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结构的可靠度和桥梁的可靠性分析毕业论文
第一章 绪论 1.1结构的可靠度和桥梁的可靠性分析 土木工程结构设计计算曾用安全系数来度量结构的可靠度，在采用单一安全系数设计时可以调整安全度的大小，但不能统一规范内各部分之间的安全一致性问题，不能作为衡量安全度大小的尺度。若结构构件设计实行极限状态设计，安全系数度量不但粗糙和模糊，并且使结构分析方面的计算机化带来的优越性被安全系数所掩盖。各种可变荷载概率模型化和建筑结构本身的日益复杂，以及荷载多种组合，不能用安全系数来描述。安全系数不能用破坏的安全倍数来解释，而要求对安全储备的大小予以量化，在建筑结构可靠度设计标准和结构可靠总原则中，将失效概率作为度量结构可靠性大小的尺度。 评定单元被划分为下部结构、支座、上部结构及桥面系等4个组合项目。桥面系主要指桥梁的桥面部分。支座不仅要传递很大的荷载，并且要保证桥梁结构可以产生一定的变位，使桥梁结构的实际受力情况与结构的静力图示相符合。下部结构主要指桥梁的柱、墩和地基基础，上部结构主要指桥梁的梁、板或拱等，他们构成了桥梁结构体系。 项目由若干子项构成，从而形成子项、项目或组合项目、评定单元3个层次，每个层次划分为4个等级，在各个层次上，安全性和正常使用性不分开鉴定直接对可靠性进行评级。在评定项目等级时，将各子项划分为主要子项和次要子项，以反映不同极限状态所要求的目标可靠指标的差异。 在桥梁承重结构体系组合项目的等级评定中，引用了故障树的逻辑原理来表示构件可靠性和结构可靠性之间的关系，采用传力树评级法。传力树是由一系列基本构件和非基本构件组成的传力体系，树结构可形象地表示构件与体系失效之间的逻辑关系。基本构件失效会导致传力树中其他构件失效，非基本构件失效不会导致其他构件失效。如桥梁上部主梁，支座、下部基础等基本构件中，桥面系是非基本构件，传力树评级法首先将桥梁的承重结构系统划分为若干传力树，然后分别评定各组成构件的等级，最后根据构件和非基本构件的评定等级和同类构件中所占百分比来评定传力树等级，进而确定承重结构体系的评级。 子项是桥梁可靠性鉴定的第1层次，每一个子项根据某项功能的极限状态评定，如混凝土构件包括承载能力、变形、裂缝、构件等4个子项，子项的评定等级用a、b、c、d表示。 项目是可靠性鉴定的第2层次。按其构成又可以细分为基本项目和组合项目俩类，如承重结构体系属组合项目;基础(桥墩)属于基本项目。项目的评定等级用A、B、C、D表示。 单元式可靠性鉴定的第3个层次，单元的评定等级在各项目的评定结构的基础上进行综合评定，用I,、II、III、IV表示。 1 1.2 可靠度理论在桥梁工程中的应用现状 1.2.1国内研究现状 国内对桥梁可靠性的研究，主要集中在既有桥梁的可靠度研究，而且大多数只限于桥梁在单个失效模式下的可靠度分析，一般采用一次二阶矩法，也有采用响应面法,蒙特卡罗法等。对既有桥梁先进行可靠度评估，以此为依据，有选择性的对桥梁进行养护、维修与加固。针对现役桥梁结构和后续使用期桥梁结构之间的不同之处，系统地总结分析了荷载效应与抗力随时间的变化规律，不仅对现役桥梁结构进行可靠性计算，而且对后续使用期桥梁结构进行可靠性估算，并估计桥梁的剩余使用寿命，采用对桥梁进行实时检测，根据实际工程的检测值，对抗力进行修正，最后进行桥梁结构的可靠性分析。 针对桥梁疲劳破坏在实际中比较普遍，而且破坏结果比较严重的现象，国内有很多学者对疲劳破坏可靠度进行探讨。通过对既有桥梁的监测，得到若干天的应力一应变随时间的变化曲线，然后进行统计得到应力幅谱，最后进行可靠度分析，得到适合于桥梁疲劳寿命可靠性评估的概率模型。 根据模糊可靠性设计理论，对公路钢筋混凝土桥梁强度的模糊可靠性设计方法进行分析，运用二级模糊综合评判方法和贝叶斯理论，确定桥梁疲劳寿命概率分布。考虑既有铁路混凝土梁的抗力劣化，采用时变的可靠性计算法对铁路混凝土梁剩余使用期内承载力失效概率进行了计算，其中顾及到铁路混凝土梁的钢筋疲劳，对该梁随时间变化的疲劳可靠性指标进行了计算。 一般可靠度计算仅限于对桥梁的静力可靠度计算，近些年来，随着斜拉桥、悬索桥、钢管拱桥等大跨度桥梁的大量修建，使得桥梁动力可靠度变得越来越重要。采用泊松分布和马尔可夫过程，给出了在强风作用下，在设计基准期内桥梁结构某一特定截面或节点的抖振动力可靠性分析方法。基于现有的结构可靠性理论，通过极限状态方程建立起桥梁颤振的可靠性分析模型，并提出了用以确定桥梁颤振稳定失效概率的计算方法。根据随机振动理论和可靠性理论，考虑桥墩单元参数不确定性和桥梁上部结构摩擦因数等问题，建立了桥梁各单元的可靠度计算方法。 1.2.2国外研究现状 国外对桥梁可靠性的研究比较深入，无论是在计算方法上和可靠度的应用方面都超前于国内。采用随机有限元网格法对桥梁材料的破坏和裂纹扩展进行可靠度研究。对桥梁单一失效模式的可靠度，更多地考虑了结构的非线性因素，如:结构的几何非线性[桥船碰撞、钢架桥、高速公路桥梁和立交桥地震响应、悬索桥进行风振等]。对多失效模式结构体系可靠度的研究也有较多的文献，还有不少相关文献对高速公路上的预应力混凝土桥梁进行系统可靠度研究。 对时变可靠度的研究，在国外也是一个可靠度研究的热点。指受外界环境影响下，结 2 构抗力不断下降时，预应力混凝土桥梁结构可靠度随时间的变化过程中考虑桥梁的预应力损失、桥梁线型和混凝土腐蚀等因素随时间的变化，然后分析这些因素对结构可靠度的影响。 对结构进行可靠度优化也是近些年来国外的研究热点。对复杂结构，通过进行结构系统的可靠度估计，讨论了基于可靠度的优化。在结构设计中，采用基于可靠度的优化结构费用最少。 1.3 桥梁可靠性评估现状 桥梁的材料性质，结构的行为、荷载、环境条件等都是不确定的，可以认为他们都是随机变量，由于桥梁的寿命与上述因素有关，因此认为桥梁的寿命也是随机变量，这样用可靠度方法来研究桥梁的寿命从理论上讲是可行的，而且可以很好的与设计结合起来。 西南交通大学的屈文俊提出桥梁的寿命分为技术寿命和经济寿命，前者为随机变量，后者为经济优化的结果。从期望效益与期望经济风险的优化分析着手，提出了既有结构的可靠技术使用寿命;并从经济学的观点着手，建立了桥梁结构的修、废判别标准，并提出了桥梁经济使用寿命的优化方法。 提出了钢筋混凝土板梁桥中钢筋被腐蚀时如何估计其可靠度的一种方法。这种方法建立了交通荷载模型、腐蚀模型，以及非线性有限元结构模型;讨论了两种形式的腐蚀，即全面腐蚀(包括混凝土剥落，混凝土与腐蚀钢筋之间失去结合)和局部腐蚀时采用一阶可靠度方法得出可靠性指标来估计板梁桥的可靠性;并考虑了与材料特性、几何特征、荷载分布以及腐蚀参数等有关的不定性，考察了这些不定性对桥梁可靠度的影响。 采用“校准法”对现行《公路钢筋混凝土结构及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85)》中构件的承载能力极限状态可靠度，进行了计算和分析。 清华大学的张宇贻、秦权根据混凝土中氯离子扩散及其引起的钢筋锈蚀的机理，建立了钢筋混凝土构件的蜕化模型，并运用Monter Carlo方法计算了锈蚀钢筋混凝土构件平稳二项活载过程和随机恒载联合作用下的时变失效概率。 3 第二章 可靠性分析的原理和方法 不确定性是结构设计、建造和使用过程中存在的一种客观现象，对这种客观现象进行研究并加以模型化、定量化，然后用数学方法进行分析，是近年来发展起来的结构可靠度理论研究的内容，这包括结构设计、施工和使用中所存在不确定性的分类，作用、抗力的统计分析，结构的极限状态，可靠度的描述和计算方法等。 2.1结构分析中的不确定性 不确定性是结构设计、建造和使用过程中存在的一种客观现象，对这种客观现象进行研究并加以模型化、定量化，然后用数学方法进行分析，是近年来发展起来的结构可靠度理论研究的内容，这包括结构设计、施工和使用中所存在不确定性的分类，作用、抗力的统计分析，结构的极限状态，可靠度的描述和计算方法等。 不确定性是指事件出现或发生的结果是不确定的，或在事件出现或发生之前不能预测其结果，需要用不确定性理论和方法进行分析和推断。结构可靠度理论正是考虑到工程结构设计中存在着诸多不确定性而产生和发展的。如果在设计前能够准确预测结构各构件的极限承载能力和作用荷载大小，则可将结构设计为使用期内不会发生破坏。 目前的结构可靠度理论主要讨论的是随机不确定性下的可靠度，所以进一步分析结构设计中的随机不确定性是非常必要的。与结构可靠度有关的随机不确定性包括: (1)物理不确定性 在结构设计中，承认存在随机不确定性，就是承认与设计有关的变量存在变异性，如荷载的变异性、材料强度的变异性等。在一定的环境和条件下，这些变量的不确定性是由其内在因素和外在条件共同决定的，称为物理不确定性。在有些情况下，例如混凝土构件制作时，物理不确定性可通过严格配制程序、准确控制拌和料称重、细心拌和等手段而减小，但控制过分严格，会提高构件制作费用，降低生成效率。所以降低物理不确定性有时是与一定的经济条件相关的。而有些情况下物理不确定性则不能人为降低，如风荷载、雪荷载。 (2)统计不确定性 概率论中研究的随机变量的概率分布和统计参数(如平均值、标准差、形状参数、尺度参数等)都是已知的、确定的，但在实际中，随机变量的统计参数要根据收集到的样本数据，利用数理统计方法进行估计才能得到。而估计的结果与样本的容量有关，理论上只有当样本容量为无穷时，估计的参数才是准确的，确定的，一般情况下估计的参数也是一个随机变量，样本容量大时，参数估计值的变异小;而样本容量小时，变异性大。降低统计不确定性的手段是增大样本容量或采用适合的估计方法，但由于客观条件限制，很多情况下并不能够得到足够多的数据，甚至有时获得很少的样本数据都是困难的.当变量的统 4 计不足时，理应将统计的不确定性也考虑到结构可靠度分析中，目前有一些这方面的研究，如用贝叶斯方法进行分析。但由于问题的复杂性，工程中应用尚有困难。 (3)模型的不确定性 在结构设计和可靠度分析中，常需要根据一些变量，利用已有的公式和模型计算另一变量的取值，如根据结构的材料特性和几何尺寸计算结构的承载力，根据结构上的荷载计算结构的反应等，使用的公式可为理论公式，也可能为半经验半理论公式，还可能是完全通过试验得到的经验公式。即便是精确推导的理论公式，计算结果也会与实际值有所差别，因为理论公式是在一定假设条件下得到的，而假设条件一般总与实际情况有差别，对于经验公式更是如此.除此之外，采用各种简化手段进行分析也会产生一定的误差，如将非线性模型简化为线性问题，将动力问题简化为准静力问题等。由计算公式不确定或模型简化而产生的不确定性称为模型不确定性，在结构可靠度分析中常用一个附加的随机变量来描述。降低模型不确定性的途径，是使计算假定尽量与实际情况相符。采用先进的计算手段，要受到科学技术发展水平和经济条件的限制，如许多问题目前尚不能建立更准确的理论模型，有些情况下精确的分析则需要相当大的费用。 2.2 可靠性分析的基本方法 目前常用的计算方法有一次二阶矩法、蒙特卡罗法、响应面法 2.2.1一次二阶矩法 所谓一次二阶矩法是针对结构功能函数为变量的一次(即线性)函数，以变量的一阶矩和二阶矩为概率特征进行可靠度计算的一种方法。对于非线性功能函数，一般在某点进行泰勒级数展开并近似地取某一次式，使结构功能函数线性化，然后再用一次二阶矩法计算可靠指标。 一般地说，设影响结构可靠度的n个随机变量为 程为 ZgX1,X2,,XnXii1,2,,n，结构的极限状态方 ,n将结构功能函数在点 ZgX01,X02,X0ii1,2,n展开为泰勒级数，即有 dg,X0nXiX0i i1dXiXO i1nXiX0i22g2XiXO 为了得到线性极限状态方程，近似地只取到一次项，得到 5 ZgX01,X02,g,X0nXiX0iXi1iXO n gXiX0 表示该导数在点X0ii1,2,,n处取值式中即为可靠性分析中 将功能函数线性化的常用公式，一般称为中心点一次二阶矩方法。 中心点一次二阶矩方法是在均值点附近将非线性功能函数线性化，并据此计 算可靠指标，由于均值点一般在可靠区内，且距失效边界较远，将使求得的可靠指标误差较大。改进一次二阶矩方法常简称为一次二阶矩法，又称为验算点法，是由Hasfer-Lind和Rachwitz-Fiessier等人提出的，这一方法是将非线性功能函数的线性化点选为设计验算点X，并据此计算可靠度指标，使得到的可靠指标p值具有较高的精度，也从根本上解决了中心点一次二阶矩存在的问题，所以，改进一次二阶矩法在可靠性分析和设计中得到了广泛的应用。 