基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)的AHP模型

張光明

河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司（450016）

0 引言

地震是一種危害性極大的自然災(zāi)害。自1976年唐山地震后，我國(guó)逐漸確立“以預(yù)防為主、預(yù)防與救助相結(jié)合”的防震減災(zāi)方針，并制定了防震減災(zāi)法。2008年汶川大地震給人民群眾帶來(lái)了巨大的悲痛，給國(guó)家造成了巨大的創(chuàng)傷。據(jù)震后調(diào)查資料表明∶房屋建筑的設(shè)計(jì)和施工存在問(wèn)題才是它們?cè)诘卣鹬性獾狡茐幕虻顾闹饕颉Ｔ诘卣鹬猩巴烈夯④浾惩脸料荨⒉痪鶆虺两档冉o房屋結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重破壞。

建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行建筑物抗震技術(shù)方面的綜合考量與組織，即進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜合評(píng)價(jià),以最大限度地發(fā)揮建筑物的功效。本文嘗試?yán)肁HP模型構(gòu)建建筑物基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可在求出各設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)重要性權(quán)重值后，結(jié)合待評(píng)對(duì)象的“屬性值(評(píng)價(jià)值)”直觀地得出某一待評(píng)對(duì)象的優(yōu)劣程度，以此作為建筑物地基基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，供工程相關(guān)人員參考。

1 基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的AHP模型

AHP(The Analytic Hierachy Process)，即層次分析法，是美國(guó)T.L.Saaty教授于20世紀(jì)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(jié)合，把復(fù)雜問(wèn)題分解為若干有序?qū)哟危⒏鶕?jù)對(duì)一定客觀事實(shí)的判斷，就每一層次的相對(duì)重要性給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定出表達(dá)每一層次的全部元素相對(duì)重要性次序的數(shù)值，并通過(guò)各層次的分析導(dǎo)出對(duì)整個(gè)問(wèn)題的分析。本指標(biāo)體系的AHP模型共分三層其簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

總目標(biāo)A∶基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)。要求在建筑物設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)，以保證建筑物滿足安全的要求。

分目標(biāo)層B是在總目標(biāo)的界定下，涵蓋了基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)所應(yīng)關(guān)注的三個(gè)方面。其內(nèi)容分別為∶

B1∶地基選擇。地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響是極其復(fù)雜的，場(chǎng)地類別對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)有重要的影響，準(zhǔn)確劃分建筑場(chǎng)地類別對(duì)抗震防災(zāi)有著重要的意義。建筑物的地基宜選擇在地勢(shì)平坦、開(kāi)闊、土層密實(shí)、均勻或穩(wěn)定基巖等有利地段；對(duì)軟弱土層的地基，應(yīng)采取相應(yīng)有效措施。

B2∶基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。為減輕液化影響和增強(qiáng)房屋的抗震能力，需加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體剛度，荷載較大時(shí)，宜采用剛度較大的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)、筏片基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)等。對(duì)于無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)或柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，宜設(shè)置基礎(chǔ)梁、基礎(chǔ)連系梁等。同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加基底面積，以增加上覆土重，減輕震動(dòng)影響。

B3∶施工技術(shù)。合理的抗震設(shè)計(jì)必須通過(guò)高質(zhì)量的施工才能起到抗震作用，只有把好施工質(zhì)量關(guān)才能有效的提高建筑工程的抗震性能。

準(zhǔn)則層C實(shí)質(zhì)上是為實(shí)現(xiàn)各分目標(biāo)的設(shè)計(jì)內(nèi)容具體化后經(jīng)聚類所形成的中間層，包含C1-C9共9項(xiàng)。

C1∶場(chǎng)地選擇。場(chǎng)地是一個(gè)宏觀的量，劃分場(chǎng)地類別主要考慮地層結(jié)構(gòu)和巖土特性在宏觀上的量及變化趨勢(shì)，對(duì)一些細(xì)節(jié)變化予以忽略，巖土工程勘察工作應(yīng)針對(duì)“具有相似的反應(yīng)譜特征”的本質(zhì)意義，除對(duì)建筑地基進(jìn)行研究外，尚要了解地基外圍巖土層結(jié)構(gòu)變化情況，估計(jì)所劃分的場(chǎng)地類別大致范圍，才能避免“一點(diǎn)(孔)之見(jiàn)”，并根據(jù)建筑物活動(dòng)對(duì)場(chǎng)地條件的影響分析做適當(dāng)修正，保證場(chǎng)地類別劃分的準(zhǔn)確性。在選擇地段的時(shí)候，盡可能選擇對(duì)建筑物抗震有利的地段避開(kāi)不利的地段，禁止在危險(xiǎn)地段進(jìn)行建設(shè)。

場(chǎng)地土卓越周期引起的震害。許多震害現(xiàn)象表明,場(chǎng)地周期特性與建筑物震害影響關(guān)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(jié)構(gòu)建筑發(fā)生倒塌，而與其相近的其它房屋都沒(méi)有破壞。其一般規(guī)律是∶軟弱地基上柔性結(jié)構(gòu)較易遭受破壞，而剛性結(jié)構(gòu)則較好;堅(jiān)硬地基上則反之,剛性結(jié)構(gòu)較易遭受破壞，而柔性結(jié)構(gòu)較好。一般講，軟土地基的地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期長(zhǎng)，對(duì)自振周期較長(zhǎng)的高層建筑，尤其框架結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生共振。

