震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷程度模糊綜合評判

劉 寧，許成祥

（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，在地震設(shè)防區(qū)有廣泛應(yīng)用。震后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的安全性直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全，目前國內(nèi)沒有專門應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)震后損傷程度快速評判的規(guī)范或規(guī)程。建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷評判主要涉及材料本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件力學(xué)性能和整體結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制3方面的問題，建立結(jié)構(gòu)地震損傷評判方法的實(shí)質(zhì)就是如何將材料的微觀、細(xì)觀損傷與結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的宏觀損傷結(jié)合起來分析［1］。由于震后自然條件復(fù)雜、檢測設(shè)備的限制以及時間緊迫，導(dǎo)致震后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷鑒定產(chǎn)生很大困難。為此，筆者針對震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷程度模糊綜合評判的問題進(jìn)行了研究。

1 模糊綜合評判指標(biāo)體系的建立

在框架結(jié)構(gòu)中，承重構(gòu)件對結(jié)構(gòu)安全性起決定作用，連接構(gòu)件起主要作用，維護(hù)構(gòu)件起次主要作用。因此，將承重構(gòu)件損傷、連接構(gòu)件損傷、維護(hù)構(gòu)件損傷作為一級評價指標(biāo)。通過對比柱、梁、板、連接節(jié)點(diǎn)、填充墻等構(gòu)件的重要性，選取構(gòu)件地震破壞特征作為評判指標(biāo)，通過分析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害情況，形成初步的評判指標(biāo)。

依據(jù)文獻(xiàn)［2］，建立鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷綜合評價指標(biāo)體系（見表1）。

2 利用層次分析法計算確定各指標(biāo)權(quán)重

層次分析法計算權(quán)重的基本思想是利用各因素對同一目標(biāo)的影響程度，確定在達(dá)到該目標(biāo)過程中各因素所占權(quán)重。具體做法是把處于同一個層次的各項逐個進(jìn)行兩兩比較，引入1～9比較標(biāo)度方法作為其比較結(jié)果，然后將結(jié)果寫成判斷矩陣，最后通過計算得出某一層元素相對于上一層某個元素的相對重要性權(quán)值。

假設(shè)A為目標(biāo)，B1，B2，…，Bi，…，Bn是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)A的各種因素。為了得出在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)A的過程中某一因素Bi的權(quán)重，只需將B1～Bn中各項兩兩比較建立判斷矩陣（Bij）n×n，判斷矩陣中每個元素Bij＝Bi／Bj，（i，j∈1，2，…，n）。Bij取值根據(jù)Bi／Bj強(qiáng)弱程度，采用1～9標(biāo)度比較。Bij取值分別為1、3、5、7、9，對應(yīng)Bi／Bj強(qiáng)弱分別為相同、稍強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)、絕對強(qiáng)。為避免在比較判斷時出現(xiàn)類似于B1比B2強(qiáng)、B2比B3強(qiáng)、但是B3比B1強(qiáng)或B3與B1等強(qiáng)這樣的邏輯性判斷錯誤，需使判斷矩陣在判斷過程中具有滿意的一致性。根據(jù)矩陣?yán)碚撝芯仃囈恢滦灾笜?biāo)CI來檢查決策者判斷思維的一致性，即［3］：

式中，λmax為判斷矩陣最大特征值；n為因素B個數(shù)，亦為判斷矩陣階數(shù)。

為了衡量判斷矩陣是否具有滿意的一致性，還需引入判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指RI值。1和2階判斷矩陣總具有完全一致性，無需考慮。對于3至8階判斷矩陣，RI取值分別為0.52、0.89、1.12、1.26，1.36、1.41。

判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率，記為CR。當(dāng)CR＜0.10時，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要重新判斷并調(diào)整判斷矩陣。當(dāng)一致性滿足后，就可以計算出較為合理的權(quán)重，采用和積權(quán)重法進(jìn)行計算，計算步驟如下［3］：①將判斷矩陣按列歸一化，即讓按照行變形，得到新的矩陣按行逐次相加，得到向量歸一化后，即可得到任一因素的權(quán)重系數(shù)

通過計算，得到各項評價指標(biāo)權(quán)重（見表1）。

表1 震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷綜合評價指標(biāo)體系與權(quán)重