验算点X’处的线性化极限状态方程为 Zg* nX1,X2,**g,XnXiXi*0i1XiX* *n在设计验算点的边界上，此时z的均值: gmz(mXi-Xi*)Xi1iX* 在变量相互独立的情况下，Z的标准差为 : Z2则可靠度指标为 *g(m-XXii)Xmzi1Zn2.2.2蒙特卡罗法 蒙特卡罗法是一种计算机模拟法，用计算机研究随机变量分布的方法，即反复进行实验、观测取得随机 变量的大量子样，然后用子样分布挖地代表随机变量母体的分布，或者利用子样来估计待定参数数值。这种方法在观测子样足够大的情况下，有比较满意的精度。 众多研究者一直在致力于蒙特卡罗方法缩减方法，有对偶抽样法、条件期望抽样法、 6 重要抽样法、分层抽样法、控制变数法和相关抽样法等，其中应用最多、也是对有效的是重要抽样法，包括一般重要抽样法、渐进重要抽样法、更新重要抽样法和方法重要抽样法。但是对于多失效模式的复杂模型，有事也只能用一般的抽样法。 得到随机变量的样本值后，利用己知的结构功能函数，就可以判定结构的状态，对于失效的状态进行统计分析，就可以估计结构的失效概率。如果直接根据随机变量的概率分布进行抽样来估计结构的失效概率，不做任何技术上的处理，则称为一般抽样方法。一般抽样方法是结构可靠性蒙特卡罗模拟最基本的方法，其它的高效抽样方法也是以一般抽样方法为基础的。 作为结构可靠度分析的基本问题，设X1,X2,.Xn为结构中的n个随机变量，其概率密度函数分别为 ZgX1X2, f Xi (X1), f X2 (X2), f Xn (Xn) 由这n个随机变量表示的结构功能函数为 ,Xn 根据可靠度基本理论，结构失效概率为 Pf gxX0 fXfX x1 1 x2 2 fxnXndx1dx2 dxn ,fxnXndx1dx2 dxn IgxX1,X2, ,Xn Xnfx1X1,fx2X2, EIgxX1,X2,gX,X, 其中n12 ,Xn 表示结构的示性函数，采用这种表达式的优点是将失效概率计算 的局部积分(失效域)，扩大到整个积分域(失效域和可靠域)，从而分析中不再需要具体考虑极限状曲面的形状和复杂性，而只需要计算功能函数的值，并判断该值是否大于0,还是小于0。当该点落入可靠域时，示性函数的值取0,当该点落入可靠域时，示性函数的值取0,落入失效域时取1，如果蒙特卡罗方法对随机变量Xi,X2,&.X,进行多次抽样，则可得到多个不同的示性函数值。如上式所表明其平均值就是结构失效概率的估计值，但抽样方式不同，失效概率的估计公式也不同。 x,xi,...,xi 对于随机变量X;= (i=1, 2,，n)，假设i 数 (1)(2)(n) 为根据其 概率分布产生的由小至大排列的N个样本值，则由此可建立其经验概率分布函 0;xixi1 Fxijxixij1 N1;xxij 相应的经验概率密度函数为 7 (ji)1N x(x)(xxi)fiiNi ji 其中，j表示第i个随机变量的第1个样本值;(x)为为脉冲函数，具有以下性质 i (xa)0;xa h(x)(xa)dxh(x) 对n个随机变量都产生N个随机变量，则结构失效概率Pf的估计值为 Pf1n N n n IgxX1,X2, n j1 1 ,XnfX1x1fX1x2,xnjn fX1xndx1dx2 dxn Igx j11j21 jn1 n ,x2j2, 上式表示了估计结构失效概率的一种方法，按照这种方法进行估计时，需要对由n个随机变量产生的全部nXN个随机样本值进行组合，然后判断每一种组合构成的点是落入可靠域，还是落入失效域，进而计算结构示性函数的值，这样的组合共有N个。根据概率论中的 n 大数定理，当N时， fxixifxixii1,2, ,n ，从而有 PfP f ，即当随机变 量的样本容量非常大时，由上式表示的失效概率估计值趋于其精确结果。 大数定理为蒙特卡罗方法的收敛性提供了理论基础，但如式中所示，当随机变量的样本容量不是足够大时，失效概率估计值则是一个依棘于随机变量样本容量的随机变量。在蒙特卡罗方法中，通过对失效概率估计值方差或变异系数的分析，来评判估计方法的好坏。在一定的样本容量下，若方差或变异系数大，则估计方法的优良性不好;反之，应该属于较好的估计方法，仅需较少的样本容量，就可获得较准确的估计结果。 2.2.3响应面法 近年来可靠度计算的响应面法(Response Surface Method)日益受到重视，它是用一个简单的显式函数逐步逼近实际的隐式极限状态函数的方法，使可靠度计算得到简化。由于该方法可以直接应用在确定性结构的计算程序，使得可靠度分析工作更加简便易行，为大型复杂结构的可靠度分析展现良好的应用前景。 1951年Box和Wilson首先提出响应面法，但是对于响应面法的研究仅限于如何用统计的方法得到近似函数，用来逼近一个复杂的隐式函数。1985年RS.Wong首先用一次响应面法分析研究了土坡稳定的可靠度问题，而后国内外许多学者逐步拓展了这一研究领域。 8 设结构的功能函数为Z =g(x)，则结构的失效概率为 P 式中fP(g(X)0) TXx1,x2,,xn是基本随机变量;P()表示概率。 g(X)可以看成是系统在一定输入下的响应，称为响应面(Response Surface)可将其近似表达为多项式的形式 ng(X)n。若取二次完全多项式，则有 n g(X)a0a1x1aijxixj i1i1j1 更简单的g(X)取为一次多项式(直线方程)，上式可以进一步简化为 g(X)a0aixi i1n 为了得到待定系数，需要选择足够的展开点计算值g(X)，由解线性方程组求出ai和aij的值，从而得到失效函数的拟合表达式，为了得到更精确的解，可以引进一些数值计算的冗余度，用最小二乘估算法求ai和 (g(X),(X))iiaij，假定得到k组数据为 必须大于等于相应的未知参数的个数。由以下两式可以求得待定系数 XXAXGTT A(XX)XG 式中 T1T 1x11XM1xk1x1nMxkn gk anTx211x12nX12nx11x12MM2xknx11x122xknx2k1x1n1x1nMMx1n1x1nGg1Aa0 其中：g2a1anna12an1nT xij为第i组数据的第j个随机变量数值;gi为第i组数据的失效函数值。 随机变量数多的大型结构时候，这一过程的计算量较大，实际上不需要在整个空间上让拟合出的响应面g(X)与真实的失效界面相吻合，只需要在验算点附近一致。因为这一区 9 域对总的失效概率贡献最大，因此展开点应该选择在验算点附近，是最理想的。 在随机变量很多的情况下，计及交叉项的响应面法的计算量较大。所有可根据实际情况可适当忽略展开式中的交叉项，使计算变得更为简单。在计算中，了得到更好的拟合曲线，可以使用某些对数形式的变量，如lng、lgx、lnai和lnaij等将可达到较理想的效果。 在计算过程中，若结合有限元法计隽g(X)的值，则运用响应面法可以计算各种复杂的工程问题。在拟合响应面后，采用蒙特卡罗法或改进算法，在响应面上进行反复模拟，可以方便地求出结构系统的各失效模式的失效概率及体系失效概率。 2.2.4 总结 以上三种可靠度计算方法是目前最广泛采用的，而且是计算效果比较理想的方法。除此之外，应用较多的还有梯度优化法、摄动随机有限元方法、纽曼随机有限元方法以及以上几个方法的组合和改进， 一次二阶矩法应用最为广泛，但必须限定在有功能函数表达之内。对于复杂模型则只能用近似的表示式代替，计算结果会有误差，而且对于多失效模式的可靠度计算，有一定难度。蒙特卡罗方法最容易理解，计算结果也最为精确，但是计算量大，在计算机计算速度较快的今天，对于处理一些复杂模型也是一个较理想的方法。众多研究者一直在致力于蒙特卡罗方法缩减方法，有对偶抽样法、条件期望抽样法、重要抽样法、分层抽样法、控制变数法和相关抽样法等。其中应用最多、也是最有效的是重要抽样法，包括一般重要抽样法、渐进重要抽样法、更新重要抽样法和方法重要抽样法等。但是对子多失效模式的复杂模型，有时也只能用一般的抽样法。响应面法，采用响应面来模拟结构实际的失效面，然后再通过蒙特卡罗法求得失效概率和系统失效概率.由于其计算量比蒙特卡罗法小很多，计算精度也比较高，比较适合在大型复杂工程结构可靠性分析中推广应用。 10 第三章 既有混凝土桥梁结构的动态可靠性分析 目前，我国桥梁建设发展迅速,随着在役桥梁使用年限的增加,经常需要对已有桥梁进行维修和改造.对于已有桥梁无论是做改造,还是维修加固,对其进行可靠度鉴定是一项不可缺少的前提工作.桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性3个方面。结构耐久性问题是当前国际土木工程界所关注的重大问题,而这一问题在我国尤为突出[1~3]。当前结构可靠度的概念和定义都是以设计使用年限为依据,没有考虑结构在服役过程中可靠度的变化情况。而现有结构的可靠性是一个动态可靠性问题。同时,由于结构失效概率是结构服役年限失效概率的并集,结可靠性的控制也就应该考虑时间因素。因此,研究结构的动态可靠性分析方法是现有结构可靠性评估的重要问题,也是基于可靠性的承载力寿命预测及剩余寿命预测迫切需要解决的问题。对于既有钢筋混凝土桥梁结构,由于其自身的材料性能、所处环境情况、使用时间、荷载效应的变化以及其它各种因素的影响,其可靠性指标一般会随使用时间的增加而出现逐渐减弱的趋势,这一可靠性指标逐渐减弱的过程是一个动态的过程,结构动态可靠性分析是一个非常复杂的问题。文献[4,5]对此进行了一定的研究,但给出的计算结构的失效概率公式是一个高维积分,计算复杂, 3.1 动态可靠度 3.1.1 结构动态可靠性模型 传统的结构可靠性计算方法基于3方面的假设:1)抗力与荷载效应相互独立假设;2)抗力与荷载效应的随机变量假设;3)串、并联系统假设.我国《建筑结构可靠度设计统一标准》所采用的可靠性模型为“半随机过程模型”。它在结构抗力和荷载效应的处理上采用假设1)和3)。 现有结构可靠性的数学模型为: ZtR-St (1) 式中：R,S为结构的抗力与作用效应;t为结构使用时间;S(t)为作用效应随机过程;Z(t)为极限状态随机过程。式(1)称为可靠性的“半随机过程模型”,它考虑了结构的作用具有时间变异性,将作用效应处理为随机过程,而将结构的抗力仍视为随机变量。由于在计算结构可靠度时采用的是考虑基本变量概率分布类型的一次二阶矩结构可靠度分析方法,各种基本变量是按随机变量考虑,所以,需将荷载(可变荷载)随机过程转变成随机变量求解,即假设2)。因此,这一模型基本上属于可靠性的“静态模型”。可靠性分析的静态模型适用于结构的抗力在使用过程中不随时间变化或变化不大的情况,即可以将抗力视为随机 11 变量。然而,对已有混凝土桥梁结构来说,由于环境等因素的影响,结构的耐久性能下降、抗力衰减不能忽视,结构的抗力将是使用时间的函数,因此,必须用随机过程模拟结构的抗力,于是桥梁结构的功能函数表示为: ZtRt-St (2) 相对式(1)而言,式(2)称为可靠性的“全随机过程模型”,它是结构可靠性的动态模型,如图1所示。 3.1.2 定义 桥梁结构的动态可靠度定义为:在规定的继续使用期内,在正常使用、正常维护条件下,考虑环境和结构抗力衰减等因素的影响,桥梁结构服役某一时刻后在后续服役期内完成预定功能的能力。 用可靠度度量为: PtPZt0,tt,Ts ZtRtSt (3) (4) 式中：t为桥梁结构服役分析时刻,a;Ts为继续使用期,目前,桥梁结构的设计基准期一般定为100Z(t)为考虑桥梁结构tτ时刻预期技术状况的功能函数;R(t)为考虑t时刻预期桥梁结构状态修正和后续服役期变化的抗力随机过程;S(t)为考虑t时刻预期桥梁结构状态修正和后续服役期变化的荷载效应随机过程。 桥梁结构在运营使用中,由于材料老化、环境不利以及超载行车等因素的影响,使结构承载力下降,耐久性能降低。考虑抗力和荷载效应随时间变化本身是一个随机过程问题,但由于用随机过程理论研究可靠度计算过程复杂,不利于工程应用。因此, 综合调查分析混凝土强度和钢筋截面面积或钢筋强度的统计参数随时间的变化规律,可将抗力随机过程表示为:RtR0t Rt ,其中R0为结构构件t =0时的抗力,t为一确定性函数。将抗力随机过程中也离散成m个随机变量Ri，Ri的大小取第i个时段的抗 12 力中值。则综合反映后续服役期内抗力变化历程的结构等效抗力可表示为: 1mRlnexpTRiTmi1 (5) 1 式中:T为设计基准期(0,Ts)内最大汽车荷载效应;SQT为概率分布函数中的参数。 将R视为概率分布与R0相同的,平均值和标准差如下式计算的随机变量: 1mRlnexpTtiR0Tmi1 (6) 1 R texptRiTi0i1nexptRTi0i1mR0 (7) 采用后续服役基准期内等效抗力和荷载效应的概率分布简化计算结构动态可靠度。 