C2∶土層厚度對(duì)地震效應(yīng)的影響。應(yīng)注意場(chǎng)地土覆蓋層厚度對(duì)地震效應(yīng)放大倍數(shù)的影響。從理論上講，當(dāng)下層波速比上層波速大得多時(shí)，下層當(dāng)做基巖，這時(shí)從地表反射回來(lái)的地震波到達(dá)巖土界面時(shí)將向上反射,只有很小一部分能量向下透射，這個(gè)分界面的埋深就是所謂覆蓋層厚度或土層厚度。但是實(shí)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(shí)才能當(dāng)做基巖，覆蓋層厚度勢(shì)必定的很大，有時(shí)甚至可能要達(dá)到巖漿層，這時(shí)一般工程是難以行得通的。另一方面，由于對(duì)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(zhì)對(duì)這些成分的影響并不很顯著。宏觀震害調(diào)查及理論分析表明,建造在厚覆蓋層場(chǎng)地上的建筑，震害一般較嚴(yán)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(chǔ)，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證地基不產(chǎn)生破壞或過(guò)大的變形。當(dāng)建筑物地基的地下水位很淺，土質(zhì)松軟、大部分場(chǎng)地土承載力較弱時(shí)，磚混結(jié)構(gòu)常采用墻下條形淺基礎(chǔ)，開(kāi)挖坑槽后直接用石塊砌筑基礎(chǔ),并且坑槽開(kāi)挖的寬度和深度隨意性很大，基本上是參照以前經(jīng)驗(yàn)不考慮建筑結(jié)構(gòu)本身的不同和場(chǎng)地的變化。這種地基給以后留下了隱患，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，地基受力增大，未能滿足抗震要求的地基開(kāi)始下沉。對(duì)于局部承載力薄弱的地方可能會(huì)沉降得更多，造成地基不均勻沉降，還會(huì)將屬于薄構(gòu)件的樓板拉裂。對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)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(yīng)力。為減小地基不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，可在墻體與基礎(chǔ)之間設(shè)置基礎(chǔ)圈梁。

C4∶局部突出地形影響。考慮局部突出地形對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的放大作用(類似于“鞭梢效應(yīng)”)。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(fù)雜，對(duì)各種可能出現(xiàn)的情況的地震動(dòng)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(yàn)和地震反應(yīng)分析結(jié)果所反映的總趨勢(shì)，大致可以歸納為以下幾點(diǎn)∶1）高突地形距離基準(zhǔn)面的高度愈大，高處的反應(yīng)愈強(qiáng)烈。2）離陡坎和邊坡頂部邊緣的距離愈大，反應(yīng)相對(duì)減小。3）從巖土構(gòu)成方面看，在同樣地形條件下，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比巖質(zhì)結(jié)構(gòu)大。4）高突地形頂面愈開(kāi)闊，遠(yuǎn)離邊緣的中心部位的反應(yīng)是明顯減小的。5）邊坡愈陡，其頂部的放大效應(yīng)相應(yīng)加大。

C5∶液化土層及濕陷性黃土層的影響。地震時(shí)飽和砂土與粉土中孔隙被水充滿，孔隙水壓力急劇增加，當(dāng)有效應(yīng)力降低為零時(shí)土便喪失抗剪強(qiáng)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(chǔ)產(chǎn)生大量沉降甚至失穩(wěn),造成建筑物的傾斜或破壞。應(yīng)根據(jù)地基的液化等級(jí)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?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)處理以減輕液化影響。

C6∶基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)符合條件。1）同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)，不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上。2）同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然基礎(chǔ),部分采用樁基礎(chǔ),避免采用局部地下室。3）當(dāng)?shù)鼗鶠檐浫跽承酝痢⒁夯痢⑿陆钔粱驀?yán)重不均勻土?xí)r，應(yīng)估計(jì)地震時(shí)地基不均勻沉降或其它不利影響，并采取相應(yīng)的措施。

C7∶基礎(chǔ)整體性設(shè)計(jì)。采用整體性較好的基礎(chǔ)方案，使基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)能夠整體傳力，這對(duì)于保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠性很重要，這也可以部分消除基礎(chǔ)的不均勻沉降。

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

C9∶良好的施工技術(shù)水平。震害調(diào)查證明，大多數(shù)嚴(yán)格按照國(guó)家工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) “建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”設(shè)計(jì)、嚴(yán)格保證工程質(zhì)量的房屋建筑、及震前經(jīng)過(guò)認(rèn)真加固的既有房屋，基本能達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，一些房屋建筑設(shè)計(jì)或施工存在問(wèn)題，才是它們?cè)诘卣鹬性獾狡茐幕虻顾闹饕颉?/p>

基本指標(biāo)層D。基本指標(biāo)層D是C層的細(xì)化和具體化,實(shí)質(zhì)上亦為規(guī)劃與設(shè)計(jì)時(shí)的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)。本體系的基本指標(biāo)共有17項(xiàng),每項(xiàng)中又包含了若干詳細(xì)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的內(nèi)容。

2 本指標(biāo)體系模型的應(yīng)用途徑

1）利用AHP模型構(gòu)建了“地基基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”,該模型可把各種評(píng)價(jià)因素明確地表述出來(lái)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)研取得有關(guān)數(shù)據(jù)，再構(gòu)建判斷矩陣，通過(guò)已開(kāi)發(fā)的AHP程序在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單排序及總排序計(jì)算，從而得到各因素相對(duì)于總目標(biāo)的組合權(quán)重值。

2）結(jié)合待評(píng)對(duì)象的“屬性值”，利用“模糊綜合評(píng)價(jià)程序”或“改進(jìn)的TOPSIS方法程序”、“灰色聚類評(píng)價(jià)方法程序”等軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，可得到各待評(píng)對(duì)象的優(yōu)劣程度,以選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

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