工程结构安全预警系统构建方法

摘　要:目的构建工程结构安全预警系统,预防并监测工程建设出现事故等.方法以可靠度理论为基础,利用现有的可靠度理论求结构可靠度指标的方法、民用建筑可靠性鉴定原则,及动态监测方法,构建工程结构安全预警系统,创建工程结构安全预警系统程序;制定在建结构安全性评估分级原则.结果利用工程结构安全预警系统,求出安全指标即可靠度指标β,通过系统的分级原则,与预警临界值β0、β1(β0<β1)相比较,则有X≥β0,表明工程结构处于安全,即工程结构事故未发作,警度为无警;X≤β1表明工程结构处于非安全,即工程结构事故已发作,为重警.结论利用可靠度理论,建立工程结构安全预警模型,并给出工程结构安全预警系统构建程序、预警方法、预警过程.
　　关键词:工程事故;预警;警源;警兆;警度
　1　工程结构安全预警模型在结构设计中经常遇到两个基本变量的情况,其功能函数为线性函数.R为结构的抗力;S为结构的作用效应,则结构功能函数为Z = g(R,S) = R- S (1)极限状态方程为Z = R- S =0(2)当R、S相互独立,且均服从正态分布时,则Z=R-S也服从正态分布,均值、标准差为μz=μR-μS　σZ=σ2R+σ2S式中:μR、μS──抗力和作用的平均值或数学期望;σR、σS──抗力和作用的标准差.
　　结构的失效概率Pf为Pf= P(Z <0) = FZ(0) =Φ(-μZ/σZ) (3)就是说,当Z服从正态分布时,可由Z的均值和标准差之商,按式(3)经查标准正态分布表得出结构的失效概率.令β=μZσZ=μR-μSσ2R+σ2S(4)则　Pf=Φ(-β)或　β=-Φ-1(Pf)β值与失效概率Pf是一一对应关系.可直接通过β值的大小来描述结构的可靠性,称β为结构的可靠指标.根据统一标规定β值是现行各类材料结构设计规范采用的最低值.因对既有建筑结构构件承载力安全性等级采用的分级原则,制定在建结构的安全分级原则.设安全指标为β,β0、β1为预警系统设计的预警临界值,则有X≥β0,表明工程结构处于安全,即工程结构事故未发作,警度为无警;X≤β1表明工程结构处于非安全,即工程结构事故已发作,为重警.
　　2　工程结构安全预警系统构建工程结构安全预警系统是针对施工阶段可能发生的各种事故,而建立起来的一种体系.这个体系的建立,可以说是在工程安全可靠度、工程安全动态监测等研究基础上建立起来的.
　　2·1　工程结构安全预警系统的研究对象工程结构安全预警系统研究对象主要限定在:(1)依据事故发生的阶段划分,为施工过程中发生的事故;(2)依据事故发生的部位划分,为地基基础事故、主体结构事故等;(3)依据结构类型划分,为砌体结构事故、混凝土结构事故、钢结构事故、组合结构事故.
　　2·2　预警程序(1)寻找工程结构安全预警的警源.警源指警情产生的根源,工程结构安全预警的警源包括设计警源和施工警源.设计警源主要是指由于设计而引起工程事故的警源.例如设计方案不当、设计荷载取值错误等.施工警源是指由于施工问题而引起工程事故的警源.例如施工管理混乱;施工工艺技术措施不当;建筑材料及制品质量低劣不合格,等等.当然,这些都可以归结为抗力不足和超载两方面.警源的寻找可以分为初步寻找和详细寻找.
　　初步寻找主要包括如下五方面:①查阅在建工程及已建邻近建筑设计图或竣工图,历次维修、改建及加固设计图,历次结构检查观测资料和工程地质资料,水文资料等;②现场了解施工状况,查阅施工记录及质量保证资料,重点核实材料代用、设计变更、施工事故处理以及竣工验收文件等;③现场调查已建邻近建筑,主要针对使用状况、周围建筑物的相互影响和相互作用,以及使用历史等进行调查,并与原设计作初步核对;④根据已有资料,对结构或部位,作尺寸或外观检查,作初步分析;⑤在初步寻找的基础上,制订详细预警计划,重点是制订检测计划或试验大纲.
　　详细寻找包括如下方面:①结构布置、支撑系统、结构构件及连接构造的检查;②地基基础应检查其对上部结构的影响和反应,当调查发现问题,应分析原因,必要时应开挖检查或进行试验检验;③结构上的作用的调查分析、作用效应分析及作用效应组合,应作实测统计;④结构材料性能的检测与分析,结构几何参数的实测,结构构件的计算分析,应进行现场实测或结构试验;⑤房屋结构功能、结构构造、结构附件与配件的检查.
　　(2)动态监测.利用对以往工程事故的了解,对容易出现问题,产生警情的部位进行检测记录及标记,并对结构位移进行沉降观测等.监测中利用的检测手段是多种多样的,如利用超声回弹法检测混凝土强度、回弹法检测砂浆强度、超声法检测混凝土缺陷、对已有裂缝,用超声探伤仪进行监测记录.检测时间根据具体情况设定,例如每天一次或分时按施工阶段检测.
　　(3)分析工程结构安全预警的警兆.警兆指警素发生异常变化时的先兆.在警源的作用下,警素发生变化导致警情爆发之前,会有一些先兆.警源到警兆,是一个由警源孕育警情、警情发展扩大、警情爆发前警兆出现这样一个连续的过程.工程结构安全预警的目的就是在警情爆发前,分析警兆、控制警源、拟定排警对策.
