震后鋼管混凝土框架結構損傷程度模糊綜合評判

劉 寧，許成祥

（長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

鋼管混凝土結構具有良好的抗震性能，在地震設防區有廣泛應用。震后鋼管混凝土結構的安全性直接關系到人民生命財產安全，目前國內沒有專門應用于鋼管混凝土結構震后損傷程度快速評判的規范或規程。建筑結構在地震作用下的損傷評判主要涉及材料本構關系、構件力學性能和整體結構倒塌機制3方面的問題，建立結構地震損傷評判方法的實質就是如何將材料的微觀、細觀損傷與結構、構件的宏觀損傷結合起來分析［1］。由于震后自然條件復雜、檢測設備的限制以及時間緊迫，導致震后鋼管混凝土結構的損傷鑒定產生很大困難。為此，筆者針對震后鋼管混凝土框架結構損傷程度模糊綜合評判的問題進行了研究。

1 模糊綜合評判指標體系的建立

在框架結構中，承重構件對結構安全性起決定作用，連接構件起主要作用，維護構件起次主要作用。因此，將承重構件損傷、連接構件損傷、維護構件損傷作為一級評價指標。通過對比柱、梁、板、連接節點、填充墻等構件的重要性，選取構件地震破壞特征作為評判指標，通過分析鋼筋混凝土框架結構的震害情況，形成初步的評判指標。

依據文獻［2］，建立鋼管混凝土框架結構損傷綜合評價指標體系（見表1）。

2 利用層次分析法計算確定各指標權重

層次分析法計算權重的基本思想是利用各因素對同一目標的影響程度，確定在達到該目標過程中各因素所占權重。具體做法是把處于同一個層次的各項逐個進行兩兩比較，引入1～9比較標度方法作為其比較結果，然后將結果寫成判斷矩陣，最后通過計算得出某一層元素相對于上一層某個元素的相對重要性權值。

假設A為目標，B1，B2，…，Bi，…，Bn是實現目標A的各種因素。為了得出在實現目標A的過程中某一因素Bi的權重，只需將B1～Bn中各項兩兩比較建立判斷矩陣（Bij）n×n，判斷矩陣中每個元素Bij＝Bi／Bj，（i，j∈1，2，…，n）。Bij取值根據Bi／Bj強弱程度，采用1～9標度比較。Bij取值分別為1、3、5、7、9，對應Bi／Bj強弱分別為相同、稍強、強、很強、絕對強。為避免在比較判斷時出現類似于B1比B2強、B2比B3強、但是B3比B1強或B3與B1等強這樣的邏輯性判斷錯誤，需使判斷矩陣在判斷過程中具有滿意的一致性。根據矩陣理論中矩陣一致性指標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個數，亦為判斷矩陣階數。

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CI與同階平均隨機一致性指標RI之比稱為隨機一致性比率，記為CR。當CR＜0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要重新判斷并調整判斷矩陣。當一致性滿足后，就可以計算出較為合理的權重，采用和積權重法進行計算，計算步驟如下［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重系數

通過計算，得到各項評價指標權重（見表1）。

表1 震后鋼管混凝土框架結構損傷綜合評價指標體系與權重

3 評價集的選擇

確定影響結構震損程度評判指標及權重后，對指標評價集進行選擇。結構震損的模糊綜合評價中，對各指標的評價一般采用語言進行描述、評價和記錄，相應的語言描述又對應著結構的震損程度。采用震損程度分為未震損、震損輕微、震損較重、震損嚴重和損毀5個等級劃分。構件震損程度描述如表2所示。

通過對工程結構各類構件破壞情況的總結和分析，參照現行的鑒定規范和工程實踐，確定各類震損構件的破壞評價標準：①填充墻，以1個計算高度、自然間的1面為1構件；②承重柱，以1個計算高度、1跟為一構件；③承重梁，以1個跨度、1跟為一構件；④承載板，以1個自然間面積為1構件。

當構件出現下列條件之一時，應評定為危險點：①梁、板產生超過L0／150（L0表示梁或板的長度）的撓度，受拉區的裂縫寬度大于1 mm；②板產生橫向水平裂縫和斜裂縫，縫寬大于1 mm，板產生寬度大于0.4 mm的受拉裂縫；③板或墻體混凝土嚴重缺損或混凝土保護層嚴重脫落、露筋；④現澆板面周邊產生裂縫，或板底產生交叉裂縫；⑤墻體中間部位產生交叉裂縫，縫寬大于0.4 mm；⑥柱、墻產生傾斜、位移，其傾斜率超過高度的1%，其側向位移量大于h／500（h表示柱或墻體的高度）；⑦柱、墻側向變形，其極限值大于h／250或大于30 mm；⑧構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、剪切等嚴重破壞；⑨鋼柱頂位移，平面內大于h／150，平面外大于h／500，或大于40 mm［1］。

表2 構件震損程度描述

假設某一在地震中損傷的鋼管混凝土框架結構，對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%的承重柱偏移遠大于40 mm（嚴重偏移即震損嚴重），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（即構件被損毀），則對于結構震損程度這一評語集 ｛未震損，震損輕微，震損較重，震損嚴重，損毀｝，就可以得出承重柱頂位移的評價集r：

依此可以通過現場調查，得到因素的評價集R：

最終評判模型：

然后根據最大隸屬度原則，可以判別該結構震損程度所處的等級。

4 實例應用

以某震損的鋼管混凝土框架結構為例，通過現場實地調查和測量分析，對現場的破壞構件進行數據整理，其結果如表3所示。

表3 震后框架結構損傷程度數據統計表

依據表3可以得到對于該鋼管混凝土框架結構的震后損傷指標的評價矩陣R：

震后鋼管混凝土結構損傷程度B ＝W ×R，通過計算得到B ＝（0.103471251，0.284581233，0.314364872，0.194283420，0.103299224）。從計算結果可以看出，該結構總的說來處于震損較嚴重的狀態（評價等級震損輕微和震損較重的隸屬度將近60%）。

5 結 語

將層次分析法、模糊綜合評價法與工程結構的震后鑒定相結合，提出了一種震后鋼管混凝土框架結構損傷評判的方法。運用模糊數學中的綜合評判方法確定多因素與模糊損傷集合的關系，對指標進行分級和閾值確定，并給出適用于鋼管混凝土框架結構地震損傷綜合評估指標體系。該方法可以定量計算鋼管混凝土框架結構震損程度，從而為震后評判鋼管混凝土框架結構是否需要加固和可否繼續使用提供決策依據。

［1］王振宇，劉晶波 .建筑結構地震損傷評估的研究進展［J］.世界地震工程，2001，17（3）：44－48.

［2］JGJ125－1999，危險房屋鑒定標準［S］.

［3］趙峰 .震后工程結構快速鑒定方法研究［D］.北京：北方交通大學，2010.