3.1.3 结构动态可靠性分析方法 结构动态可靠性模型确定后,则结构在设计基准期内的安全概率为: PsTPZt0,t0,TPRtSt0,t0,T (8) 如按现行结构可靠性标准计算结构的安全概率,上式可表示为: PsTPmaxRtSt0,t0,T PRGmaxQ 0tT tPRGQT0 (9) 而结构的荷载是按照荷载变化周期而将结构设计(使用)基准期T划分为M个相等的时段,而且各个时段内,荷载独立同分布。在计算动态结构可靠性的过程中, 为了与结构荷载效应相对应,同样将抗力随机过程离散化为M个随机变量Ri其大小取第i个时段抗力的最小值。即在第i时段, ntti1,ti，RiRti则结构在时间T内的安全概率为: PsTPZ10,Z20,...,Zn0RrFrGdr0i i1 (10) 式中：ZiRiSi为时段i的功能函数. 由上式可知,当,即抗力不随时间衰减,上式整理后可得为: 13 PsTR0rFrGdr (11) 这与现行结构可靠性分析方法是相协调的,即现行结构可靠性分析方法(不考虑抗力的衰减),而 3.2既有混凝土桥梁结构动态可靠度分析方法及计算流程 设第t时刻结构可靠性的功能函数为: Z(t) = R(t)-G-Q(t) (12) 式中:R(t)为t时刻的结构抗力; RtR0t , R0为t =0时刻结构构件的抗力.如前所述,假定它服从对数正态分布,其平均值和变异系数分别为R0,R0, 函数;则t时刻R(t)的平均值和变异系数分别为: t为一确定性的 RtR0tRtR0 (13) G为恒载效应,服从正态分布,其平均值和标准差分别为,G,G,;Q(t)为活载效应,服从极值Ⅰ型分布。 t时刻,其平均值和标准差分别为: ln0QTOQtQtQTO (14) 由上述可知,该功能函数具有较广泛的代表性,选择其作为研究对象具有实际工程意义。Z(t) &0,Z(t) =0和Z(t)&0分别表示结构在t时刻处于安全状态、极限状态和失效状态。& p=&&&&&&&&& 现利用可靠度加速算法推导t时刻构件的动态可靠度。 1)中心点处功能函数增量 ZtR0tGQt (15) 2)初始验算点坐标 14 *12RtR0t*GSG222Zt1112*1QtQTOln222Zt0111 (16) 3)当量正态化处理 对抗力R而言: R*t RttR*t1lnR*t Rt (17) 对活载效应Q而言: FQQ*expexpy****fQexpyFQ (18) QQ1FQQ**Q*fQQ*1*QFQQ* (19) *QQ 4)计算可靠指标及设计验算点 将上述式子代入 t RtGQt (20) 即可求出已有混凝土桥梁结构的动态可靠指标,一般情况下,只需计算一轮,就能得到较好的近似解,需要时可重复式(17~20),进行迭代计算. 15 3.3 影响结构承载能力的因素以及荷载模型 3.3.1 影响工程结构承载能力的因素 结构可靠度的定义为，在规定的时间内和规定的条件下结构完成预定功能的概率，因此可靠度是一个与时间密切相关量。由于自然环境(腐蚀、硫化、氯化等)、混凝土老化和荷载效应等都会影响桥梁结构的抗力，从而使结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的能力下降，即结构可靠度下降。 在结构使用过程中，受荷载作用、外界环境作用及结构材料内部的影响，结构性能随时间是一个复杂的物理、化学和力学损伤过程，因此结构抗力随时间的变化是上述三种影响因素的函数，而且每一种影响因素都是一个复杂的随机过程。如空气中二氧化碳的浓度随时间和地点不同，混凝土的碳化深度也有所不同。一般情况下，结构性能的变化与结构所处的环境及工作条件有关，如沿海或近海地区结构的钢筋易于腐蚀，工业厂房较民用建筑更易于遭到损坏，因此在不同环境和不同使用条件下结构的抗力变化规律也是不同的，在结构分析和设计中应区别对待。 1.混凝土碳化 混凝土碳化是空气、土壤和地下水中的二氧化碳渗入到混凝土内部，与水泥石中的碱性物质发生反应的过程。由于混凝土碱性降低，使已经形成的钢筋表面钝化膜遭到破坏，在有氧和水存在时，钢筋被腐蚀。钢筋锈蚀减小了钢筋锈蚀减小了钢筋的截面积，同时也会影响钢筋和混凝土的粘结力，从而使结构构件的抗力降低。 2.硫酸盐腐蚀 硫酸盐腐蚀是混凝土腐蚀中最广泛、最普通的化学腐蚀形式之一。在自然环境中，硫酸盐常存在与地下水中，当土壤中的粘土比例较高时更是如此。硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，体积发生膨胀，使混凝土瓦解。硫酸盐不仅会腐蚀埋置在土壤接触的钢筋混凝土构件，也同时常会使地面以上的混凝土构件遭到腐蚀。混凝土遭到硫酸盐腐蚀的特征是表面发白，接着裂缝开展、混凝土剥落。 3.钢筋和钢板的锈蚀 结构工程中常用的钢材为普通碳素钢和普通低合金钢。钢材中除含有主要成分铁外，还很有少量的其它金属元素(Mn, V, Ti)和非金属元素((Si, C, S,P, 0, N)，而且钢筋混凝土结构内部在物理、化学方面也存在着不均匀性，这些使结构内部产生不同程度的电位差，因此处于混凝土液相介质中的钢筋，通常具备了电化学腐蚀的条件，当钢筋的钝化膜被破坏之后，并存在水和氧时，钢筋开始锈蚀。 4.材料疲劳损伤 由于桥梁所采用的材料实际上存在许多微小的缺陷，所承受的车辆荷载和风荷载都是随机动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，在循环荷载作用下，这些缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，逐步在构件中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹得不到有效控制，可能会引起 16 材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。已有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。腐蚀环境下钢板的锈蚀对桥梁结构疲劳性能的影响较对静态性能的影响严重得多，这种锈蚀不仅削弱了钢板的有效面积，更严重的是钢筋锈蚀的不均匀性将导致钢筋应力的集中。这就需要知道不同环境和不同混凝土材料特性下疲劳性能随时间变化的实验和实测数据。疲劳损伤不仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效。 3.3.2 钢筋混凝土桥梁结构抗力时变特征及荷载模型总述 钢筋混凝土桥梁抗力主要和结构的材料特性及各种材料间相互作用有关，故桥梁的抗力模型实质上就是各种材料工作特性的时变模型及各种材料共同工作的时变模型。荷载模型主要是指荷载在不同时间的密集程度，对不同等级的桥梁采用不同的荷载模型进行分析研究。 桥梁结构抗力的影响因素 桥梁抗力是桥梁构件材料力学性能和几何关系的函数。由于材料的力学性能和几何特征具有随机性，并受周围环境的影响变化明显，因此桥梁构件抗力受诸多因素的影响，下面着重从三方面进行阐述。 一、不确定因素的影响 1.材料性能的不确定性 桥梁构件材料性能是指桥梁构件中材料的各种物理力学性能，如强度、弹性模量、泊松比、收缩、膨胀等。 桥梁构件材料性能的不确定性，主要是指由于材料品质以及制作工艺，受荷情况，外形尺寸，环境条件等因素引起的构件中材料性能的变异性。在桥梁工程问题中，各种材料性能的标准值是根据标准试件和标准试验方法确定的，并以一个时期内全国有代表性的生产单位的材料性能的统计结果作为全国平均生产水平的代表。由于标准试件本身的材料性能具有不确定性，且它和真实结构之中的材料之间有新的不确定性因素，因此，对于桥梁构件材料性能的不确定性，不仅要考虑标准试件性能的变异，而且还要进一步考虑实际结构材料性能与标准试件材料性能的差异，构件实际工作条件与标准试验条件的差别产生的不确定性等。 2.几何参数的不确定性 桥梁构件几何参数是指桥梁构件的截面几何特征，如高度、宽度、面积、混凝土保护层厚度、箍筋间距等。桥梁构件几何参数的不确定性，主要是指制作尺寸偏差和安装误差等引起的桥梁构件几何参数的变异性。它反映了制作安装后的实际构件与所设计的标准构件之间几何上的差异。 3.计算模式的不确定性 桥梁构件的计算模式的不确定性，主要是指抗力计算中采用的基本假设和计算公式的 17 不精确等引起的变异性。例如，在建立计算公式的过程中，常采用理想弹性、理想塑性、各向同性、符合平截面变形等假定条件，常采用矩形、三角形等简单应力图形来代替实际应力分布，边界条件也常简化为简支、固定等理想条件代替复杂的实际边界条件。所有这些处理，必然造成实际桥梁构件的抗力与按公式计算的抗力之间的差异。 二、环境因素的影响 钢筋混凝土结构一般由混凝土和钢筋两种材料组成，故其结构性能也主要体现于这两种材料的性能和相互作用。 环境对桥梁结构的影响是对结构可靠度研究考虑的重要内容，因为在不同的环境下混凝土结构的碳化、钢筋的锈蚀及其他有害物质的侵蚀等程度不一样，且环境对结构的影响是一个渐变的过程，这个渐变过程使得结构可靠度随时间逐步降低。环境对结构的影响一般分为两类:一类是自然环境的影响，一类是使用环境的影响。 自然环境的影响是指自然环境中的腐蚀介质对结构的侵蚀作用，除自然界本身存在的腐蚀介质的影响外，还包括现代工业发展引起的环境污染对结构产生的不利影响或使腐蚀过程加剧。一般情况下，混凝土保护层对混凝土结构中的钢筋具有保护作用。在自然环境条件下，诱发钢筋锈蚀的主要原因是侵蚀使混凝土保护层中性化，导致钢筋表面的钝化膜消失。在潮湿环境下，诱发钢筋锈蚀的主要原因是氯离子侵蚀。大量调查表明，潮湿环境下的普通混凝土结构，由氯离子侵蚀诱发的锈蚀要快于由混凝土碳化诱发的锈蚀。 使用环境的影响是指人类生活环境和工业生产对结构产生的不利作用，这些不利作用往往是人为因素引起的。使用环境对结构的不利影响以化学介质对结构的腐蚀最为普遍，这种腐蚀大都发生在石化、化工、轻工及纺织印染等工厂，腐蚀程度与腐蚀速度与厂房中侵蚀性气体的含量、成分、浓度、生产工艺及其他因素有关。除使用环境中的化学侵蚀介质对结构的危害外，使用环境的物理作用也会对结构的性能造成危害。 三、桥梁结构材料自身因素的影响 在自然环境中，结构的材料随着时间的推移会逐渐老化，老化的结果是使材料的性能下降，强度降低。除此之外，结构中的一些活性材料也会与其它组成材料发生缓慢的化学反应，这种反应不仅使材料的化学成分发生了变化，而且生成物所产生的膨胀压力会导致结构发生破坏。混凝土的碱一骨料反应就是这种内部作用之一，消除碱一骨料反应的措施是使用低碱水泥、限制混凝土含碱性、使用非活性骨料及改善施工、使用条件。 对已有结构的实际调查表明，因为以往对结构的耐久性设计不重视，许多结构使用时间不长就需要花费较多的资金加固、维修，有时加固、维修费用超过了结构的初始造价，甚至一些结构在建成不久由于损坏严重不得不拆除重建，所以说这些因素在桥梁使用寿命评估中都必须考虑。 3.3.3 桥梁结构抗力变化 一般大气环境下，桥梁结构的抗力衰减是多因素综合作用的，主要有以下三个方面的影响: 18 1.环境的影响 所谓环境的影响，主要是指混凝土碳化，并引起钢筋锈蚀。混凝土碳化是空气、土壤或地下水中的二氧化碳侵入到混凝土内部，并与水泥石中的氢氧化钙等碱性物质发生反应的过程，由于混凝土碱性的降低，使已经形成的钢筋表面钝化膜遭到破坏，在有氧和水存在时钢筋被腐蚀。随着锈蚀的发生和发展，混凝土保护层开裂甚至剥落使构件有效截面积减少，同时钢筋与混凝土之间粘结性能降低乃至失去共同协作能力，最终削弱钢筋混凝土构件乃至结构的承载力及适用性，缩短结构的使用寿命。 2.荷载的影响 桥梁常常承受超过设计标准的车辆荷载，这对结构常常造成严重的影响，导致结构的损伤累积。荷载对桥梁的累积损伤作用又可分为两种，即:静态累积损伤作用和动态累积损伤作用，静态累积损伤是指在静态荷载作用下结构损伤随时间的累积。另外，在不变荷载作用下结构构件的蠕变也是累积损伤的结果。 3.自身的作用 在大气环境中，桥梁结构的材料随着时间的增长会逐渐老化，老化的结果使得材料的性能下降，强度降低。除此之外，组成结构的一些活性材料随着时间的增长会发生缓慢的化学反应，这种反应不仅使结构材料的化学成份发生了变化，而且会因为生成的新物质产生的胀压力使结构发生破坏。混凝土的碱骨料反应即是这种内部作用之一。 在此主要考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀及钢筋混凝土强度对桥梁结构抗力衰减的影响。