安全工业研究成果对土木工程质量影响探究

2019-12-30王陆军

太原学院学报(自然科学版) 2019年4期

王陆军

(中铁十八局集团第一工程有限公司,河北涿州 072750)

0 引言

众所周知,80%的民用结构事故都是由人为失误造成的[1]。错误的根源是知识水平不足、缺乏经验、文件不准确、违反工作规程[2]。在工作执行过程中出现的错误可能会导致严重的缺陷,影响到将产品应用于其指定用途的可能性、可靠性和安全性[3]。如果有不准确的工程文档(工作执行计划、流程图、质量监控图等),错误概率会随着工作的复杂性而增加。

1 事故原因及缺陷分析

高空结构及其高性能特性主要取决于地基和地基的承载力。与地面结构不同的是,需要考虑的元素无法被视觉观察到,是隐蔽的,需要注意可能的改变和评估材料及结构性能的变化[4]。

根据官方数据统计,大约60%的在建工程在承重结构安装过程中出现了重大和关键的缺陷,降低了其强度和刚度。20%的测试结构威胁到施工作业的安全。缺陷整改费用达到3%的造价估算,住宅过早改造费用达到2.5%。根据目前的估计,大约10%的建设成本被用于消除设计和结构缺陷。

通过对钢筋混凝土结构装配缺陷频次的分析,证明了该结果的正确性:钢筋混凝土结构的缺陷数量,通过连接和多节点的总结,钢结构的缺陷数量为56.5%,钢筋混凝土结构的缺陷数量为57.7%。我们可以看到,有一半以上的缺陷发生在难以控制的结构化合物中。因此,可构造节点的设计遵循V.G. Shukhov的设计原则,即减少荷载传递的步骤和结构体系中承重构件和节点的数量是无缺陷施工方法之一。

2 工作质量的计算

为了对零缺陷的性能质量指标进行公正地评价,确定了工程过程的精确性[5]。计算依据是运行控制的统计数据、实际测地示意图、材料性能的实验室监测。

通过参数X在水平容差区间[a,b]内随机值的分布比例计算出零缺陷。在正态分布规律下,零缺陷的水平为:

(1)

在具体施工作业方面,根据公式计算工程过程的精度为:

Kr=Δx/(2·ta,vSx)

(2)

式中:x为标准公差;v是工程精度,由水平自由度v=n-1和水平的置信度n计算。

只要精度系数不小于1,就可以保证工程过程的精度。否则,就不能保证工程过程的准确性,需要进行工艺设置以改变操作技术、技术设备和模式。此外,过程的稳定性也很重要。

与随机误差相关的过程稳定性系数为:

(3)

其中Smax、Smin为精度控制特定时段(建筑不同级别)的标准差最大值和最小值。

与系统误差相关的过程稳定性系数为:

(4)

通过将系数(3)和(4)与极限值进行比较,根据采样量和置信度,得出了工艺稳定性的结论。在过程不稳定的随机误差,有必要通过调整方法和操作方式以及执行人员的资格和控制方法来减少过程的可变性。在系统误差导致过程不稳定的情况下,需要通过调整加工因素来减少系统误差。

与随机(系统)误差相关的工程过程稳定性系数:

Ks(x)=ns(x)/Ns(x)

(5)

式中:ns(x)是相对于随机(系统)误差而言为常数的参数;Ns(x)是通过(3)和(4)准则检验稳定性的参数总数。

3 安全性能评估

除了所考虑的过程精度参数外,还需要从产品安全[6]的角度分析过程的质量。对建筑结构安全要素及其参数最重要的应在设计和过程控制文件中明确。

架设结构的基本安全参数之一是承载力:

(6)

(7)

在承载力正态分布规律下,结构无故障运行的概率为:

(8)

考虑缺陷后的承载力减小系数为:

(9)

其中R0为设计承载力的平均值;k0为平均设计极限承载力。考虑(7)和(9),有缺陷的结构安全参数为:

(10)

然后用标准分布密度(8)作为相应的积分,计算结构无故障运行的概率。

为了弥补设计模型的误差,需要使用设计安全性的相对值:

