基于多層模糊綜合模型的框架結(jié)構(gòu)損傷識別

李仕臻，姜明偉

(遼寧石油化工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

目前，建筑結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的方式可劃分為：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)。由于框架結(jié)構(gòu)的延性好，自重輕，抗震性能好，布置靈活等特點使其成為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。由于周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料自身性質(zhì)變化和荷載等多重因素的影響，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中受到損害造成破壞，因此如何精準(zhǔn)的損傷識別成為熱點的工程問題之一。研究發(fā)現(xiàn)，工程結(jié)構(gòu)分析不僅需要考慮隨機性，同時還需考慮模糊性對結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)分析中的取值標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該是絕對的，應(yīng)存在彈性的區(qū)間范圍。

在結(jié)構(gòu)損傷識別方面，張力[1]利用小波包分解原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法確定模糊集隸屬度函數(shù)，結(jié)合最大隸屬度原則對結(jié)構(gòu)損傷模式進行識別。牛彥峰[2]利用損傷前后的頻率變化率為輸入?yún)?shù)，以單元抗彎剛度模擬的損傷程為輸出參數(shù)，用模糊if-then原則將建立的隸屬度函數(shù)進行模糊，對橋梁結(jié)構(gòu)進行了有效的損傷識別。馬洪友[3]利用損傷前后的模態(tài)柔度矩陣構(gòu)造的均勻荷載曲率差結(jié)合模糊隸屬度理論，因此得到損傷狀態(tài)相對于各損傷等級的隸屬關(guān)系，合理判斷橋梁等級。運用模糊理論可以對結(jié)構(gòu)進行有效的損傷識別。

本文提出多層次模糊綜合模型，將結(jié)構(gòu)日常的損傷信息輸入到模型中，得出分值落在等級區(qū)間，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域，以便及時獲得可靠依據(jù)對結(jié)構(gòu)進行維修維護。通過考慮不同因素對結(jié)構(gòu)評價體系影響的權(quán)重比，有效解決由于評價信息不準(zhǔn)確、不全面導(dǎo)致的評價結(jié)果精度不準(zhǔn)確問題。

1 構(gòu)建框架結(jié)構(gòu)損傷識別體系

框架結(jié)構(gòu)主要由梁和柱以鋼筋相連接構(gòu)成的承重結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的墻體主要起到圍護和分隔作用，故本文框架整體損傷識別主要考慮梁、板、柱三方面構(gòu)件，每個方面又需要通過多個指標(biāo)或多級指標(biāo)來衡量。因此需要進行多層次指標(biāo)體系的構(gòu)建，就框架結(jié)構(gòu)損傷識別體系而言，采用三層評價體系對框架結(jié)構(gòu)進行分析，如圖1所示。

圖1 指標(biāo)體系框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)損傷識別步驟[4]：(1)確定損傷部位所在樓層；(2)確定(1)中確定樓層中的損傷構(gòu)件所在位置；(3)對構(gòu)件的損傷程度進行識別。評價指標(biāo)的選取應(yīng)滿足可靠、客觀、簡明、一致及靈敏五項原則，故需要提煉出一些對評價系統(tǒng)更有代表性的二級指標(biāo)，忽略一些次要二級指標(biāo)，如表1所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)損傷識別

2 構(gòu)建框架結(jié)構(gòu)損傷多層模糊綜合模型

根據(jù)樓層位置和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同及本身的評級指標(biāo)具有模糊性，因此，可將框架結(jié)構(gòu)損傷系統(tǒng)劃分為二級三層結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系，以便對結(jié)構(gòu)進行評估和對結(jié)構(gòu)損傷位置精確的判斷。根據(jù)層次分析法和模糊理論，第一級評價指標(biāo)由二級指標(biāo)對一級指標(biāo)的評價得出，同理，將一級指標(biāo)對準(zhǔn)則層的評價作為第二級評價指標(biāo)，通過對各級評價指標(biāo)進行權(quán)重分析，構(gòu)成一個二級三層的模糊綜合評價模型。

2.1 確定評價因素集

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)損傷識別體系，n表示一級指標(biāo)個數(shù)，因此對準(zhǔn)則層的評價因素集D為D=[d1,d2,…,dn]。其中，di(i=1,2,…，n)為影響評價結(jié)果的評價指標(biāo)，而di=[di1,di2,…,dij]為第i個一級指標(biāo)的j個二級指標(biāo)集合。

2.2 確定評價等級

評價等級是指就評價對象所有可能出現(xiàn)的結(jié)果賦予的評語所組成的集合，若有m種評語集，則評價等級V為：V=[v1,v2,…,vm]，其中，vi(i=1,2，…，m)為可能出現(xiàn)的評價結(jié)果。

參照已有研究成果和一般性規(guī)律，框架結(jié)構(gòu)失效模式模糊評價分級標(biāo)準(zhǔn)按照其損傷程度可分為5種，如表2所示。即 V=[v1,v2,v3,v4,v5]，其中，v1表示完好無損，v2表示輕微破壞，v3表示中等破壞，v4表示嚴(yán)重破壞，v5表示完全破壞。

表2 結(jié)構(gòu)損傷等級

2.3 建立模糊評估矩陣

若評價等級中的第j個因素vj對影響因素集D中第i個影響因素di的隸屬度為rij，則評價等級vi(i=1,2，…，m)對影響因素集D中第i個影響因素di的隸屬度為Ri=[ri1,ri2…，rim],i=1,2，…，n)。因此，影響因素di的評價結(jié)果的模糊集合R可以表示為：

2.4 確定權(quán)重集

因素集D中各個影響因素di(i=1,2，…，n)的因素權(quán)重集A為A=[a1,a2,?,an]，其中，ai(i=1,2，…，n)是用來衡量影響因素di(i=1,2，…，n)在評價中對評價對象影響的重要程度。

2.5 模糊綜合評估

基于步驟(1)到(4)進行計算，可以得到模糊綜合評價結(jié)果：

式中，“°” 表示綜合計算算子。

3 結(jié)論

本文通過將結(jié)構(gòu)劃分成不同層次，結(jié)合模糊理論將不同層次的結(jié)構(gòu)損傷加以權(quán)重，進而建立模糊評估矩陣得到綜合模糊評估結(jié)果。該評估的結(jié)果可以準(zhǔn)確的對結(jié)構(gòu)損傷位置進行定位，運用模糊理論有效解決鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在使用評價過程中不確定因素造成的損傷識別精度不高和考慮因素不全面的問題，可應(yīng)用到實際工程結(jié)構(gòu)分析中，便于結(jié)構(gòu)后期的監(jiān)測和維修。本文研究方法適用于宏觀分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在裂紋等不易察覺的損傷時，應(yīng)進一步對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行細(xì)致分析。