首先分别介绍混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土强度、钢筋强度等单因素对桥梁结构抗力衰减造成的影响，然后再建立多因素综合作用下结构抗力衰减模型。 表4-1 混凝土桥梁结构抗力衰减多因素影响机制 19 第四章 工程实例 北方地区某座在役钢筋混凝土简支T梁桥，桥面净宽7m,计算跨径20m,混凝土标号为C25，沥青混凝土桥面铺装层平均厚10cm,受拉区采用8φ32 钢筋，桥梁横断面及单根主梁横截面见图1。每侧的栏杆及人行道构件重量的作用力为5KN/m。该桥梁已使用40年。本次对前后车距采用平均值5.0m进行汽车加载，得到汽车荷载效应的均值和标准差。由于五片梁对称于桥轴线，配筋情况均相同，仅荷载横向分配系数及恒载不同，故以下仅以边主梁为例进行分析。三个服从正态分布的变量的极限状态方程，不用迭代计算可靠度指标β。为方便分析，本例采用可靠度指标来分析反应各种因素对桥梁承载能力的影响程度和大小，算例采取简化的方式，概略的计算抗力改变、活载发生变化时的桥梁可靠度变化，分析其变化规律。由统计数据并将其简化为正态分布的荷载、抗力值分别为边主梁的跨中弯矩 ：抗力即结构可承受的弯矩设计值均值和标准差分别Mk~N(3000KNm,30KNm);恒荷载在边主梁产生的弯矩均值和标准差分别为 Mh~N(1200KNm,10KNm);活荷载中的汽车荷载在边主梁产生的弯矩均值和标准差分别为Mq~N(1360KNm,20KNm);人群荷载在边主梁产生的弯矩均值和标准差分别为Mr~N(80KNm,5KNm)。 图5-1 桥梁横断面及单根主梁横断面图 (单位：cm) 4.1 桥梁荷载计算 4.1.1恒载内力计算 钢筋混凝土公路桥梁的恒载，往往占全部设计荷载很大的比重，梁的跨径越大，恒载 20 所占的比重也就愈大。因此，应准确的算出作用于梁上的恒载。在确定计算恒载时，习惯上往往将沿桥跨分点作用的横隔梁重量、沿桥横向不等分的铺装层重量以及作用于两侧的人行道和栏杆等重量均匀分布地分摊给各主梁承受。因此，对于等截面梁桥的主梁，其计算恒载是均布荷载。确定了计算恒载之后，就可按一般材料力学公式计算出梁内各截面的弯矩M和剪力Q。 (1)恒载集度 0.080.14主梁：g0.181.30(1.600.18)2.509.76KN/m 2 横隔梁： 对于边主梁： 0.080.141.600.18g21.000..500.61KN/m 22 对于中主梁： g1 220.0611.22KN/m 桥面铺装层： 1g30.027.002.30(0.060..4/53.71KN/m 2 栏杆和人行道： g40.52/52.00KN/m 作用于边主梁的全部恒载强度为： ggi9.760.613.712.0016.08KN/m 作用于中主梁的全部恒载强度为： g19.761.223.712.0016.69KN/m (2)恒载内力 计算边主梁的弯矩和剪力，计算式如下。 glxgxMxxgx(lx) 222 glgQxgx(l2x) 22 各计算截面的剪力和弯矩值列于下表。 表5-1 边主梁恒载内力 21 4.1.2 活载内力计算 标准跨径为20米的五梁式装配式钢筋混凝土简支梁桥，边主梁在汽车-20级和人群荷载Pr2 .5KN/m2作用下的跨中最大弯矩和最大剪力以及支点截面的最大剪力。横向荷载分布系数可查相应的表格得知。 当计算简支梁各截面的最大弯矩和跨中最大剪力时，可以近似取用不变的跨中横向分布系数m0，因此还可以方便的利用等代荷载来计算，计算公式为： S(1)mck 式中， S所求截面的弯矩或剪力; (1+μ)--汽车荷载的冲击系数，按《公路桥规》规定取值，对于挂车、履带车和人群荷载均不计冲击影响，即(1+μ)=1; ξ多车道桥涵的汽车荷载折减系数，按《桥规》规定取用; mi--沿桥跨纵向与荷载位置对应的横向分布系数; K一行车辆或履带荷载的等代荷载值，可由等代荷载表查得;当计算人群荷载内力时，k表示纵向每延米人群荷载的强度。 --弯矩或剪力影响线的面积 (1) 荷载横向分布系数汇总 表5-2 荷载横向分布系数汇总 (2)计算汽车活荷载的跨中弯矩 按式S(1)mck计算，其中 22 (1)11.301.00(.191 455 1，双车道不折减， 查等代荷载表，k=26.50KN/m,按跨中弯矩影响线，查等代荷载表得出 11l219. 88 故得：Ml,q(1)mcqk1...06KNm 2 (3)计算人群荷载的跨中弯矩 Ml,qmcrpor0.620(2.50.75)47.5355.3KNm 2 (4)计算跨中截面汽车活载最大剪力 鉴于跨中剪力Ql影响线的较大坐标位于跨中部分，故也采用全跨统一的荷载横向分布 2 系数mc来计算。 由等代荷载表查得k51.28KN/m .438m2 22 故得：Ql1..282.43875.05KN 2,q (5) 计算跨中截面人群荷载最大剪力 Qlmcpor0.620(2.50.75)2.4382.83KN 2,r (6) 计算支点截面汽车荷载最大剪力 S(1)miPiyi 其中，mi--沿桥跨纵向与荷载位置对应的横向分布系数; Pi--车辆荷载的轴重; yi--沿桥跨纵向与荷载位置对应的内力影响线坐标值。 其他与前公式意义相同。 S(1)miPiyi1.0...210)157.04KN (7) 计算支点截面人群荷载最大剪力 附加三角形荷载重心处的影响线坐标为 1Y1(19.54.9)/19.50.916 3 23 则人群荷载的支点剪力为 QormcPora1(momc)pory0.620)2.50.75)9.754.9 22 (1..50.75)0.91614.70KN 4.1.3 主梁内力组合 为了按各种极限状态来设计、验算钢筋混凝土桥梁，就需要确定主梁沿桥跨方向各个截面的计算内力，就是将各类荷载引起的最不利内力分别乘以相应的荷载安全系数后，按规定的荷载组合而得到的内力值。 按承载能力极限状态设计时，荷载组合和安全系数按下列规定选取。 恒载和活载产生同号内力时，荷载组合SI j1.2SG1.4SQI1.1SQI SI j--荷载组合相应的计算内力(弯矩、剪力); --基本可变荷载中结构重力产生的内力(弯矩、剪力); SQI --基本可变荷载中平板挂车或履带产生的内力。 SQI 计算得出边主梁的跨中弯矩分别为：恒载弯矩Mh764.3KNm，活载中汽车荷载弯矩Mq756.06KNm，人群荷载弯矩 Mr55.3KNm。则边主梁的跨中弯矩组合值为Mz1.2Mh1.1MqMr1.6.0655.3 917..KNm 边主梁的跨中剪力 QB,z1.2Qh1.1QqQr1.201.175.052.KN 支点截面的最大剪力 Qz,m1.2Qh1.1QqQr1.7.0414.70 188..KN 其中，恒载弯矩 1.2Mh1.KN.m1200KN.m 汽车荷载弯矩 1.1Mq1..666KN.m1360KN.m 人群荷载弯矩 Mr55.3KN.m80KN.m 组合值Mz1804.26KN.m40KN.mMk3000KN.m均在设计考虑值范围之内。故安全。 24 4.2 用一次二阶矩法中的验算点法计算结构的可靠度 边主梁的跨中弯矩极限状态方程为： ZMkMhMqMr0 解：在使用期间，假设桥梁的抗力、恒载、汽车荷载、人群荷载等的变化均不计时，假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk3000KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g Mkkk=-30 KN.m gMhhh=10 KN.m P*P*g MqP*qq=20 KN.m gMrP*rr=5 KN.m 由COS的公式 COSkk h2k2h2q2r = -30/37.749 = 0.795 COSh q2k2h2q2r = 10/37.749 = 0.265 COSq r2k2h2q2r = 20/37.749 = 0.530 COSr2 k2h2q2r = 5/37.749 = 0.132 22qr37.749) (注：k2h 由坐标转换公式可以得到设计验算点在原坐标系的坐标为 *MkkkCOSk *MhhhCOSh12002.65 *MqqqCOSq 25 Mr*rrCOSr.66 代入极限状态方程，得ZMkMhMqMr0 即 ***MkMhMhMr*(0.66)0解方程，得 β=9.5339 满足结构可靠度要求，其承载能力符合条件。 结论：在使用期间，假设桥梁的抗力、恒载、汽车荷载、人群荷载等的变化均不计时，桥梁的承载能力符合要求。 4.3 在役公路桥梁承载能力分析 4.3.1 抗力随使用时间变化对桥梁可靠度影响 均值 Mk(10.KN.m 平方差k(10.00008n)30KN.m 其中n为桥梁在役年数，即使用的年数。分析在使用n年后，桥梁的可靠度，进而分析如果桥梁所承受的荷载不变而抗力随时间发生变化时，桥梁承载能力的变化。 (1) 手算计算过程如下: 1、则当n=40时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2928KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.096KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2928KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g MkP*kk=-30.096 KN.m gMh g MrP*hh=10 KN.m gMqP*qq=20 KN.m P*rr=5 KN.m 由COS的公式 26 COSkk h2k2h2q2r = -30.096/37.8255 = -0.7957 COSh q2k2h2q2r = 10/37.8255 = 0.2644 COSq r2k2h2q2r = 20/37.8255 = 0.5287 COSr2 k2h2q2r = 5/37.8255 = 0.0..5) (注k2h 由坐标转换公式可以得到设计验算点在原坐标系的坐标为 *MkkkCOSk *MhhhCOSh *MqqqCOSq Mr*rrCOSr.661 代入极限状态方程，得 ZMkMhMqMr0 即 ***MkMhMhMr*()()(800.661)0解方程，得 β=7.6291 2、当n=100时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2820KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.24KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2820KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g Mkkk=-30.24 KN.m gMhhh =10 KN.m P*P* 27 g MqP*qq=20 KN.m gMrP*rr=5 KN.m 由COS的公式 COSkk h2k2h2q2r = -30.24/37.940 = 0.7970 COSh q2k2h2q2r = 10/37.940 = 0.2636 COSq r2k2h2q2r = 20/37.940 = 0.5271 COSr2 k2h2q2r = 5/37.940 = 0.0..) (注：k2h 由坐标转换公式可以得到设计验算点在原坐标系的坐标为 *MkkkCOSk *MhhhCOSh *MqqqCOSq Mr*rrCOSr.659 代入极限状态方程，得 ZMkMhMqMr0 即 ***MkMhMhMr*()()(800.659)0解方程，得 β=4.7686 3、当n=50时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2910KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.12KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2910KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 28 先求COSxi g Mkkk=-30.12 KN.m 别的指标不发生变化。 