　　(4)预报警度.警度指警情的级别程度.工程结构安全预警的警度一般设计为四级,主要是依据工程结构可靠度的划分,分为无警(安全,符合鉴定要求)、轻警(较安全,可不采取措施)、中警(影响安全,采取措施)、重警(危及安全).
　　(5)拟定排警对策.预警的目的,就是要在警情扩大或爆发之前,采取排警对策.从而有效地寻找警源、通过分析警兆、测定警度,进而采取行之有效的排警对策.工程结构安全预警的目的是为了有效地防范工程事故.当实际警情出现时或实际警度已测定时,人们的注意力不再是“预警系统”,而是“工程结构安全预警排警对策研究”.
　　2·3　预警方法就是由设定警兆指标、设置警限和警度、制定预警临界值、确定警兆的警报、预报警度所组成.
　　(1)设定运行的警兆指标.警兆指标包括同步指标、先导指标、滞后指标.同步指标是指这类指标与运行是同步的,先导指标则是先于同步指标第22卷李立新等:工程结构安全预警系统构建方法变化的指标,滞后指标则是落后于同步指标变化的指标.按先导、同步、滞后3个层面,构建潜伏期、发作期、恶化期3个阶段的预警的警兆指标体系.本文中警兆指标统一设定为可靠指标.
　　(2)设置警度.警度分为4种:无警、轻警、中警、重警.
　　(3)制定预警临界值.预警临界值,即指工程缺陷是否出现警情的量化指标.利用可靠度,根据不同建筑物划分的安全等级时所用的可靠度指标,作为预警临界值.例如安全等级为一级构件无警与轻警的预警临界值是3·7,轻警与中警的预警临界值是3·2,中警与重警的预警临界值是2.7
　　(4)确定警兆的警报、预报警度.即由动态监测采集与警兆指标相关的各种数据、结构可靠度指标的确定、分时或按施工阶段评估结构安全度、预报警度组成.预报警度的测算步骤如下:首先,判定测算的指标为何种类型的变量.例如:强度、刚度、变形等.其次,计算结构安全度,即可靠指标.最后,判定结构警度,警兆指标值处于不同的预警临界值内,则对应为不同的警度.预报警度的方法是一种既定性又定量的分析方法.主要是利用现有的结构安全可靠度鉴定的形式及可靠指标,对施工阶段结构安全性进行鉴定.
　　要强调的是施工期间发生事故有两类:一类是在建工程的工程事故;另一类是由于施工而造成邻近建筑发生的事故.因此,结构安全度的鉴定要有所区别,对于施工区邻近建筑,可以完全应用现有的结构可靠度理论鉴定.而在建建筑安全度鉴定就要考虑到在建工程结构是一个在施工期间,不断随时间变化的结构,在荷载取值、抗力发展等方面,同施工区邻近建筑的分析要有所不同.施工中的结构是由已建成的部分结构构件与临时承载体系构成的临时承载系统.
　　2·4　预警过程工程出现事故的征兆或先兆称为工程预警的警兆.而工程预警的警兆是一个不断发展变化的过程.从时间层面分析,工程事故出现,必然会经历一个时间顺序相连的发展阶段:第一阶段为潜伏期,第二阶段为发作期,第三阶段为恶化期.伴随着3个阶段的预警系统,分别称之为工程结构事故先导预警系统,工程结构事故同步预警系统,工程结构事故滞后预警系统.
　　(1)工程结构事故“潜伏期”的警兆,指建立在大量资料分析基础上的工程结构事故的先兆.这个信息系统是开放的,不仅有工程信息,还有其他的信息,设计单位、施工单位,等等.工程结构事故“潜伏期”的分析监测系统,涉及到两个要素:一是警兆指标;二是警情临界值.
　　(2)工程结构事故“发作期”警兆识别分析系统.“发作期”一般呈现出事故警兆的特征,并反映出警兆的程度和状况.而“潜伏期”的警兆,一般表现为动向警兆,即与警情具有因果关系和时间先后顺序关系.从逻辑关系来看,“潜伏期”的警兆表现为材料的先天缺陷、设计缺陷、施工缺陷,这种表现不能得到有效控制,就会发展成“发作期”的警兆.“发作期”的警兆有:①地基基础,地基变形不均匀、滑移等;②钢筋混凝土结构,裂缝、变形等;③砌体结构,裂缝、变形等;④钢结构,变形、失稳等.“发作期”工程结构事故分析的监测涉及到警兆指标的设置及安全指标测评,警情临界值的测定.
　　(3)工程结构事故“恶化期”警兆识别分析系统.“恶化期”的警兆表现是“发作期”的警兆表现未能得到控制,工程结构事故进一步恶化,包括邻近破坏、倒塌.
　　3　结　论工程结构安全预警系统构建是一种保证结构安全,预防结构事故的探索.这种形式还很不完善,但对于结构安全是一种新的尝试.
　　(1)施工过程中的安全事故主要有两类,一类是在建工程的工程事故;另一类是由于施工而造成邻近建筑发生事故.为防止这两类工程事故的产生,建立起工程结构安全预警系统.
　　(2)工程结构安全预警系统包括寻找工程结构安全预警的警源、动态监测、分析工程结构安全预警的警兆、预报警度、拟定排警对策.
　　(3)系统通过设定警兆指标、设置警限和警度、制定预警临界值、确定警兆的警报、预报警度来完成系统预警的功能.
　　(4)预警过程包括潜伏期、发作期、恶化期.
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