基于結(jié)構(gòu)檢測的既有建筑安全性分析

摘 要：本文結(jié)合實際工程，在對既有建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定檢測的基礎(chǔ)上，引入數(shù)學模型，建立既有建筑安全性分析模型，并對研究背景進行深入分析。首先，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程實踐經(jīng)驗建立既有建筑安全性分級方法并給出了采用該方法分級后各級相應(yīng)的加固建立方案。其次，基于層次分析法和模糊綜合評價方法建立既有建筑安全性評價模型，重點論述該計算模型核心思路。最后，對研究背景中的既有建筑結(jié)構(gòu)安全性進行分析，分析結(jié)果表明，該建筑處于二級，可繼續(xù)使用，但應(yīng)對局部構(gòu)件進行補強。本文研究內(nèi)容對合理利用老舊建筑物、延長建筑使用壽命具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：既有建筑；安全性分析；模糊綜合評價；混凝土強度；碳化深度

中圖分類號：TU 746；TU 93" 文獻標志碼：A

20世紀80年代我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，建設(shè)了大量的民用、工業(yè)建筑，存在建筑標準較低、建筑施工技術(shù)相對落后、建設(shè)年代久遠、建筑材料老化、腐蝕等問題，使大多年代久遠的既有建筑存在不同程度的損傷[1-2]。如果繼續(xù)使用，就可能會影響人民群眾生命財產(chǎn)安全，而拆除重建又會對居民正常生活、資源環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生不利影響[3]。因此如何科學、合理修繕現(xiàn)狀老舊建筑、盡量恢復其正常使用功能延長其使用壽命是現(xiàn)階段建筑行業(yè)一個重要的研究方向[4]。在前人的研究中，針對既有建筑多采用強度、耐久性以及外觀等方式分別對建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性進行分析，各參數(shù)自成系統(tǒng)，缺乏整體性評價理念。基于此，本文引入數(shù)學模型建立既有建筑整體性評價模型，對既有建筑安全性進行評價。

1 研究背景及結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果

1.1 研究背景

某地下商場始建于20世紀90年代，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，該建筑物主要作為地下商城使用至今，該建筑設(shè)防烈度為7度，結(jié)構(gòu)安全性等級為1級。該建筑物為地下一層鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)，局部為框架結(jié)構(gòu)，采光采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該商場有9處出入口，建設(shè)時主要將其作為地下人防設(shè)施，后因時代發(fā)展以及經(jīng)營需求更改為地下商城。該工程由鋼筋混凝土建設(shè)而成，因此其安全性分析主要是針對鋼筋混凝土現(xiàn)狀條件進行檢測和分析，為確保建筑物使用安全，對該建筑鋼筋混凝土工程外觀、強度以及耐久性等進行檢測。

1.2 外觀檢查

由于建設(shè)年代久遠，經(jīng)現(xiàn)場查看，未發(fā)現(xiàn)該建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形、傾斜等現(xiàn)象，墻體結(jié)構(gòu)也未發(fā)現(xiàn)明顯酥松，不存在因地基不均勻沉降而導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的現(xiàn)象，基本確定該商城不存在嚴重靜載缺陷，但使用年代較長，混凝土結(jié)構(gòu)存在不同程度的損傷，主要損傷情況如下。1）柱23/D、33/J、33/A等存在受壓貫穿裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、鋼筋銹蝕。2）柱12E、36G等位置發(fā)現(xiàn)豎向受壓裂縫和混凝土開裂。3）柱28/F在使用過程中出現(xiàn)局部破損、鋼筋外露。4）板12-16/C-E、1-3/D-E底部存在露筋、裂縫等。5）變形縫存在漏水現(xiàn)象。6）梁4-6/A、14/G側(cè)面存在裂縫。7）梁26-28/D存在破損、鋼筋外露。

1.3 結(jié)構(gòu)強度抽檢

檢測過程中采用取芯室內(nèi)試驗和現(xiàn)場回彈法對現(xiàn)狀鋼筋混凝土強度進行綜合評定，部分評定結(jié)果見表1，所有測點所得修正后混凝土強度值分布如圖1所示。本工程中鋼筋混凝土強度檢測多集中在30MPa左右，大部分測點實際強度大于24MPa，僅有一處修正后強度值為23.3MPa（小于24MPa），結(jié)合混凝土外觀檢測結(jié)果可知，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度方面，本工程并未存在明顯缺陷和問題。

1.4 耐久性檢測

本工程針對梁板柱不同位置進行耐久性測試，部分成果見表2。在3種構(gòu)件中，氯離子含量均小于0.7%，且大部分集中在0.4%以下。同時，比較保護層厚度與碳化深度的測試值可知，總體碳化深度較低。

2 建筑安全性評價結(jié)果

2.1 單一因素評估

對既有建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行安全性評價的過程存在大量的不確定性因素，無法準確、定量地對建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性進行評定，而模糊數(shù)學作為一門研究和處理具有模糊性現(xiàn)象的數(shù)學方法，能夠精準地對模糊先行進行數(shù)學描述[5-6]。因此，本研究引入模糊數(shù)學理論，對建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單一安全鑒定結(jié)果進行評定并形成矩陣，以便對建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行綜合評定。

