基礎抗震優(yōu)化設計綜合評價的AHP模型

張光明

河南省水利勘測設計研究有限公司（450016）

0 引言

地震是一種危害性極大的自然災害。自1976年唐山地震后，我國逐漸確立“以預防為主、預防與救助相結合”的防震減災方針，并制定了防震減災法。2008年汶川大地震給人民群眾帶來了巨大的悲痛，給國家造成了巨大的創(chuàng)傷。據(jù)震后調查資料表明∶房屋建筑的設計和施工存在問題才是它們在地震中遭到破壞或倒塌的主要原因。在地震中砂土液化、軟粘土沉陷、不均勻沉降等給房屋結構帶來嚴重破壞。

建筑物基礎設計應進行建筑物抗震技術方面的綜合考量與組織，即進行建筑物基礎抗震優(yōu)化設計的綜合評價,以最大限度地發(fā)揮建筑物的功效。本文嘗試利用AHP模型構建建筑物基礎抗震優(yōu)化設計綜合評價指標體系，可在求出各設計指標相對重要性權重值后，結合待評對象的“屬性值(評價值)”直觀地得出某一待評對象的優(yōu)劣程度，以此作為建筑物地基基礎抗震優(yōu)化設計的依據(jù)，供工程相關人員參考。

1 基礎抗震優(yōu)化設計綜合評價指標體系的AHP模型

AHP(The Analytic Hierachy Process)，即層次分析法，是美國T.L.Saaty教授于20世紀70年代首次提出的一種系統(tǒng)分析方法。它充分體現(xiàn)定性與定量相結合，把復雜問題分解為若干有序層次，并根據(jù)對一定客觀事實的判斷，就每一層次的相對重要性給予定量表示，利用數(shù)學方法確定出表達每一層次的全部元素相對重要性次序的數(shù)值，并通過各層次的分析導出對整個問題的分析。本指標體系的AHP模型共分三層其簡化框圖如圖1所示。

總目標A∶基礎抗震優(yōu)化設計綜合評價。要求在建筑物設計過程中應進行基礎抗震設計，以保證建筑物滿足安全的要求。

分目標層B是在總目標的界定下，涵蓋了基礎抗震優(yōu)化設計所應關注的三個方面。其內容分別為∶

B1∶地基選擇。地震作用對建筑結構的影響是極其復雜的，場地類別對結構的動力反應有重要的影響，準確劃分建筑場地類別對抗震防災有著重要的意義。建筑物的地基宜選擇在地勢平坦、開闊、土層密實、均勻或穩(wěn)定基巖等有利地段；對軟弱土層的地基，應采取相應有效措施。

B2∶基礎設計。為減輕液化影響和增強房屋的抗震能力，需加強基礎的整體剛度，荷載較大時，宜采用剛度較大的鋼筋混凝土條形基礎、筏片基礎、箱形基礎等。對于無筋擴展基礎或柱下獨立基礎，宜設置基礎梁、基礎連系梁等。同時，應適當增加基底面積，以增加上覆土重，減輕震動影響。

B3∶施工技術。合理的抗震設計必須通過高質量的施工才能起到抗震作用，只有把好施工質量關才能有效的提高建筑工程的抗震性能。

準則層C實質上是為實現(xiàn)各分目標的設計內容具體化后經(jīng)聚類所形成的中間層，包含C1-C9共9項。

C1∶場地選擇。場地是一個宏觀的量，劃分場地類別主要考慮地層結構和巖土特性在宏觀上的量及變化趨勢，對一些細節(jié)變化予以忽略，巖土工程勘察工作應針對“具有相似的反應譜特征”的本質意義，除對建筑地基進行研究外，尚要了解地基外圍巖土層結構變化情況，估計所劃分的場地類別大致范圍，才能避免“一點(孔)之見”，并根據(jù)建筑物活動對場地條件的影響分析做適當修正，保證場地類別劃分的準確性。在選擇地段的時候，盡可能選擇對建筑物抗震有利的地段避開不利的地段，禁止在危險地段進行建設。

場地土卓越周期引起的震害。許多震害現(xiàn)象表明,場地周期特性與建筑物震害影響關系較大，如1970年的土耳其Gdeiz地震中，某工廠的一幢現(xiàn)代化鋼筋混凝土結構建筑發(fā)生倒塌，而與其相近的其它房屋都沒有破壞。其一般規(guī)律是∶軟弱地基上柔性結構較易遭受破壞，而剛性結構則較好;堅硬地基上則反之,剛性結構較易遭受破壞，而柔性結構較好。一般講，軟土地基的地面運動的卓越周期長，對自振周期較長的高層建筑，尤其框架結構易產(chǎn)生共振。

C2∶土層厚度對地震效應的影響。應注意場地土覆蓋層厚度對地震效應放大倍數(shù)的影響。從理論上講，當下層波速比上層波速大得多時，下層當做基巖，這時從地表反射回來的地震波到達巖土界面時將向上反射,只有很小一部分能量向下透射，這個分界面的埋深就是所謂覆蓋層厚度或土層厚度。但是實際地層的剛度往往是逐漸變化的，如果要求巖土波速比很大時才能當做基巖，覆蓋層厚度勢必定的很大，有時甚至可能要達到巖漿層，這時一般工程是難以行得通的。另一方面，由于對建筑物破壞作用最大的主要是地震波中的中短周期成分，而深層介質對這些成分的影響并不很顯著。宏觀震害調查及理論分析表明,建造在厚覆蓋層場地上的建筑，震害一般較嚴重，特別是柔性建筑。