建筑物结构无故障运行概率的降低。

KP=P/P0

(11)

失败(事故)概率将增加:

KQ=(1-P)/(1-P0)

(12)

换算为:

Kβ=β/β0

(13)

式中P、P0是实际概率,β、β0是安全条件下的概率。

以相对值的形式表示安全参数有助于在设计模型的误差消除方面使用近似的工程实践进行计算。

为了评估由于缺陷和误差而导致的安全等级降低,使用了KQ参数,因为它的相对值可以计算其他参数。在参考的系数中,KQ是从它的依赖性来考虑的结构设计、安装层数、缺陷及误差。对于不同的结构和原因,KQ受到相对风险值KQ=32的限制。如上所述,根据欧洲专家对于参数的估计,关于人类过失的事故的真实概率增加了40倍,根据俄罗斯经验的数据,理论概率增加了8～70倍。由于施工误差,民用建筑分析阶段的施工正常阈值失效概率的KQ增加为1.5～7,数据的自然风险KQ=2～10。

4 质量安全研究结果

我们用上述方法对施工质量进行了调查，分析了10座由预制板、砖和现浇混凝土组成的多层建筑的实例。表1给出了建筑样品对零缺陷参数、精度和安全性的平均评价结果及其评价值。

在计算打入桩的可靠度指标时,采用以下初始数据:桩长-4.5 m～16 m;桩截面的高度和宽度30 cm、35 cm;桩上荷载-15 t～185 t;桩基破坏的设计概率-0.95～0.995;承载力裕度指数-1.35～1.90;桩荷载变化0.05;土壤电阻变化0.25。计算结果如表2所示。

表1 对零缺陷参数的评价结果Table 1 Evaluation results of zero defect parameters

表2 计算结果Table 2 Calculation results

最终的缺陷是打桩深度减少了20%以上;桩体下部或侧表面土壤阻力降低40%以上。

这些参数是根据上述公式计算出来的。面板建筑装配质量的平均零缺陷水平为0.62。按操作类型划分,有以下零缺陷级别:基础工程-0.64;安装墙板-0.77;安装天花板嵌板-0.69;楼梯元件安装-0.49;设备金属键-0.58;接头和接缝的密封-0.25。低精度系数的工艺证明了该方法的频繁极限违反参数。平均位移和变化参数的稳定性在楼层和建筑物上都是不够的。平台接缝Kq=11.65超出接受值,增加失效概率的参数是10,从而降低了建筑物的资源安全运行。

在板式建筑安装中,节点的密封质量较差,导致节点在使用初期大量渗漏和结霜。砂浆接缝增厚、台缝预制构件断裂、混凝土强度降低、部分埋入等缺陷键槽接头和钢带的其他缺陷导致节点变形能力的提高。由于结构体系刚度的降低,竖向接缝的剪切应变出现了变形,裂缝生长异常,这一点通过6～7年的结构测量结果得到了证实。

砌筑时的平均零缺陷水平为0.64。按工作类型划分的零缺陷等级为:基础工程-0.60;承重墙砌砖-0.68;砌砖加固-0.48;梁和楼板安装-0.60;楼梯的安装-0.64;设备金属键-0.60。在砌砖工作中,墙内钢筋网格的安装不能满足设计要求。所有物体都有水平关节增厚和部分垂直关节填充。承重墙和柱的事故风险参数Kq=18.49,明显超过了可接受值,与砌体加固设计要求相违背。

整体式建筑安装时的零缺陷水平可达0.75。按工作类型划分的零缺陷等级为:整体地基-0.67;安装整体墙和隔膜板-0.63;安装整体柱-0.78;安装整体楼板-0.67。将整体建筑安装缺陷分为四类:截面几何特征、混凝土特征、钢筋规格和空间结构规格。计算表明,各类缺陷对结构的应变-应力状态影响不大。增加的参数承重结构Kq=7.66的失效概率不超过极限值,这是由于截面增加(模板推力)和混凝土设计承载力Kr=1.02的实际强度造成的。