P* 22qr230..6) (注k2h 采用简化方式将过程简化，将数值代入计算，可得桥梁的可靠度 1 38.5 4、当n=60时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2892KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.144KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2892KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g MkP*kk=-30.144 KN.m 其余不变。 22qr230..7) (注k2h 采用简化方式将过程简化，将数值代入计算，可得桥梁的可靠度 3 37.8 5、当n=70时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2874KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.168KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2874KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g MkP*kk=-30.168 KN.m 其余不变。 22qr230..8) (注k2h 29 采用简化方式将过程简化，将数值代入计算，可得桥梁的可靠度 1 37.4 6、当n=80时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2856KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.192KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2856KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g MkP*kk=-30.192 KN.m 22qr230..9) (注k2h 采用简化方式将过程简化，将数值代入计算，可得桥梁的可靠度 4 37.7 7、当n=90时，桥梁的可靠度计算过程如下： Mk(10.KN.m(10.0KN.m2838KN.m k(10.00008n)30KN.m(10.KN.m30.216KN.m 假定验算点P*的坐标值初值为其均值，即 ***Mk2838KN.m Mh1200KN.m Mq1360KN.m Mr*80KN.m 将其带入求得可靠度指标。 先求COSxi g MkP*kk=-30.216 KN.m 22qr230..1) (k2h 采用简化方式将过程简化，将数值代入计算，可得桥梁的可靠度 1 38.3 30 (2) 为了减少计算量，采用Visual Basic 程序进行编程。 输入年数时，运行程序，得出 n=40 β= 7.613909 n=45 β= 7.374113 n=50 β= 7.134438 n=55 β= 6.894883 n=60 β= 6.655449 n=65 β= 6.416135 n=70 β= 6.176942 (3) 将手算结果和计算机计算结果对照如下 表5-3 仅抗力变化时可靠度计算手算与编程计算所得的结果对比 n=75 β= 5.93787 n=80 β= 5.698917 n=85 β= 5.460085 n=90 β= 5.221373 n=95 β= 4.982781 n=100 β= 4.74431 31 从表中可以看出，手算计算结果和编程计算结果数据很接近，误差不大。 将桥梁可靠度随抗力的变化绘制成图表，如下： 图5-1 仅抗力发生变化，其他荷载不变时的桥梁可靠度 结论：从上面可见，如果荷载在今后不发生变化，仅抗力减小，桥梁在使用100年时其可靠度β= 4.74431& 【β】=3.7 ,满足承载能力的要求，在这种情况下，则桥梁再使用60年也能满足承载能力的要求。通过计算可以得到单纯考虑结构抗力的降低对桥梁可靠度的影响规律，从而判断出桥梁在满足设计功能要求的情况下的使用年限。通过计算也表明桥梁当初在设计时比较保守，设计充分考虑了桥梁结构在其使用年限内,可能受到的频繁的承载,甚至超载作用,和自然灾害的侵袭,以及交通事故等人为事端的侵袭。 32 第五章 结论与展望 对于待建桥梁和已建桥梁，对其寿命进行可靠性分析，是我国工程界亟待解决的问题。 在我国现行的工程结构可靠度标准中,对各类结构构件可靠度的分析,采用的是国际“结构安全度联合委员会”(JESS)所推荐的“一次二阶矩法”。按现行标准设计的结构构件,其可靠指标仅反映了其在设计基准期内的可靠度,是一常量。然而,对于已有混凝土桥梁结构,其可靠性指标随使用时间的增加而出现逐渐减弱的动态趋势,因此,其可靠性指标是与时间有关的随机过程,是动态可靠度。 运用可靠度理论，对桥梁钢筋锈蚀引起结构性能的退化进行了全程分析，从钢筋锈蚀量和粘结性能的退化，分析了结构可靠性的下降，对桥梁的耐久性做出了评价。通过对桥梁混凝土构件中钢筋锈蚀状况的检测，实现对结构的使用寿命的预测和加固时机的选择。由于有关钢筋锈蚀状况参数与利用结构等效抗力这一概念，可以计算出不同时刻结构的可靠度水平，从而可以钢筋锈蚀速度之间干系还需进一步验证，锈蚀速度模型还应进一步完善。 33 参考文献 1.中华人民共和国国家标准.工程结构可靠度设计统计标准(GB50153-92).北京:中国计划出版社，1992 2.赵国藩.工程结构可靠性理论与应用〔M].大连:大连理工大学出版社，1996. 3.夏明进，霍达，滕海文.现有桥梁的可靠性分析.北京工业大学学报.2004,30(l):89-92 4.禹智涛，韩大建.既有桥梁可合靠性的综评估方法.中南公路工程. ) :8-12 5.田卿燕，李凯.混凝土桥梁的现场检测和可靠性评估.国外桥梁.-24 6.杨伟军，张建仁等.服役桥梁评估荷载分析.中南公路工程.):31-33 7.邢尚青，姜增国.既有RC梁桥使用寿命可靠性分析，黑龙江工程学院学报.):14-16 8.周世浩，彭敏等.现役钢筋混凝土桥梁荷载与抗力分析.桥梁建设.2005(l):15-18 9.杨虎荣，周世浩等.现役钢筋混凝土简支梁桥时变可靠度分析世界梁.2 10.王季青，张建仁等.基于动态可靠性的服役桥梁保险.中南公路工程.):92-94 11.郑蕊，李兆霞.基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估.东南大学学报:自然科学版.):71-73 12.胡业平，屠义强.军用桥梁疲劳可靠性分析中的荷载效应解放军理工大学学报:自然科学版。):39-41 13.贡金鑫. 工程结构可靠度计算方法. 大连: 大连理工出版社，2003 14.赵国藩等. 结构可靠度理论. 北京: 中国建筑工业出版社，2000 15.张新培. 建筑结构可靠度分析与设计.成都:四川大学出版社，2001 16.中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.北京:人民交通出版社，2004 17.王钧利.影响桥梁结构耐久性的主要因素及应对措施.中外公路，: 61-64 34 致 谢 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后，我要向在百忙之中抽时间对 35 外文文献 Civil engineering Civil engineering is a professional engineering discipline that deals with the design, construction and maintenance of the physical and naturally built environment, including works such as bridges, roads, canals, dams and buildings. Civil engineering is the oldest engineering discipline after military engineering, and it was defined to distinguish non-military engineering from military engineering. It is traditionally broken into several sub-disciplines including environmental engineering, geotechnical engineering, structural engineering, transportation engineering, municipal or urban engineering, water resources engineering, materials engineering, coastal engineering, surveying, and construction engineering. Civil engineering takes place on all levels: in the public sector from municipal through to federal levels, and in the private sector from individual homeowners through to international companies. History of the civil engineering profession Engineering has been an aspect of life since the beginnings of human existence. The earliest practices of Civil engineering may have commenced between 4000 and 2000 BC in Ancient Egypt and Mesopotamia (Ancient Iraq) when humans started to abandon a nomadic existence, thus causing a need for the construction of shelter. During this time, transportation became increasingly important leading to the development of the wheel and sailing. The construction of Pyramids in Egypt (circa
