運用模糊綜合方法評價重要市政建筑抗震能力——以合肥市為例

吳志新,張偉林,沈小璞

(安徽建筑工業學院土木學院,安徽合肥 230022)

運用模糊綜合方法評價重要市政建筑抗震能力
——以合肥市為例

吳志新,張偉林,沈小璞

(安徽建筑工業學院土木學院,安徽合肥 230022)

模糊綜合評價方法是對復雜問題的研究方法。文中將重要市政建筑主次關系,不同結構類別、不同場地類別、不同設防烈度和建設年代等因素,引入模糊綜合評價模型當中,并對合肥市重要市政建筑物抗震性能進行分析。預測結果基本反映了合肥市重要市政建筑防御震害能力。

公共建筑; 生命線工程; 震害指數; 模糊綜合評價

重要市政基礎設施是城市生命線工程,主要包括供電、交通、通訊、供水和供氣五個方面,在城市的防震減災工作中發揮著重要作用。市政基礎設施的破壞將嚴重影響震后居民的正常生活,阻礙震后應急救災和恢復重建,還會造成一些次生災害的發生,造成企業生產停工,商業中斷[5]。為了摸清合肥市重要市政基礎設施的抗震能力,筆者進行了問卷調查,并對部分重要建筑進行了現場調查,運用模糊綜合評價方法,將重要市政設施中的供電、交通、通信、供水和供氣這五個方面相互影響、相互制約、有主有次、有輕有重的關系系統考慮到數學模型當中,進行抗震能力綜合評價,得出反映合肥市市政設施綜合抗震能力現狀的結論。

1 模糊綜合評價的概念

按確定性標準,對某個(類)對象中的某個因素(組分)進行評價,稱為單一評價。從眾多單一評價中獲得對某個(類)對象的整體評價,稱為綜合評價。模糊綜合評價是處理具有模糊性復雜系統的重要方法,其基本原理是應用研究模糊變換實現模糊概念的論域轉換,綜合考慮與被評價事物相關的各個因素,從而做出科學論斷[2]。模糊綜合評價方法步驟如下。

(1)建立評價對象因素集U。因素是對象的各種屬性或性能,稱為參數指標或質量指標,它們能綜合地反映出對象的質量,因而可由這些因素來評價對象。設選定 n個指標, ui表示第i個因素,則對象因素集可以表示為U={u1,u2,…,ui,…,un}。

(2)建立評語集 V。評語集是評價對象各種可能結果所組成的集合,在震害分析中評語集可以是震害程度的集合。設選定m個評語,vj表示第j個評語,則評語集可以表示為V ={v1,v2,…,vi,…,vn}。

(3)建立單因素評價模糊矩陣R。為了進行綜合評判,先進行單因素評判,即確定U到V的模糊映射:

由f可以導出模糊關系,得到模糊矩陣:

R稱為單因素評價模糊矩陣,于是{U V R}構成了一個綜合評價模型。

若 1,則需要進行歸一化。記歸一化后的評價模型為B′=(b′1,b′2,…,b′j,…,b′m),根據對象集元素含義對系統的整體結果做出綜合評價[1]。

2 合肥市市政建筑震害等級的綜合評價

影響市政基礎設施抗震能力的因素很多,如建設年代、結構類型、場地類別、設防烈度、基礎形式、設施高度、截面形式、改造情況等,這些因素對抗震性能的影響各有不同。而且不同類型、不同用途的設施在城市防震減災過程中有著不同的重要性[3]。在這次抗震調查中共問卷調查合肥市市政建筑251幢,其中電力系統有 102幢、交通系統31幢、通信系統 23幢、供水和供氣系統共 95幢。下面就調查數據進行分析。

2.1 建立震害等級評價因素集U

因素是對象的各種屬性或性能,能夠綜合地反映出對象的質量,因而可由因素來評價對象。就抗震評價指標選取而言,設施自身的抗震能力起著重要作用。用途各異,重要性不同的建筑在抗震性能評價中應各有輕重。這里選用供電、通訊、交通、供水(氣)4個指標,則因素集可以表示為:

2.2 建立震害等級的評語集V

評語集是評價對象各種可能結果所組成的集合。這里指各類建筑在地震中不同程度破壞等級。本文將破壞程度分 5個等級,即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞。則評語集可表示為:

