震后钢管混凝土框架结构损伤程度模糊综合评判

刘 宁，许成祥

（长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

钢管混凝土结构具有良好的抗震性能，在地震设防区有广泛应用。震后钢管混凝土结构的安全性直接关系到人民生命财产安全，目前国内没有专门应用于钢管混凝土结构震后损伤程度快速评判的规范或规程。建筑结构在地震作用下的损伤评判主要涉及材料本构关系、构件力学性能和整体结构倒塌机制3方面的问题，建立结构地震损伤评判方法的实质就是如何将材料的微观、细观损伤与结构、构件的宏观损伤结合起来分析［1］。由于震后自然条件复杂、检测设备的限制以及时间紧迫，导致震后钢管混凝土结构的损伤鉴定产生很大困难。为此，笔者针对震后钢管混凝土框架结构损伤程度模糊综合评判的问题进行了研究。

1 模糊综合评判指标体系的建立

在框架结构中，承重构件对结构安全性起决定作用，连接构件起主要作用，维护构件起次主要作用。因此，将承重构件损伤、连接构件损伤、维护构件损伤作为一级评价指标。通过对比柱、梁、板、连接节点、填充墙等构件的重要性，选取构件地震破坏特征作为评判指标，通过分析钢筋混凝土框架结构的震害情况，形成初步的评判指标。

依据文献［2］，建立钢管混凝土框架结构损伤综合评价指标体系（见表1）。

2 利用层次分析法计算确定各指标权重

层次分析法计算权重的基本思想是利用各因素对同一目标的影响程度，确定在达到该目标过程中各因素所占权重。具体做法是把处于同一个层次的各项逐个进行两两比较，引入1～9比较标度方法作为其比较结果，然后将结果写成判断矩阵，最后通过计算得出某一层元素相对于上一层某个元素的相对重要性权值。

假设A为目标，B1，B2，…，Bi，…，Bn是实现目标A的各种因素。为了得出在实现目标A的过程中某一因素Bi的权重，只需将B1～Bn中各项两两比较建立判断矩阵（Bij）n×n，判断矩阵中每个元素Bij＝Bi／Bj，（i，j∈1，2，…，n）。Bij取值根据Bi／Bj强弱程度，采用1～9标度比较。Bij取值分别为1、3、5、7、9，对应Bi／Bj强弱分别为相同、稍强、强、很强、绝对强。为避免在比较判断时出现类似于B1比B2强、B2比B3强、但是B3比B1强或B3与B1等强这样的逻辑性判断错误，需使判断矩阵在判断过程中具有满意的一致性。根据矩阵理论中矩阵一致性指标CI来检查决策者判断思维的一致性，即［3］：

式中，λmax为判断矩阵最大特征值；n为因素B个数，亦为判断矩阵阶数。

为了衡量判断矩阵是否具有满意的一致性，还需引入判断矩阵的平均随机一致性指RI值。1和2阶判断矩阵总具有完全一致性，无需考虑。对于3至8阶判断矩阵，RI取值分别为0.52、0.89、1.12、1.26，1.36、1.41。

判断矩阵的一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率，记为CR。当CR＜0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要重新判断并调整判断矩阵。当一致性满足后，就可以计算出较为合理的权重，采用和积权重法进行计算，计算步骤如下［3］：①将判断矩阵按列归一化，即让按照行变形，得到新的矩阵按行逐次相加，得到向量归一化后，即可得到任一因素的权重系数

通过计算，得到各项评价指标权重（见表1）。

表1 震后钢管混凝土框架结构损伤综合评价指标体系与权重

3 评价集的选择

确定影响结构震损程度评判指标及权重后，对指标评价集进行选择。结构震损的模糊综合评价中，对各指标的评价一般采用语言进行描述、评价和记录，相应的语言描述又对应着结构的震损程度。采用震损程度分为未震损、震损轻微、震损较重、震损严重和损毁5个等级划分。构件震损程度描述如表2所示。

通过对工程结构各类构件破坏情况的总结和分析，参照现行的鉴定规范和工程实践，确定各类震损构件的破坏评价标准：①填充墙，以1个计算高度、自然间的1面为1构件；②承重柱，以1个计算高度、1跟为一构件；③承重梁，以1个跨度、1跟为一构件；④承载板，以1个自然间面积为1构件。

当构件出现下列条件之一时，应评定为危险点：①梁、板产生超过L0／150（L0表示梁或板的长度）的挠度，受拉区的裂缝宽度大于1 mm；②板产生横向水平裂缝和斜裂缝，缝宽大于1 mm，板产生宽度大于0.4 mm的受拉裂缝；③板或墙体混凝土严重缺损或混凝土保护层严重脱落、露筋；④现浇板面周边产生裂缝，或板底产生交叉裂缝；⑤墙体中间部位产生交叉裂缝，缝宽大于0.4 mm；⑥柱、墙产生倾斜、位移，其倾斜率超过高度的1%，其侧向位移量大于h／500（h表示柱或墙体的高度）；⑦柱、墙侧向变形，其极限值大于h／250或大于30 mm；⑧构件或连接件有裂缝或锐角切口，焊缝、螺栓或铆接有拉开、变形、滑移、松动、剪切等严重破坏；⑨钢柱顶位移，平面内大于h／150，平面外大于h／500，或大于40 mm［1］。

表2 构件震损程度描述

假设某一在地震中损伤的钢管混凝土框架结构，对于柱顶位移的偏移情况，有40%承重柱偏移略微超过40 mm（中度偏移即震损较重），30%的承重柱偏移远大于40 mm（严重偏移即震损严重），10%承重柱偏移小于40 mm（轻度偏移即震损轻微），10%承重柱几乎无偏移（未震损），10%承重柱完全破坏（即构件被损毁），则对于结构震损程度这一评语集 ｛未震损，震损轻微，震损较重，震损严重，损毁｝，就可以得出承重柱顶位移的评价集r：

依此可以通过现场调查，得到因素的评价集R：

最终评判模型：

然后根据最大隶属度原则，可以判别该结构震损程度所处的等级。

4 实例应用

以某震损的钢管混凝土框架结构为例，通过现场实地调查和测量分析，对现场的破坏构件进行数据整理，其结果如表3所示。

表3 震后框架结构损伤程度数据统计表

依据表3可以得到对于该钢管混凝土框架结构的震后损伤指标的评价矩阵R：

震后钢管混凝土结构损伤程度B ＝W ×R，通过计算得到B ＝（0.103471251，0.284581233，0.314364872，0.194283420，0.103299224）。从计算结果可以看出，该结构总的说来处于震损较严重的状态（评价等级震损轻微和震损较重的隶属度将近60%）。

5 结 语

将层次分析法、模糊综合评价法与工程结构的震后鉴定相结合，提出了一种震后钢管混凝土框架结构损伤评判的方法。运用模糊数学中的综合评判方法确定多因素与模糊损伤集合的关系，对指标进行分级和阈值确定，并给出适用于钢管混凝土框架结构地震损伤综合评估指标体系。该方法可以定量计算钢管混凝土框架结构震损程度，从而为震后评判钢管混凝土框架结构是否需要加固和可否继续使用提供决策依据。

［1］王振宇，刘晶波 .建筑结构地震损伤评估的研究进展［J］.世界地震工程，2001，17（3）：44－48.

［2］JGJ125－1999，危险房屋鉴定标准［S］.

［3］赵峰 .震后工程结构快速鉴定方法研究［D］.北京：北方交通大学，2010.