C3∶不均勻沉降的影響。地基是一幢建筑的基礎，應有足夠的強度和剛度，以保證地基不產(chǎn)生破壞或過大的變形。當建筑物地基的地下水位很淺，土質松軟、大部分場地土承載力較弱時，磚混結構常采用墻下條形淺基礎，開挖坑槽后直接用石塊砌筑基礎,并且坑槽開挖的寬度和深度隨意性很大，基本上是參照以前經(jīng)驗不考慮建筑結構本身的不同和場地的變化。這種地基給以后留下了隱患，當?shù)卣饋砼R時，地基受力增大，未能滿足抗震要求的地基開始下沉。對于局部承載力薄弱的地方可能會沉降得更多，造成地基不均勻沉降，還會將屬于薄構件的樓板拉裂。對于磚混結構的方形板，在邊角處板底受壓，板面受拉。地基的不均勻沉降使樓板跟隨不均勻沉降，從而在板面產(chǎn)生附加拉應力。為減小地基不均勻沉降對上部結構的影響，可在墻體與基礎之間設置基礎圈梁。

C4∶局部突出地形影響?？紤]局部突出地形對地震動參數(shù)的放大作用(類似于“鞭梢效應”)。所謂局部突出地形主要是指山包、山梁和懸崖、陡坎等，情況比較復雜，對各種可能出現(xiàn)的情況的地震動參數(shù)的放大作用都做出具體的規(guī)定是很困難的。從宏觀震害經(jīng)驗和地震反應分析結果所反映的總趨勢，大致可以歸納為以下幾點∶1）高突地形距離基準面的高度愈大，高處的反應愈強烈。2）離陡坎和邊坡頂部邊緣的距離愈大，反應相對減小。3）從巖土構成方面看，在同樣地形條件下，土質結構的反應比巖質結構大。4）高突地形頂面愈開闊，遠離邊緣的中心部位的反應是明顯減小的。5）邊坡愈陡，其頂部的放大效應相應加大。

C5∶液化土層及濕陷性黃土層的影響。地震時飽和砂土與粉土中孔隙被水充滿，孔隙水壓力急劇增加，當有效應力降低為零時土便喪失抗剪強度,土粒處于懸浮狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為液化。地基發(fā)生液化后，地表裂隙中噴水冒砂,基礎產(chǎn)生大量沉降甚至失穩(wěn),造成建筑物的傾斜或破壞。應根據(jù)地基的液化等級與建筑物的類別決定完全消除液化沉陷、部分消除液化沉陷或對上部結構處理以減輕液化影響。

C6∶基礎設施應符合條件。1）同一結構單元的基礎，不宜設置在性質截然不同的地基上。2）同一結構單元不宜部分采用天然基礎,部分采用樁基礎,避免采用局部地下室。3）當?shù)鼗鶠檐浫跽承酝?、液化土、新近填土或嚴重不均勻土時，應估計地震時地基不均勻沉降或其它不利影響，并采取相應的措施。

C7∶基礎整體性設計。采用整體性較好的基礎方案，使基礎、結構能夠整體傳力，這對于保證建筑結構的抗震可靠性很重要，這也可以部分消除基礎的不均勻沉降。

C8∶深基礎、地下室的作用。震害調查表明∶深基礎、地下室能減輕震害，原因是深基礎增加了房屋在土中的嵌固作用，減少了上部結構的振幅；地下室增大了與基礎的接觸面，增強了阻尼作用。同時，由于地下室側壁與周邊回填土的共同作用，增強了對結構的約束,提高了結構抗側力的整體穩(wěn)定性，減少了地震能量的放大。故有條件時，應采取抗震性能好的深基礎和設置地下室。

C9∶良好的施工技術水平。震害調查證明，大多數(shù)嚴格按照國家工程建設標準 “建筑抗震設計規(guī)范”設計、嚴格保證工程質量的房屋建筑、及震前經(jīng)過認真加固的既有房屋，基本能達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求，一些房屋建筑設計或施工存在問題，才是它們在地震中遭到破壞或倒塌的主要原因。

基本指標層D。基本指標層D是C層的細化和具體化,實質上亦為規(guī)劃與設計時的具體設計指標。本體系的基本指標共有17項,每項中又包含了若干詳細設計中應該考慮的內容。

2 本指標體系模型的應用途徑

1）利用AHP模型構建了“地基基礎抗震優(yōu)化設計綜合評價指標體系”,該模型可把各種評價因素明確地表述出來，在此基礎上通過調研取得有關數(shù)據(jù)，再構建判斷矩陣，通過已開發(fā)的AHP程序在計算機上進行單排序及總排序計算，從而得到各因素相對于總目標的組合權重值。

2）結合待評對象的“屬性值”，利用“模糊綜合評價程序”或“改進的TOPSIS方法程序”、“灰色聚類評價方法程序”等軟件在計算機上進行計算，可得到各待評對象的優(yōu)劣程度,以選出最優(yōu)設計方案。

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