BC) might be considered the first instances of large structure constructions. Other ancient historic civil engineering constructions include the Parthenon by in Ancient Greece (447-438 BC), the Appian Way by Roman engineers (c. 312 BC), the Great Wall of China by General under orders from Chin Emperor Shih Huang Ti (c. 220 BC) and the constructed in ancient Sri Lanka like the and the extensive irrigation works in Anuradhapura. The Romans developed civil structures throughout their empire, including especially aqueducts, bridges, dams and roads. Until modern times there was no clear distinction between civil engineering and architecture, and the term engineer and architect were mainly geographical variations referring to the same person, often used interchangeably. In the 18th century, the term civil engineering was coined to incorporate all things civilian as opposed to from military engineering. The Archimedes screw was operated by hand and could raise water first self-proclaimed civil engineer was John who constructed the Lighthouse. In 1771 and some of his colleagues formed the Society of Civil Engineers, a group of leaders of the profession who met informally over dinner. Though there was evidence of some technical meetings, it was little more than a social society. In 1818 the Institution of Civil Engineers was founded in London, and in 1820 the eminent engineer Thomas Telford became its first president. The institution received a Royal Charter in 1828, formally civil engineering as a profession. Its 36 charter defined civil engineering art of directing the great sources of power in nature for the use and convenience of man, as the means of production and of traffic in states, both for external and internal trade, as applied in the construction of roads, bridges, aqueducts, canals, river navigation and docks for internal intercourse and exchange, and in the construction of ports, moles, breakwaters and lighthouses, and in the art of navigation by artificial power for the purposes of commerce, and in the construction and application of machinery, and in the drainage of cities and towns. The first private college to teach Civil Engineering in the United States was Norwich University founded in 1819 by Captain Alden Partridge. The first degree in Civil Engineering in the United States was awarded by Rensselaer Polytechnic Institute in 1835. The first such degree to be awarded to a woman was granted by Cornell University to Nora Stanton in 1905. The education and licensure of the civil engineer Civil engineers typically possess an academic degree with a major in civil engineering. The length of study for such a degree is usually three to five years and the completed degree is usually designated as a Bachelor of Engineering, though some universities designate the degree as a Bachelor of Science. The degree generally includes units covering physics, mathematics, project management, design and specific topics in civil engineering. Initially such topics cover most, if not all, of the sub-disciplines of civil engineering. Students then choose to specialize in one or more sub-disciplines towards the end of the degree. While an Undergraduate Degree will normally provide successful students with industry accredited qualification, some universities offer postgraduate engineering awards which allow students to further specialize in their particular area of interest within engineering. In most countries, a Bachelors degree in engineering represents the first step towards professional certification and the degree program itself is certified by a professional body. After completing a certified degree program the engineer must satisfy a range of requirements (including work experience and exam requirements) before being certified. Once certified, the engineer is designated the title of Professional Engineer (in the United States, Canada and South Africa), Chartered Engineer (in most Commonwealth countries), Chartered Professional Engineer (in Australia and New Zealand), or European Engineer (in much of the European Union). There are international engineering agreements between relevant professional bodies which are designed to allow engineers to practice across international borders. The advantages of certification vary depending upon location. For example, in the United States and Canada &only a licensed engineer may prepare, sign and seal, and submit engineering plans and drawings to a public authority for approval, or seal engineering work for public and private clients. This requirement is enforced by state and provincial legislation such as Quebecs Engineers Act. In other countries, no such legislation exists. In Australia, state licensing of engineers is limited to the state of Queensland. Practically all certifying bodies maintain a code of ethics that they expect all members to abide by or risk expulsion. In this way, these organizations play an important role in maintaining ethical standards for the profession. Even in jurisdictions where certification has little or no legal bearing on work, engineers are 37 subject to contract law. In cases where an engineers work fails he or she may be subject to the tort of negligence and, in extreme cases, the charge of criminal negligence.[citation needed] An engineers work must also comply with numerous other rules and regulations such as building codes and legislation pertaining to environmental law. The classification of the civil engineer Coastal engineering Coastal engineering is concerned with managing coastal areas. In some jurisdictions the terms sea defense and coastal protection are used to mean, respectively, against flooding and erosion. The term coastal is the more traditional term, but coastal management has become more popular as the field has expanded to include techniques that allow erosion to claim land. Construction engineering Construction engineering involves planning and execution of the designs from transportation, site development, hydraulic, environmental, structural and geotechnical engineers. As construction firms tend to have higher business