既有钢结构鉴定评估研究现状（五）

 
      二是基于刚度的判定方法。刚度是结构重要的基本属性，因此，可从构件对结构整体刚度的贡献程度上划分结构构件的重要性。胡晓斌采用结构基本频率作为反映结构整体刚度的指标，采用移除构件后结构基本频率的改变来衡量构件重要性，频率虽然与结构刚度具有一定的关联性，但是结构具有多阶频率，拆除构件后结构基本频率的改变能否作为衡量构件重要性的合理性尚待研究。《骨架结构系统安全性能指标》从结构稳定性角度出发，采用标准化后的结构刚度矩阵行列式表征结构的安全性，构件重要性系数采用原结构刚度矩阵行列式与拆除构件后的刚度矩阵行列式比值表示，该方法本质上是拆除构件法，适用于抗倒塌分析，但该指标缺乏实际工程物理意义，其合理性也有待商榷。《基于广义结构刚度的构件重要性评价方法》从功能角度考虑，将变形能除以外荷载向量模的最大值得到的公式定义为广义刚度，将构件损伤前后广义刚度的变化作为衡量构件重要性的指标，该表达式可转换为能量的表达形式，故该方法本质上是一种基于能量的构件重要性判定方法。
      三是基于能量的判定方法。《框架结构能量流网络及其初步应用》从能量角度考虑，将框架结构作为保守系统，外荷载作用下能量的流入全部以构件应变能的形式储存在构件中，节点只是起到能量流通作用，即流入节点的能量等于流出节点的能量，通过比较拆除构件前后总变形能的比值确定构件的重要程度。《框架结构能量流网络及其初步应用》与《钢框架结构鲁棒性评估方法》类似，采用拆除构件前后结构总应变能的差值来表征构件的重要性。由于构件上可能作用有荷载，拆除构件后总变形能并不一定增加，因此，按照上述两种指标不能全面反映构件的重要性。
      四是基于承载力的判定方法。构件损伤或失效后，结构承载力会相应降低，因此，通过结构承载力变化衡量构件的重要性具有一定的合理性。《结构连续倒塌分析改变路径法研究》采用移除构件后剩余构件的平均应力比衡量该构件的重要性，该文献认为移除构件后平均应力比越大，被拆除构件越重要。由于只考虑拆除构件后的结构受力属性，不考虑原结构的受力属性，即被拆除构件自身属性和受力情况对该指标无影响，因此，该指标具有明显的局限性。《既有大型空间钢结构安全性评定方法研究》采用构件截面面积变化对网壳结构整体极限承载力系数的影响程度来衡量构件的重要性，由于网壳结构极限承载力系数反映网壳结构的安全性，而构件截面面积变化可反映构件抗力的降低或衰减，因此，该系数可用于既有网壳结构的检测鉴定中。《结构鲁棒性评价中的构件重要性系数》和《张弦空间结构的理论分析和工程应用》采用构件拆除前后结构承载力系数的变化程度衡量构件的重要性，该方法可认为是上一种方法的极端情形，即将构件面积变为零，为提高计算效率，《张弦空间结构的理论分析和工程应用》采用生死单元法来模拟构件的拆除。
      五是基于可靠度的判定方法。既有结构随着服役时间的增长，构件的抗力可能逐渐减小，结构的可靠性也可能随之降低，结构失效概率增加，因此，可采用构件抗力衰减对结构整体失效概率的影响程度表征构件的重要性。由于既有结构检测鉴定的理论基础也为可靠度理论，故该系数可直接应用于既有结构的检测鉴定中。可靠度理论发展至今已经比较完备，理论上可适用于各种结构系统，但大型复杂结构系统构件之间的相互关系错综复杂，建立结构系统的失效树非常困难，而且计算结构整体可靠度或失效概率时，需要对荷载分布模式、抗力衰减模式、构件几何尺寸分布以及破坏模式等进行假定，因此，该方法通常理论意义大于实际意义，很难直接应用于实际工程检测鉴定中。
      六是基于拓扑几何关系的分析方法。Blockley、Woodmen等从图论的角度将结构环定义为能抵抗任意空间力的由杆件和节点组成的最基本闭合单元，根据构件连接能力强弱将结构体系划分为不同结构簇，通过分析结构簇的构形性寻找结构失效模式。《结构体系的易损性研究》基于上述研究将构件重要性定义为构件失效后结构构形性的损失率，该构件重要性系数计算方法同时考虑结构刚度和结构拓扑关系，但该系数缺乏实际物理意义，由于理论上的不完善，尚无法直接应用于实际工程中。
      由于目前确定构件重要性系数的方法有多种，如何评价并应用上述方法尤为重要。为此，本文建议可从以下五个方面考虑选择合适的方法：
      ①检测鉴定目的。普通检测鉴定主要检测鉴定构件和结构的抗力衰减，构件表现为抗力的衰减而不是构件整体失效。上述部分重要性系数是通过变换荷载路径法（AP法）获得，该方法假定结构中某一构件失效，并在计算过程中将其移除，分析剩余结构是否具有新的荷载传递路径以及剩余结构受力性能的改变程度，从而判定构件的重要性。上述假定情形通常对应于爆炸或者撞击引起的构件失效，因此，将AP法得到的构件重要性系数直接应用于此普通结构检测鉴定中并不合理，而适合应用于灾后结构检测鉴定。
      ②检测鉴定对象的结构体系形式。检测鉴定对象按照结构体系可分为多种，如厂房结构、框架结构以及空间网格结构等，不同结构体系其受力特性不同，应针对其受力特点选择合适的判定方法。如空间网格结构其构件受约束程度低，构件受损或失效可能导致结构冗余度降低甚至变为可变机构，因此，此类结构应考虑构件对结构冗余度的贡献程度。
      ③结构材料属性。鉴定对象的材料属性对构件重要性选择有较大影响，如钢筋混凝土构件长细比较小，构件重要性系数选择时常不需要考虑构件的稳定性，而钢结构构件则需要考虑其构件稳定性。
      ④是否考虑荷载作用。结构构件在不同荷载组合下其重要性也不同，因此，考虑荷载对构件重要性的影响相对更合理。
      ⑤计算工作量。部分构件重要性判定方法需要重复计算，且需要考虑几何非线性和材料非线性，对于大型复杂结构计算工作量巨大，其实际工程应用价值受到限制。（待续）
       □罗永峰 罗立胜