針對影響建筑鋼筋混凝土的單一耐久性指標，首先應(yīng)確定耐久性評價等級，本研究根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合工程實際，建立鋼筋混凝土構(gòu)件安全性等級分級，見表3。

其次，根據(jù)不同指標檢測值與結(jié)構(gòu)安全性之間的關(guān)系，采用分級隸屬度函數(shù)，確定評價矩陣，以混凝土強度為例，將混凝土強度檢測值f1與混凝土強度設(shè)計值f2的比值P作為評價指標，并根據(jù)混凝土強度比數(shù)值結(jié)合混凝土強度分級隸屬度函數(shù)（如圖2所示）建立單一因素評估結(jié)果。

根據(jù)上述隸屬度函數(shù)原理，分別對檢測獲取的各單一因素與鋼筋混凝土強度之間建立關(guān)系，見表4。并采用隸屬度函數(shù)建立各因素的評估結(jié)果。

2.2 建立評價體系

多級模糊綜合評定方法是模糊關(guān)系合成原理，對多個因素對主體的隸屬度等級進行綜合性評價的一種方法，能夠?qū)Σ淮_定信息進行量化，并得到評價對象的評價結(jié)果。結(jié)合本研究內(nèi)容建立的二級模糊綜合評價層次模型如圖3所示。本文建立的二級模糊綜合評價模型中一級指標為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部位或?qū)傩?，如此劃分的原因在于不同地區(qū)、不同建筑類型、不同使用過程所造成的現(xiàn)狀建筑混凝土結(jié)構(gòu)受損情況不一致，導致不同構(gòu)件之間不具備可比性。而對相同構(gòu)件來說，根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性檢測結(jié)果并結(jié)合上文所述單一因素評價方法建立評價矩陣，以此實現(xiàn)模糊問題數(shù)值化，以便后續(xù)分析。

根據(jù)上述計算原則，首先將安全性分析分為若干個不相交的子集，在本文建立的多級模糊綜合評定方法中，先將安全性分析分為若干個不相交的子集，該因素集為一級指標，隨后根據(jù)上述計算原則，結(jié)合上文所述單一因素評價方法，將單個因素轉(zhuǎn)換為二級指標，如公式（1）所示。

U={ui1，ui2，...，uij} （1）

式中：uij為第i個因素子集中的第j個二級指標。

針對同級因素的重要性程度，可采用層次分析法，以數(shù)字標度法建立評價矩陣，并計算得到同級因素之間的重要性程度矩陣，如公式（2）所示。

A={a1，a2，...，am} （2）

式中：A為評價等級權(quán)重。

公式（2）是以權(quán)重形式表示的評價矩陣，該矩陣在建立過程中具有一定的主觀性，因此需要對上述矩陣進行歸一性和非負性檢驗，檢測方法可參照層次分析法對權(quán)重矩陣的檢測方法，如果所構(gòu)建的評價矩陣不能夠滿足相關(guān)要求，就需要進一步修改直至滿足要求。

隨后從影響評價對象的單個因素出發(fā)，建立評價對象對因素集元素的隸屬程度，如公式（3）所示。

（3）

式中：rij為因素集中第j各因素的隸屬度。

將相同指標下的單個因素所建立的隸屬程度建立為該指標下的模糊評價關(guān)系矩陣，如公式（4）所示。

R={rij} （4）

分別對單個因素的模糊評判結(jié)果建立集合為R，評估的計算過程如公式（5）所示。

B=A·R （5）

綜上所述，矩陣B為最終的模糊綜合評判結(jié)果。

2.3 研究背景安全性評價結(jié)果

根據(jù)上文所述評價方法，結(jié)合層次分析法，計算所得研究背景中建筑安全性對于一級指標的權(quán)重如公式（6）所示。

A1=（0.59，0.23，0.18）

A21=（0.35，0.23，0.14，0.12，0.16）

A22=（0.30，0.37，0.09，0.10，0.14） （6）

A23=（0.42，0.25，0.12，0.12，0.09）

以柱為例，所建立的模糊評價關(guān)系B2如公式（7）所示。

（7）

B2=（0.335，0.200，0.074，0.242，0.120）。

上述結(jié)果即為柱構(gòu)件的模糊評價關(guān)系，按照上述計算方法分別計算梁、板的模糊評價關(guān)系，并將其作為R1，隨后計算研究背景的模糊評價關(guān)系，如公式（8）所示。

B=（0.150，0.421，0.125，0.201，0.090） （8）

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合最大隸屬度原則，認為研究背景的建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性等級為二級，即結(jié)構(gòu)安全性較好，該建筑物可繼續(xù)使用，但需要對具體病害位置進行處理。

3 結(jié)語

本文以實際工程為研究背景，在結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)綜合地對既有建筑安全性進行分析評價，所得結(jié)論如下。1）針對建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測所得各類參數(shù)，引入數(shù)學方法，建立安全性評價模型，該模型能夠?qū)⒛：龁栴}數(shù)值化、分散參數(shù)系統(tǒng)化，實現(xiàn)了整體、系統(tǒng)、準確地對既有建筑安全性進行分析的功能。2）采用所研究的既有建筑安全性評價模型對研究背景進行評價，評價結(jié)果顯示，該建筑物混凝土結(jié)構(gòu)安全性等級為二級，須對病害位置進行修補處理。

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