risk than other types of civil engineering firms, many construction engineers tend to take on a role that is more business-like in nature: drafting and reviewing contracts, evaluating logistical operations, and closely-monitoring prices of necessary supplies. Earthquake engineering Earthquake engineering covers ability of various structures to withstand hazardous earthquake exposures at the sites of their particular location. Earthquake engineering is a sub discipline of the broader category of Structural engineering. The main objectives of earthquake engineering are:[citation needed] Snapshot from shake-table video of testing base-isolated (right) and regular (left) building interaction of structures with the shaky ground. Foresee the consequences of possible earthquakes. Design, construct and maintain structures to perform at earthquake exposure up to the expectations and in compliance with building codes. Earthquake engineering structure does not necessarily mean &extremely strong& or &expensive&, e.g., El Castillo pyramid at Itza shown above. Now, the most powerful and budgetary tool in earthquake engineering is base isolation which pertains to the passive structural vibration control technologies. Environmental engineering Environmental engineering deals with the treatment of chemical, biological, and/or thermal waste, the purification of water and air, and the remediation of contaminated sites, due to prior waste disposal or accidental contamination. Among the topics covered by environmental engineering are pollutant transport, water purification, waste water treatment, air pollution, solid waste treatment and hazardous waste management. Environmental engineers can be involved with pollution reduction, green engineering, and industrial ecology. Environmental engineering also deals with the gathering of information on the environmental consequences of proposed actions and the assessment of effects of proposed actions for the purpose of assisting society and policy makers in the decision making process. 38 Environmental engineering is the contemporary term for sanitary engineering, though sanitary engineering traditionally had not included much of the hazardous waste management and environmental remediation work covered by the term environmental engineering. Some other terms in use are public health engineering and environmental health engineering. Geotechnical engineering Geotechnical engineering is an area of civil engineering concerned with the rock and soil that civil engineering systems are supported by. Knowledge from the fields of geology, material science and testing, mechanics, and hydraulics are applied by geotechnical engineers to safely and economically design foundations, retaining walls, and similar structures. Environmental concerns in relation to groundwater and waste disposal have spawned a new area of study called engineering where biology and chemistry are important. Some of the unique difficulties of geotechnical engineering are the result of the variability and properties of soil. Boundary conditions are often well defined in other branches of civil engineering, but with soil, clearly defining these conditions can be impossible. The material properties and behavior of soil are also difficult to predict due to the variability of soil and limited investigation. This contrasts with the relatively well defined material properties of steel and concrete used in other areas of civil engineering. Soil mechanics, which define the behavior of soil, is complex due to stress-dependent material properties such as volume change, stressstrain relationship, and strength. Water resources engineering Water resources engineering is concerned with the collection and management of water (as a natural resource). As a discipline it therefore combines hydrology, environmental science, meteorology, geology, conservation, and resource management. This area of civil engineering relates to the prediction and management of both the quality and the quantity of water in both underground (aquifers) and above ground (lakes, rivers, and streams) resources. Water resource engineers analyze and model very small to very large areas of the earth to predict the amount and content of water as it flows into, through, or out of a facility. Although the actual design of the facility may be left to other engineers. Hydraulic engineering is concerned with the flow and conveyance of fluids, principally water. This area of civil engineering is intimately related to the design of pipelines, water distribution systems, drainage facilities (including bridges, dams, channels, culverts, levees, storm sewers), and canals. Hydraulic engineers design these facilities using the concepts of fluid pressure, fluid statics, fluid dynamics, and hydraulics, among others. Materials engineering Main article: Materials science Another aspect of Civil engineering is materials science. Material engineering deals with ceramics such as concrete, mix asphalt concrete, metals Focus around increased strength, metals such as aluminum and steel, and polymers such as (PMMA) and carbon fibers. Materials engineering also consists of protection and prevention like paints and 39 finishes. Alloying is another aspect of material engineering, combining two different types of metals to produce a stronger