基础抗震优化设计综合评价的AHP模型

2012-08-07张光明

河南建材 2012年6期

张光明

河南省水利勘测设计研究有限公司（450016）

0 引言

地震是一种危害性极大的自然灾害。自1976年唐山地震后，我国逐渐确立“以预防为主、预防与救助相结合”的防震减灾方针，并制定了防震减灾法。2008年汶川大地震给人民群众带来了巨大的悲痛，给国家造成了巨大的创伤。据震后调查资料表明∶房屋建筑的设计和施工存在问题才是它们在地震中遭到破坏或倒塌的主要原因。在地震中砂土液化、软粘土沉陷、不均匀沉降等给房屋结构带来严重破坏。

建筑物基础设计应进行建筑物抗震技术方面的综合考量与组织，即进行建筑物基础抗震优化设计的综合评价,以最大限度地发挥建筑物的功效。本文尝试利用AHP模型构建建筑物基础抗震优化设计综合评价指标体系，可在求出各设计指标相对重要性权重值后，结合待评对象的“属性值(评价值)”直观地得出某一待评对象的优劣程度，以此作为建筑物地基基础抗震优化设计的依据，供工程相关人员参考。

1 基础抗震优化设计综合评价指标体系的AHP模型

AHP(The Analytic Hierachy Process)，即层次分析法，是美国T.L.Saaty教授于20世纪70年代首次提出的一种系统分析方法。它充分体现定性与定量相结合，把复杂问题分解为若干有序层次，并根据对一定客观事实的判断，就每一层次的相对重要性给予定量表示，利用数学方法确定出表达每一层次的全部元素相对重要性次序的数值，并通过各层次的分析导出对整个问题的分析。本指标体系的AHP模型共分三层其简化框图如图1所示。

总目标A∶基础抗震优化设计综合评价。要求在建筑物设计过程中应进行基础抗震设计，以保证建筑物满足安全的要求。

分目标层B是在总目标的界定下，涵盖了基础抗震优化设计所应关注的三个方面。其内容分别为∶

B1∶地基选择。地震作用对建筑结构的影响是极其复杂的，场地类别对结构的动力反应有重要的影响，准确划分建筑场地类别对抗震防灾有着重要的意义。建筑物的地基宜选择在地势平坦、开阔、土层密实、均匀或稳定基岩等有利地段；对软弱土层的地基，应采取相应有效措施。

B2∶基础设计。为减轻液化影响和增强房屋的抗震能力，需加强基础的整体刚度，荷载较大时，宜采用刚度较大的钢筋混凝土条形基础、筏片基础、箱形基础等。对于无筋扩展基础或柱下独立基础，宜设置基础梁、基础连系梁等。同时，应适当增加基底面积，以增加上覆土重，减轻震动影响。

B3∶施工技术。合理的抗震设计必须通过高质量的施工才能起到抗震作用，只有把好施工质量关才能有效的提高建筑工程的抗震性能。

准则层C实质上是为实现各分目标的设计内容具体化后经聚类所形成的中间层，包含C1-C9共9项。

C1∶场地选择。场地是一个宏观的量，划分场地类别主要考虑地层结构和岩土特性在宏观上的量及变化趋势，对一些细节变化予以忽略，岩土工程勘察工作应针对“具有相似的反应谱特征”的本质意义，除对建筑地基进行研究外，尚要了解地基外围岩土层结构变化情况，估计所划分的场地类别大致范围，才能避免“一点(孔)之见”，并根据建筑物活动对场地条件的影响分析做适当修正，保证场地类别划分的准确性。在选择地段的时候，尽可能选择对建筑物抗震有利的地段避开不利的地段，禁止在危险地段进行建设。

场地土卓越周期引起的震害。许多震害现象表明,场地周期特性与建筑物震害影响关系较大，如1970年的土耳其Gdeiz地震中，某工厂的一幢现代化钢筋混凝土结构建筑发生倒塌，而与其相近的其它房屋都没有破坏。其一般规律是∶软弱地基上柔性结构较易遭受破坏，而刚性结构则较好;坚硬地基上则反之,刚性结构较易遭受破坏，而柔性结构较好。一般讲，软土地基的地面运动的卓越周期长，对自振周期较长的高层建筑，尤其框架结构易产生共振。

