其整个“生命”历程中面临着各种实际的风险因素,这些风险不同程度地影响着工程结构的可靠性,保证结构的安全性、适用性和耐久性显得至关重要。
工程结构的全寿命周期包括工程结构的勘察、设计、建造、使用、维护、加固直至报废的全过程。论文选题以工程结构为研究对象,以工程结构全寿命周期内三个主要阶段的风险为研究主题,系统研究了工程结构全生命周期内建造阶段、使用阶段和老化阶段不同的风险特征、风险要素、风险原因及其控制措施,为工程结构的安全使用与维护提供指导或参考依据。
论文主要研究内容如下:
(1)工程结构全生命周期的阶段划分
从工程结构的风险率来看,可将结构整个“生命周期”划分为三个阶段,即建造阶段、使用阶段和老化阶段。工程结构在这三千阶段的平均风险率变化趋势呈典型的“浴盆曲线”,其中建造与老化阶段的平均风险率较高,而正常使用阶段结构的平均风险率则最低。
(2)工程结构建造阶段的风险分析与控制
建造阶段的工程结构,是一个形状、荷载和材料性能均随时间变化的“时变结构”体系,由于结构尚未形成一个完整的受力骨架,已形成的各结构构件间还不能协调工作、混凝土等材料还未能达到设计强度、施工期由于涉及到大量的建筑材料、临时支撑构件、人员、设备等荷载作用,与结构使用期的设计荷载有着显著的差异,这些特性决定了施工期结构往往表现出较大的失效概率。建造阶段也是工程事故最多发的一个阶段。
工程结构在建造阶段的风险主要来自于设计与施工的失误。设计的失误主要是由于设计规范自身存在的一些问题,如安全设置水准低、各种不确定性因素多、临时支撑结构缺乏设计规范等,还有很大一部分则是由于设计中的人为失误,如设计人员设计与计算能力低、缺乏设计经验、受力分析概念不清等;施工的失误则主要是由于施工技术水平低、管理水平低、安全与质量意识差、质量控制不严、现场施工安全管理松懈等,因此必须采取各种相应的的管理和技术措施以避免设计和施工中的失误,提高设计和施工的水平,控制建造阶段的结构失效风险和安全事故风险。
(3)工程结构使用阶段的风险分析与控制
工程结构最长的一段生命周期是结构的正常使用阶段,这个阶段也是结构设计的各项功能得以实现的阶段。由于建造阶段存在的一些风险因素被消除或得到控制,结构抗力水平提高,具有较大的承载能力,结构的平均风险率降低并趋于平稳。若按照设计功能进行承载和使用,结构一般不会产生影响其安全性与适用性的失效风险。
然而,由于正常使用阶段可能出现的各种偶然的自然灾害(如地震、台风、洪灾、雪灾等)和人为灾害(如火灾、爆炸、冲击等),以及对结构不合理的使用与改造等,导致结构在使用期也面临着各种灾害作用下的风险,严重威胁着结构使用阶段的安全性。由于各种偶然灾害在使用期间可能会出现也可能不出现,不确定性大,尤其对于火灾、爆炸等人为灾害更是难于事先预测,这些灾害一旦发生又往往具有很大的破坏力,当超过结构抵御灾害的抗力水平时,结构容易破坏和失效。因此,在这个阶段的风险控制以工程性防灾为主,从防灾减灾的角度采取各种设防措施,以减小偶然灾害作用下引发的结构损伤或失效风险。同时,也应强调结构要按设计要求正常使用,防止对结构的盲目加层、改造等,并应强掉对结构正常使用和检测维护,以防止建造阶段存在的各种隐患不断诱发扩大、使用过程中产生的各种损伤的不断累积。
(4)工程结构老化阶段的风险分析与控制
随着工程结构服役期的增长,结构逐渐步入老化阶段。在长期的使用过程中,受环境作用和荷载作用的影响,结构材料发生老化、劣化,结构的性能也将发生退化,使用过程中各种损伤不断累积,使得结构的安全性、耐久性降低,风险率再次升高,并呈不断上升趋势。
结构的老化和损伤累积不可避免,但为了保证结构在设计使用年限内的可靠性,使结构的功能和价值得到充分发挥,就应从结构设计阶段开始加强对结构耐久性设计(从预防的角度),尤其对于目前广泛应用的混凝土结构要采取切实可行的防护措施,尽量减少和控制结构的耐久损伤。对于进入老化阶段的结构,尤其是已老化损伤,存在各种病害的工程结构,更需要加强对结构的维修与加固工作(从事后补救的角度),以增强结构的安全性,延长结构的使用寿命。
论文研究表明,在工程结构生命周期的不同阶段,结构的性能状态不同,风险的原因和大小也各不相同,对应的风险预防与控制措施也有所区别和侧重。建造阶段的风险控制重点主要是确保工程质量与安全施工,使用阶段的风险控制重点主要是正常使用与防灾减灾,老化阶段的风险控制重点主要是检测评定与加固维护。