既有通信塔結(jié)構(gòu)的安全性評估

方騰飛, 贠永峰, 郭光玲

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054; 2.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

通信塔是移動(dòng)信號發(fā)射器的承重結(jié)構(gòu)。我國目前運(yùn)營的通信塔數(shù)量高達(dá)200萬座[1]，在役通信塔多為鋼結(jié)構(gòu)，長期暴露于自然環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的承載功能本身就在逐漸退化，再加上5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對基站共享的要求，既有通信塔的維修加固就顯得很有必要[2-3]。維修加固之前，若能對影響結(jié)構(gòu)安全性因素進(jìn)行系統(tǒng)性綜合評估，針對具體問題制定相應(yīng)的對策，便可為其提供可行性參考，避免方案實(shí)施的盲目性[4]。

結(jié)構(gòu)安全性評估主要是針對結(jié)構(gòu)組成部分的影響因素，通過決策與選擇的方法進(jìn)行識別，最終獲得綜合評價(jià)性指標(biāo)-安全等級的過程[5]。對于通信塔結(jié)構(gòu)安全性評估，國內(nèi)外眾多學(xué)者集中于以數(shù)值計(jì)算研究結(jié)構(gòu)的靜力、風(fēng)敏感性、地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，以及基于概率統(tǒng)計(jì)理論對結(jié)構(gòu)可靠度分析四方面，而在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性評估方面的研究內(nèi)容少之又少[6-9]。Akagi等[10]通過模型試驗(yàn)，以循環(huán)加載方式來模擬地震作用，從而為地震作用下鋼結(jié)構(gòu)塔的評估提供了參考；Stamatopoulos G N[11]使用有限元對鋼結(jié)構(gòu)通信塔的承載力進(jìn)行了計(jì)算，為維修和負(fù)載提供了依據(jù)；張向東等[12]利用ANSYS分析了風(fēng)載荷與地震作用下通信塔的振動(dòng)與穩(wěn)定，計(jì)算所得值與實(shí)測值對比后較為接近；朱宇鵬[13]對強(qiáng)風(fēng)作用下通信塔的倒塌破壞進(jìn)行了研究，為塔型的評估和加固提供了參考。在通信塔安全性評估方面，趙健東[14]基于層次分析法，建立了通信塔綜合評估模型；吳梅[15]基于模糊層次綜合評判法，建立了通信塔風(fēng)險(xiǎn)評估模型?？紤]到實(shí)際影響通信塔結(jié)構(gòu)安全性因素的復(fù)雜、不可控等特點(diǎn)，普通評價(jià)方法又具有固權(quán)和不能滿足非線性系統(tǒng)的局限性，為此力求建立一種全面性、層次性、真實(shí)度較高的數(shù)學(xué)評估模型。

本文以濟(jì)南某通信塔結(jié)構(gòu)的安全性評估為背景，將變權(quán)模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process,FAHP)引入通信塔安全性評估中，建立綜合評估模型，利用所建立模型進(jìn)行評估計(jì)算，確定該通信塔結(jié)構(gòu)的安全性等級，并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

濟(jì)南市某三管鋼結(jié)構(gòu)通信塔高度40.0 m,鐵塔坐落地面，平臺(tái)掛高38.0 m，構(gòu)件的主要連接方式為焊接、法蘭螺栓連接。該塔周邊地勢平坦，結(jié)構(gòu)受自然因素干擾較少，塔身局部構(gòu)件由于年代久遠(yuǎn)維護(hù)欠缺而發(fā)生不同程度的變形和損傷，為了掌握結(jié)構(gòu)目前的的承載功能以便于加裝通信設(shè)備，現(xiàn)對該塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評估。經(jīng)實(shí)地考察后，初步獲取了通信塔的基本情況，如圖1所示。