3 評價集的選擇

確定影響結(jié)構(gòu)震損程度評判指標(biāo)及權(quán)重后，對指標(biāo)評價集進(jìn)行選擇。結(jié)構(gòu)震損的模糊綜合評價中，對各指標(biāo)的評價一般采用語言進(jìn)行描述、評價和記錄，相應(yīng)的語言描述又對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的震損程度。采用震損程度分為未震損、震損輕微、震損較重、震損嚴(yán)重和損毀5個等級劃分。構(gòu)件震損程度描述如表2所示。

通過對工程結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件破壞情況的總結(jié)和分析，參照現(xiàn)行的鑒定規(guī)范和工程實(shí)踐，確定各類震損構(gòu)件的破壞評價標(biāo)準(zhǔn)：①填充墻，以1個計算高度、自然間的1面為1構(gòu)件；②承重柱，以1個計算高度、1跟為一構(gòu)件；③承重梁，以1個跨度、1跟為一構(gòu)件；④承載板，以1個自然間面積為1構(gòu)件。

當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)下列條件之一時，應(yīng)評定為危險點(diǎn)：①梁、板產(chǎn)生超過L0／150（L0表示梁或板的長度）的撓度，受拉區(qū)的裂縫寬度大于1 mm；②板產(chǎn)生橫向水平裂縫和斜裂縫，縫寬大于1 mm，板產(chǎn)生寬度大于0.4 mm的受拉裂縫；③板或墻體混凝土嚴(yán)重缺損或混凝土保護(hù)層嚴(yán)重脫落、露筋；④現(xiàn)澆板面周邊產(chǎn)生裂縫，或板底產(chǎn)生交叉裂縫；⑤墻體中間部位產(chǎn)生交叉裂縫，縫寬大于0.4 mm；⑥柱、墻產(chǎn)生傾斜、位移，其傾斜率超過高度的1%，其側(cè)向位移量大于h／500（h表示柱或墻體的高度）；⑦柱、墻側(cè)向變形，其極限值大于h／250或大于30 mm；⑧構(gòu)件或連接件有裂縫或銳角切口，焊縫、螺栓或鉚接有拉開、變形、滑移、松動、剪切等嚴(yán)重破壞；⑨鋼柱頂位移，平面內(nèi)大于h／150，平面外大于h／500，或大于40 mm［1］。

表2 構(gòu)件震損程度描述

假設(shè)某一在地震中損傷的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，對于柱頂位移的偏移情況，有40%承重柱偏移略微超過40 mm（中度偏移即震損較重），30%的承重柱偏移遠(yuǎn)大于40 mm（嚴(yán)重偏移即震損嚴(yán)重），10%承重柱偏移小于40 mm（輕度偏移即震損輕微），10%承重柱幾乎無偏移（未震損），10%承重柱完全破壞（即構(gòu)件被損毀），則對于結(jié)構(gòu)震損程度這一評語集 ｛未震損，震損輕微，震損較重，震損嚴(yán)重，損毀｝，就可以得出承重柱頂位移的評價集r：

依此可以通過現(xiàn)場調(diào)查，得到因素的評價集R：

最終評判模型：

然后根據(jù)最大隸屬度原則，可以判別該結(jié)構(gòu)震損程度所處的等級。

4 實(shí)例應(yīng)用

以某震損的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，通過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查和測量分析，對現(xiàn)場的破壞構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，其結(jié)果如表3所示。

表3 震后框架結(jié)構(gòu)損傷程度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

依據(jù)表3可以得到對于該鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的震后損傷指標(biāo)的評價矩陣R：

震后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度B ＝W ×R，通過計算得到B ＝（0.103471251，0.284581233，0.314364872，0.194283420，0.103299224）。從計算結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)總的說來處于震損較嚴(yán)重的狀態(tài)（評價等級震損輕微和震損較重的隸屬度將近60%）。

5 結(jié) 語

將層次分析法、模糊綜合評價法與工程結(jié)構(gòu)的震后鑒定相結(jié)合，提出了一種震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷評判的方法。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的綜合評判方法確定多因素與模糊損傷集合的關(guān)系，對指標(biāo)進(jìn)行分級和閾值確定，并給出適用于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)地震損傷綜合評估指標(biāo)體系。該方法可以定量計算鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)震損程度，從而為震后評判鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)是否需要加固和可否繼續(xù)使用提供決策依據(jù)。

［1］王振宇，劉晶波 .建筑結(jié)構(gòu)地震損傷評估的研究進(jìn)展［J］.世界地震工程，2001，17（3）：44－48.

［2］JGJ125－1999，危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］趙峰 .震后工程結(jié)構(gòu)快速鑒定方法研究［D］.北京：北方交通大學(xué)，2010.