metal. Structural engineering Structural engineering is concerned with the structural design and structural analysis of buildings, bridges, towers, flyovers, tunnels, off shore structures like oil and gas fields in the sea, and other structures. This involves identifying the loads which act upon a structure and the forces and stresses which arise within that structure due to those loads, and then designing the structure to successfully support and resist those loads. The loads can be self weight of the structures, other dead load, live loads, moving (wheel) load, wind load, earthquake load, load from temperature change etc. The structural engineer must design structures to be safe for their users and to successfully fulfill the function they are designed for (to be serviceable). Due to the nature of some loading conditions, sub-disciplines within structural engineering have emerged, including wind engineering and earthquake engineering. Design considerations will include strength, stiffness, and stability of the structure when subjected to loads which may be static, such as furniture or self-weight, or dynamic, such as wind, seismic, crowd or vehicle loads, or transitory, such as temporary construction loads or impact. Other considerations include cost, constructability, safety, aesthetics and sustainability. 40 土木工程 土木工程是一个专业的工程学科的设计、施工、维修的物理和自然环境,包括工程修建桥梁、道路、水坝及建筑物,运河。土建工程是最古老的工程学科之后,它是军事技术区别非军事工程定义工程。这是传统的闯入了好几回,包括环境工程、岩土工程勘察、结构工程、交通工程、市政工程、城市水资源工程,材料工程、水利工程、测量、工程建设。土木工程的故事发生在所有层次:在公共部门从市到联邦层面,从个体私营业主通过国际公司。 土木工程专业的历史 土木工程已经成为了一种生活的开端以来,人类的存在。最早的土木工程实践可能开始于公元前2000年之间4000及古埃及和美索不达米亚(古代伊拉克)当人类开始放弃游牧生存, 致使建设需要的避难所。在这段时间里,交通变得越来越重要的研发的车轮和航行。埃及金字塔的建设(大约在公元前)可能会被认为是第一个大型结构施工的实例。其他古代历史土木工程建设中所包含的帕台农神庙447-438古希腊(BC),Appian方式由罗马工程师中国的长城被一般情况下不孟尝君皇帝秦始皇从公元前220。在斯里兰卡舍利塔一样古老,广泛的水利工程在波。罗马帝国在他们发展民用建筑,包括特别是渡槽、港口和道路、桥梁、水坝。 直到近代没有明显的区分土木工程、建筑、工程师、建筑师这个术语主要是地理变异指的是同一个人,经常可以互换。在18世纪,土木工程便将所有事情平民而不是从军事工程。 阿基米德螺丝是用手操作,能有效提高水第一个自称是约翰土木工程师,他们建造灯塔。在1771年和他的一些同事形成土木工程师学会,一群领导人会面的人共进晚餐时非正式职业。尽管有证据的一些技术会议,这不过是一个社会的社会。 在1818年土木工程师学会的成立,并于1820年在伦敦的杰出的工程师托马斯泰尔福德成为第一任总统。这个机构收到一个皇家宪章1828年正式承认土木工程专业。土木工程之宪章明确的领导艺术的伟大的权力来源的性质和方便使用的人,就像你的生产方式和交通状况,为外部和内部交易,适用于建筑的道路、桥梁、沟渠、运河、河流导航和码头为内部往来和交流,并在建设港口、码头、鼹鼠、防波堤、灯塔、和艺术中的导航的人造的权力,在建设和应用机械,在排水的城市和城镇。 第一个私立大学教土木工程在美国大学成立了诺维奇1819年由队长在沼泽地里鹧鸪。第一级土建工程中被授予在美国被应用于1835年理工学院。第一个这样的学位授予一个女人在康奈尔大学,诺拉斯坦顿1905年。 土木工程师的学位和执照 土木工程师通常具有硕士学位,主修民用建筑工程。修业年限为这样一个学位通常是3到5年的时间,完成学位通常被指定为工程学士学位,尽管一些大学的学位,并指定学士。这个学位通常包括单位涵盖物理、数学、项目管理、设计和特定的主题在土木工程。起初这种主题涵盖大部分,如果不是全部,回的土建工程。然后选择专业学生在一个或多个回结束的程度。当一个学士学位的学生通常 41 会提供成功的学生和行业认可资格,一些大学提供研究生工程大奖,让学生进一步专攻特定的区域内的利益工程。 在大多数国家,工程专业本科学历,代表了第一步的专业认证和环境管理体系认证程序本身的专业组织。在完成注册学位项目工程师必须满足一系列的要求(包括工作经验和考试的要求),才能被认可。一旦注册时,工程师被指定了标题的专业工程师(在美国、加拿大、南非等)、注册工程师(大多数英联邦国家)、注册的专业工程师(在澳大利亚和新西兰),或在欧洲的工程师(欧盟)。有国际工程相关专业团体之间的协议旨在让工程师们练习跨国界。 优势的认证根据位置。例如,在美国和加拿大的“只有一个许可的工程师可以准备、签名、盖章,并提交工程计划和图纸转化为一个公共机关批准,或者密封工程为公共和私人的客户。该要求是由国家和省级立法,如魁北克省的工程师的行为。在其他国家,没有这样的立法存在。在澳大利亚,各州许可的工程师是有限的。几乎所有已知的道德准则保持了他们所期望的所有成员都要遵守或风险开除。用这种方法,这些组织中扮演重要角色的职业道德标准,维护。即使在地区具有很少或没有法律关系主体,工程师的工作合同。在某些情况下一个工程师的工作失败时,他或她可以接受的过失侵权行为,在极端情况下,主管的过失犯罪。[引用一个工程师的工作需要]也必须遵循为数众多的各项规章制度,如建筑规范和相关法规环境法律。 土木工程的分类 海岸工程 海岸工程涉及管理沿海地区。在一些区域的条款海防、沿海保护是用来表示,分别防御洪水和流失,。这个学期的海防是更传统的期限,但沿海管理已变得更受欢迎的领域的扩展到包括技术要求,允许侵蚀。 建设工程 建设工程包括策划、执行的设计,从运输、现场发展、液压、环境、结构及岩土工程。作为建筑公司倾向于拥有更高的商业风险比其他类型的土木工程公司,许多建筑工程师倾向于采取一个角色,本质上是更多的商业合同起草、审核:物流运作、评估、价格必要的供应。 抗震工程 抗震工程涵盖能力所能承受的各种结构的危险的地震的暴露在网站的具体地点。 抗震工程是一个子纪律的更广泛的范畴,中国土木水利工程学刊。主要的目标是:[引用地震工程所需]从快照视频的测试(右)与常规隔震建筑 (左)与互动的结构不稳定的地方，预见可能发生的地震的后果，设计、构建和维护结构在地震进行接触到的期望和符合建筑规范。 抗震工程结构不一定是“极其强烈的”或“贵”,例如,艾尔卡斯蒂略奇琴伊察金字塔。现在,最强大的工具,在地震工程概从艺基础隔震结构的振动控制技术的被动(引用)。 环保工程 环保工程处理处理化学、生物、和/或热废物、净化的水和空气,修复已被污染的场所,由于之前的废物处置或者意外污染。在这个主题由环境工程是污染物的运输、水质净化、废水处理、大气污染治理、固体废物处理及有害废弃物管理。环境工程师可以涉及减少污染,绿色工程,工业生态学。环保工程也处理收集信息 42 进行环境影响的评价,提出了影响行为所提出的行动的目的是为了帮助社会和政策的制定者在决策过程。 环境工程是当代的术语,对卫生工程传统没有包括卫生工程的危险废物管理和环境修复工作环境工程所涉及的术语。其他一些术语使用公共卫生工程、环境卫生工程。 岩土工程 岩土工程占地面积土木工程涉及的岩石和土壤,土木工程系统的支持。从这个领域知识的地质、材料科学与测试、力学、液压系统适用于岩土工程安全、经济的设计基础、挡土墙、相似结构。环境问题在与地下水和废物处理产生了一个新的学术领域的称为岩土工程在生物及化学是很重要的。 一些独特的困难的岩土工程的结果和性能的变化。通常是很明确的边界条件的其他土木工程,但与土壤,明确这些情况会是不可能的。该材料的性能和行为的土壤也很难预测变异的土壤和有限的调查。这与之相对良好定义的钢筋混凝土的材料性能适用于其他地区的民用建筑工程。土力学行为的定义、土壤、是因复杂材料的性能,如体积变化、应力应变关系和力量。 水利工程 水利工程涉及的采集、处理和水(作为一种自然资源)。作为一个学科,因此结合水文地质、环境科学、气象、地质、保护、资源管理。这个地区的土木工程与预测和管理的质量和数量的水在地下蓄水层),(地面(的湖泊、河流和小溪)资源。分析和模型的水资源工程师非常非常小的大范围地预测的数量和内容的水流入通过,或从一个设备。虽然在实际设计的设备可以留给其他工程师。水利工程涉及的流动和输送液体,主要是水。这个地区有密切关系的土木工程的设计,配水系统的管道,排水设施(包括桥梁、水坝、渠道、涵洞、河堤,风暴下水道),和运河。这些设备的使用液压工程师设计的概念、流体静力学、流体压力,液压系统,流体动力学。 材料工程 土木工程的另一个方面是材料科学。陶瓷材料工程处理,如混凝土、混合沥青混凝土强度的焦点,金属,金属周围增加,如铝、钢材、聚合物的聚甲基丙烯酸甲酯)和基于(炭纤维。 材料工程也包括保护及防止喜欢油漆和完成。合金化的另一个方面是材料工程,结合两种不同的金属产生较强的金属。 工程结构 建筑工程的结构设计和结构分析的建筑、桥梁、隧道、塔、天桥,离岸石油和天然气等领域的结构的海洋,而其他的建筑。这包括鉴定,在结构和行为所带来的力量和压力,而在那些荷载作用下的结构,并对结构设计的成功的支持和抵抗那些负载。自重荷载作用的结构,其他的静载、活荷载、移动(轮)负荷、风荷载作用下,地震载荷、载荷温度变化等。这个结构工程师必须设计结构是安全的,并成功地完成其用户的功能是专为(服务)。由于一些加载条件下的内部结构工程,回的出现,包括风工程和地震工程。 设计的考虑将包括强度、刚度和稳定性,结构缺陷可能是静态的,如家具或自重,或动态,如风能、地震、人群或车辆荷载作用下,或短暂的,如临时建筑负荷或者影响。其他因素包括成本、施工方便、安全、美观、可持续发展。 附录 Visual Basic程序 抗力按Mk(10.KN.m规律发生变化 Private Sub Command1_Click() Dim n!, m!, a!, b!, c!, β! n = Val(Text1.Text) m = (1 - 0.0006 * n) * 3000 a = (1 + 0.00008 * n) * 30 b = m - 2640 c = Sqr(a * a + 525) β = b / c Text2.Text = β End Sub Private Sub Command2_Click() Text1.Text = && Text2.Text = && End Sub Private Sub Form_Load() Text1.TabIndex = 0 End Sub
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