2.3 建立單因素評價模糊矩陣R

對市政設施的問卷調查數據進行分類,對每個獨立的生命線工程進行抗震性能預測。通過建筑物震害指數對破壞等級進行量化表示,其數值介于 0和 1之間,數值越大表示震害越嚴重。5個破壞等級相應的震害指數和上、下限值見表 1[7,8]。

建筑震害指數 k的計算公式為影響震害指數的各參數的乘積:

式中:βd為設防烈度影響系數;βn為建設年代修正系數;βc為結構類型修正系數;βt為場地類型修正系數。震害指數的設防烈度修正、年代修正、結構類型修正和場地類型修正各影響系數分別列在表2～表 5中。

合肥地區為七度設防區,重要市政基礎設施及其建筑物需要提高一度抗震設防。根據震害指數計算方法及對照五個震害等級的量化區間得出合肥市重要市政基礎設施及其建筑物在基本烈度和提高一度設防的震害預測評語集 vj列在表 6、表 7中。

由表 6、表 7可寫出基本烈度和提高一度設防下震害預測模糊矩陣:

2.4 模糊綜合評價結果

2.4.1 基本烈度設防下的綜合評價結果

由式(6),計算出基本烈度設防下的綜合評價模糊集:

可以看出,合肥市在發生基本設防烈度的地震時,市政建筑震害情況如下:基本完好的占 37.9%,輕微破壞占54.2%,中等破壞 7.9%,未出現嚴重破壞和毀壞建筑。

2.4.2 提高一度設防下的綜合評價結果

由式(6),計算出提高一度設防下的綜合評價模糊集:

計算結果表明,在發生比設防烈度高一度的地震時,合肥市市政建筑震害情況如下:輕微破壞占 14.15%,中等破壞77.87%,嚴重破壞 7.98%,未出現基本完好和毀壞建筑。

3 結 論

(1)根據上述分析結果,合肥市重要市政建筑在基本烈度設防下基本完好率和輕微破壞率占 92.1%,可見生命線工程仍能保特暢通,對震后的救護、重建不會構成嚴重影響。在提高一度設防輕微破壞和中等破壞率占 92.02%,少部分(7.98%)建筑及相關設施失去應有的功能,這對救災工作不利。

(2)單一因素分析不能反映整體的水平,考慮的因素越多預測結果就越能反映事實。但在分析過程中沒有對建筑物近距共存性列入。比如在供電系統當中變電所供電的范圍,所在的位置,是主干線上的,還是非主干線上的等因素,這些都會不同程度的影響到震害預測的結果[6]。

(3)市政重要基礎設施及其建筑物布局要合理,采取有主到次統一協調,分塊管理。在一些關鍵的位置上的市政建筑物要進行抗震性能評估,抗震性能不合要求的要拆除重建或必要的加固。對地理位置不合理的要重新規劃建設。確保在提高 1度的設防下市政建筑設施仍不失其使用功能。

(4)各部門之間和部門內部要網絡化,建立震害評估系統,實時監測生命線工程各部門之間的現狀,給決策部門提供震害防御依據。

[1] 馮啟民.城市社區抗震能力模糊綜合評價模型[J].世界地震工程,2007,23(3):2-4

[2] 胡玉清.模糊理論基礎[M].武漢:武漢大學出版社,2003

[3] 湯愛平.生命線系統間的相互作用破壞與震害預測[D].哈爾濱工業大學,2001

[4] 張風華,謝禮立.生命線系統對城市地震災害損失評價研究[J].土木工程學報,2003(11):100-103

[5] 張風華.城市防震減災能力評估研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2002

[6] 蘇幼坡,馬亞杰,劉瑞興.城市生命線地震震害相互影響[J].河北工學院學報,2001,5(2):57-58

[7] 謝禮立,張曉志,周雍年.論工程抗震設防標準[J].地震工程與工程振動,1996,16(1):1-18

[8] 張風華,謝禮立,范立礎.城市建構筑物地震損失預測研究[J].地震工程與工程振動,2004,24(3):12-20

TU311.2

B

2009-10-23

安徽省重要公共基礎設施和公共建筑抗震調查與對策研究(批準號辦設函[2008]130號)

吳志新(1976～),男,研究生,主要從事新型疊合結構抗震性能研究;張偉林(1954～),男,教授;沈小璞,男,教授,一級結構工程師,主要從事抗震研究。