震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷程度模糊綜合評(píng)判

劉 寧，許成祥

（長(zhǎng)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(cái)產(chǎn)安全，目前國(guó)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(píng)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(píng)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(píng)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(cè)設(shè)備的限制以及時(shí)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(duì)震后鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷程度模糊綜合評(píng)判的問題進(jìn)行了研究。

1 模糊綜合評(píng)判指標(biāo)體系的建立

在框架結(jié)構(gòu)中，承重構(gòu)件對(duì)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

2 利用層次分析法計(jì)算確定各指標(biāo)權(quán)重

層次分析法計(jì)算權(quán)重的基本思想是利用各因素對(duì)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(gè)層次的各項(xiàng)逐個(gè)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(jì)算得出某一層元素相對(duì)于上一層某個(gè)元素的相對(duì)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(xiàng)兩兩比較建立判斷矩陣（Bij）n×n，判斷矩陣中每個(gè)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(duì)應(yīng)Bi／Bj強(qiáng)弱分別為相同、稍強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)、絕對(duì)強(qiáng)。為避免在比較判斷時(shí)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(cuò)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(gè)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(duì)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(shí)，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(jì)算出較為合理的權(quán)重，采用和積權(quán)重法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(jì)算，得到各項(xiàng)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系與權(quán)重

3 評(píng)價(jià)集的選擇

確定影響結(jié)構(gòu)震損程度評(píng)判指標(biāo)及權(quán)重后，對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)集進(jìn)行選擇。結(jié)構(gòu)震損的模糊綜合評(píng)價(jià)中，對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)一般采用語言進(jìn)行描述、評(píng)價(jià)和記錄，相應(yīng)的語言描述又對(duì)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(gè)等級(jí)劃分。構(gòu)件震損程度描述如表2所示。

通過對(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①填充墻，以1個(gè)計(jì)算高度、自然間的1面為1構(gòu)件；②承重柱，以1個(gè)計(jì)算高度、1跟為一構(gòu)件；③承重梁，以1個(gè)跨度、1跟為一構(gòu)件；④承載板，以1個(gè)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(shí)，應(yīng)評(píng)定為危險(xiǎn)點(diǎn)：①梁、板產(chǎn)生超過L0／150（L0表示梁或板的長(zhǎng)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(dòng)、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(duì)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(duì)于結(jié)構(gòu)震損程度這一評(píng)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(píng)價(jià)集r：

依此可以通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得到因素的評(píng)價(jià)集R：

最終評(píng)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(jí)。

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(chǎng)實(shí)地調(diào)查和測(cè)量分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)表

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

震后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度B ＝W ×R，通過計(jì)算得到B ＝（0.103471251，0.284581233，0.314364872，0.194283420，0.103299224）。從計(jì)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(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)價(jià)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(píng)判的方法。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的綜合評(píng)判方法確定多因素與模糊損傷集合的關(guān)系，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)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(píng)估指標(biāo)體系。該方法可以定量計(jì)算鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)震損程度，從而為震后評(píng)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(píng)估的研究進(jìn)展［J］.世界地震工程，2001，17（3）：44－48.

［2］JGJ125－1999，危險(xiǎn)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.