C2∶土层厚度对地震效应的影响。应注意场地土覆盖层厚度对地震效应放大倍数的影响。从理论上讲，当下层波速比上层波速大得多时，下层当做基岩，这时从地表反射回来的地震波到达岩土界面时将向上反射,只有很小一部分能量向下透射，这个分界面的埋深就是所谓覆盖层厚度或土层厚度。但是实际地层的刚度往往是逐渐变化的，如果要求岩土波速比很大时才能当做基岩，覆盖层厚度势必定的很大，有时甚至可能要达到岩浆层，这时一般工程是难以行得通的。另一方面，由于对建筑物破坏作用最大的主要是地震波中的中短周期成分，而深层介质对这些成分的影响并不很显著。宏观震害调查及理论分析表明,建造在厚覆盖层场地上的建筑，震害一般较严重，特别是柔性建筑。

C3∶不均匀沉降的影响。地基是一幢建筑的基础，应有足够的强度和刚度，以保证地基不产生破坏或过大的变形。当建筑物地基的地下水位很浅，土质松软、大部分场地土承载力较弱时，砖混结构常采用墙下条形浅基础，开挖坑槽后直接用石块砌筑基础,并且坑槽开挖的宽度和深度随意性很大，基本上是参照以前经验不考虑建筑结构本身的不同和场地的变化。这种地基给以后留下了隐患，当地震来临时，地基受力增大，未能满足抗震要求的地基开始下沉。对于局部承载力薄弱的地方可能会沉降得更多，造成地基不均匀沉降，还会将属于薄构件的楼板拉裂。对于砖混结构的方形板，在边角处板底受压，板面受拉。地基的不均匀沉降使楼板跟随不均匀沉降，从而在板面产生附加拉应力。为减小地基不均匀沉降对上部结构的影响，可在墙体与基础之间设置基础圈梁。

C4∶局部突出地形影响。考虑局部突出地形对地震动参数的放大作用(类似于“鞭梢效应”)。所谓局部突出地形主要是指山包、山梁和悬崖、陡坎等，情况比较复杂，对各种可能出现的情况的地震动参数的放大作用都做出具体的规定是很困难的。从宏观震害经验和地震反应分析结果所反映的总趋势，大致可以归纳为以下几点∶1）高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈强烈。2）离陡坎和边坡顶部边缘的距离愈大，反应相对减小。3）从岩土构成方面看，在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大。4）高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应是明显减小的。5）边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。

C5∶液化土层及湿陷性黄土层的影响。地震时饱和砂土与粉土中孔隙被水充满，孔隙水压力急剧增加，当有效应力降低为零时土便丧失抗剪强度,土粒处于悬浮状态，这种现象称为液化。地基发生液化后，地表裂隙中喷水冒砂,基础产生大量沉降甚至失稳,造成建筑物的倾斜或破坏。应根据地基的液化等级与建筑物的类别决定完全消除液化沉陷、部分消除液化沉陷或对上部结构处理以减轻液化影响。

C6∶基础设施应符合条件。1）同一结构单元的基础，不宜设置在性质截然不同的地基上。2）同一结构单元不宜部分采用天然基础,部分采用桩基础,避免采用局部地下室。3）当地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其它不利影响，并采取相应的措施。

C7∶基础整体性设计。采用整体性较好的基础方案，使基础、结构能够整体传力，这对于保证建筑结构的抗震可靠性很重要，这也可以部分消除基础的不均匀沉降。

C8∶深基础、地下室的作用。震害调查表明∶深基础、地下室能减轻震害，原因是深基础增加了房屋在土中的嵌固作用，减少了上部结构的振幅；地下室增大了与基础的接触面，增强了阻尼作用。同时，由于地下室侧壁与周边回填土的共同作用，增强了对结构的约束,提高了结构抗侧力的整体稳定性，减少了地震能量的放大。故有条件时，应采取抗震性能好的深基础和设置地下室。

C9∶良好的施工技术水平。震害调查证明，大多数严格按照国家工程建设标准 “建筑抗震设计规范”设计、严格保证工程质量的房屋建筑、及震前经过认真加固的既有房屋，基本能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，一些房屋建筑设计或施工存在问题，才是它们在地震中遭到破坏或倒塌的主要原因。

基本指标层D。基本指标层D是C层的细化和具体化,实质上亦为规划与设计时的具体设计指标。本体系的基本指标共有17项,每项中又包含了若干详细设计中应该考虑的内容。