(a) 塔身輪廓 (b) 扣件銹蝕 (c) 塔腳未包封 (d) 饋線支架銹蝕 圖1 通信塔基本情況

2 實(shí)施步驟

2.1 構(gòu)造層次模型

以塔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和重要性出發(fā)，參考《移動(dòng)通信塔桅結(jié)構(gòu)檢測鑒定規(guī)范》[16]，初步選用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)中分歧型遞階層次構(gòu)造圖，將通信塔結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)問題分為總目標(biāo)層、目標(biāo)層、準(zhǔn)則層。總目標(biāo)層為結(jié)構(gòu)的安全等級；目標(biāo)層分別為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)三部分，每個(gè)目標(biāo)層對應(yīng)下屬為5個(gè)影響其安全性的重要因素[17]，共15個(gè)指標(biāo)。綜合分析，該系統(tǒng)層次的特點(diǎn)為線性單向，屬于分歧型遞階構(gòu)造圖，滿足模糊層次分析法(FAHP)模型構(gòu)造原則。建立的層次構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 層次構(gòu)造圖

2.2 建立評判因素集

通信塔結(jié)構(gòu)的安全性為總目標(biāo)層A，其因素集A=(B1，B2，B3)，其中B1對應(yīng)的是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，B2對應(yīng)主體結(jié)構(gòu)，B3對應(yīng)于附屬結(jié)構(gòu)。目標(biāo)層為Bi(i=1,2,3),分別為B1=(c11,c12,c13,c14,c15)、B2=(c21,c22,c23,c24,c25)、B3=(c31,c32,c33,c34,c35)，Bi因素集中的每一個(gè)因素分別對應(yīng)于準(zhǔn)則層的一個(gè)指標(biāo)。

2.3 建立安全性評價(jià)集

安全等級是最為直觀反應(yīng)安全性量化指標(biāo)，依據(jù) 《移動(dòng)通信鋼塔桅結(jié)構(gòu)檢測鑒定規(guī)范》[16]第8.1.1條，通信塔結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)可分為{一級、二級、三級、四級}4個(gè)等級，可令評語集V=(v1,v2,v3,v4)，每一個(gè)安全等級對應(yīng)一個(gè)模糊子集。

2.4 建立隸屬度矩陣

2.4.1 構(gòu)造隸屬函數(shù)

以F分布法構(gòu)造隸屬函數(shù)時(shí)，借鑒文獻(xiàn)[14]將安全等級評語量化的方法，如表1所示。

表1 安全等級對應(yīng)分?jǐn)?shù)

運(yùn)用指派法構(gòu)造隸屬函數(shù)，F(xiàn)二、F三采用“中間型”的三角形分布，F(xiàn)一、F四分別采用“偏大型”與“偏小型”的半梯形分布[18]。此外，因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)值的大小與安全等級高低呈一致關(guān)系，故此隸屬函數(shù)分布整體上屬于遞增型，隸屬函數(shù)分布如圖3所示。

圖3 隸屬函數(shù)分布

2.4.2 分級評判矩陣計(jì)算

表2 準(zhǔn)則層指標(biāo)得分

2.5 構(gòu)建判斷矩陣

采用0.1～0.9標(biāo)度法進(jìn)行兩兩因素對比，構(gòu)造模糊判斷矩陣Ri(i=1,2,3)。

第一層目標(biāo)層模糊判斷矩陣：

2.6 各層因素初始權(quán)重值計(jì)算

初始權(quán)重計(jì)算方法[19]:

以此求得目標(biāo)層權(quán)重向量w與中間層各因素初始權(quán)重向量wi，最終計(jì)算結(jié)果如圖2所示。至于Ri的一致性判斷，文獻(xiàn)[20]已證，采用0.1～0.9標(biāo)度所得的模糊矩陣Ri必為一致矩陣，故不需求解特征值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.7 變權(quán)重值計(jì)算

利用文獻(xiàn)[21]中的公式進(jìn)行變權(quán)重計(jì)算：

以W1第一行元素w11為例說明計(jì)算過程：

(0.29×0.5-0.5)/(0.29×0.5-0.5+0.25×0.6-0.5+

0.21×0.7-0.5+0.16×0.7-0.5+0.09×0.9-0.5)=0.323,

由此得到第一層目標(biāo)層變權(quán)矩陣W1、W2、W3：

WB=[W1,W2,W3]。

可以看到，常權(quán)的權(quán)重系數(shù)是一個(gè)單行向量，變權(quán)的權(quán)系數(shù)是一個(gè)二維矩陣，這也是常權(quán)和變權(quán)權(quán)重系數(shù)的一個(gè)明顯區(qū)別。

2.8 綜合評判

選取B1、B2、B3對角線元素，歸一化后即為第二層目標(biāo)層指標(biāo)評價(jià)集：

2.9 總目標(biāo)模糊綜合評級

從B中分別選取主對角線元素歸一化后構(gòu)成總目標(biāo)的模糊綜合評價(jià)集：

bii=[0.001，0.017，0.348，0.634]，

根據(jù)最大隸屬原則，max{b44}=0.634，對應(yīng)評語集中結(jié)構(gòu)的安全性等級為“四級”。

3 幾種評估方法結(jié)果比較

表3給出為AHP 、FAHP、變權(quán)FAHP三種方法在4個(gè)等級中總目標(biāo)層及各二級目標(biāo)層的指標(biāo)結(jié)果綜合排序比較。

表3 AHP、FAHP、變權(quán)FAHP綜合排序值對比

從表3可以看出，總目標(biāo)層中A指標(biāo)、目標(biāo)層中Bi(i=1,2,3)指標(biāo)的綜合排序值(隸屬度、優(yōu)度值)因計(jì)算方法而異，對于指標(biāo)A、Bi，對應(yīng)一級—三級評語時(shí)，F(xiàn)AHP綜合排序值最大，其次為變權(quán)FAHP，AHP最小，說明FAHP分辨能力較好；對于指標(biāo)A、Bi，對應(yīng)四級評語時(shí)，如圖4所示，變權(quán)FAHP排序值最大，F(xiàn)AHP次之，AHP最小，故由變權(quán)FAHP決定該通信塔結(jié)構(gòu)的安全性評等級為四級，與相關(guān)規(guī)范檢測鑒定等級吻合。

此外，對于同一指標(biāo)，對應(yīng)一級—四級評語等級時(shí)，排序集中各值的離散度也因計(jì)算方法而異，如圖5所示，以總目標(biāo)指標(biāo)A的綜合排序值為例，分別計(jì)算3種方法的標(biāo)準(zhǔn)差，變權(quán)FAHP的標(biāo)準(zhǔn)差最大，F(xiàn)AHP次之，AHP最小，說明變權(quán)FAHP計(jì)算所得排序值離散度最大，排序值區(qū)分度較好，可作為固權(quán)的優(yōu)化方法，在決策評價(jià)中使用。

圖4 總目標(biāo)綜合評估結(jié)果 圖5 總目標(biāo)綜合排序值

4 結(jié) 論

(1)借助具體工程實(shí)例，以通信塔結(jié)構(gòu)的安全性為評估對象，建立分歧型階層構(gòu)造圖，作為評估的理論模型。將F分布中的梯形分布改進(jìn)為三角形分布，確立了用于統(tǒng)一評語集V量綱的隸屬函數(shù)，獲得了準(zhǔn)則層各指標(biāo)的隸屬度矩陣。將變權(quán)原理引入到FAHP中，修正層次分析法得到了各層指標(biāo)的權(quán)重矩陣。通過總權(quán)重矩陣和總隸屬度矩陣的模糊合成運(yùn)算，獲得了總目標(biāo)層的評價(jià)集，從而評估了濟(jì)南市某三管鋼結(jié)構(gòu)通信塔結(jié)構(gòu)的安全性等級，建立了完整的評估步驟，可為類似工程提供參考。

(2)采用AHP、FAHP進(jìn)行評估，并將決定總目標(biāo)評估等級的排序值與變權(quán)FAHP比較，發(fā)現(xiàn)變權(quán)FAHP排序值最大，綜合評價(jià)集中排序值的離散度最大，說明它對于綜合評估等級的識別性好，分辨率較高，且與規(guī)范檢測評估等級一致，具有一定的合理性。