火灾后混凝土结构损伤的属性识别

文畅平

(中南林业科技大学土木工程与力学学院，长沙，410004)

火灾后混凝土结构损伤的属性识别

文畅平*

(中南林业科技大学土木工程与力学学院，长沙，410004)

摘要：应用属性数学理论建立火灾后混凝土结构损伤程度评价的属性识别模型。选择影响火灾后混凝土质量的4个参数，如抗压强度损伤系数、抗渗透性损伤系数、爆裂损伤系数以及裂纹损伤系数等作为综合评判指标，通过构造属性测度函数以计算单指标属性测度和样本综合属性测度，应用置信度准则对火灾后混凝土样本的质量状况进行属性识别，从而建立了火灾后混凝土结构损伤程度综合评判的属性识别模型。在工程实例研究中，通过属性测度分析和计算，得到了火灾后混凝土样本损伤程度的评价结果，并分别与模糊综合评价和物元可拓评判法评价结果进行了比较，结果有较好的一致性。由于属性数学理论能很好地解决具有多个模糊属性问题的综合评价，且置信度准则是根据评价集具有有序性这一特点而提出的，因而可使评价结果更为可靠。

关键词：火灾后混凝土；损伤程度分级；属性测度函数；属性识别

0引言

火灾导致建筑物结构不同程度的损伤和承载力的下降，同时也会造成严重的人员伤亡和经济损失[1]。火灾后如何准确而迅速地鉴定、评估建筑物结构损伤程度，并据此确保修复工程的可靠性和经济性，使之尽可能降低损失，尽快恢复使用，是工程实践中亟待解决的首要任务，也是防灾减灾的重要组成部分。

混凝土是工程建设中使用最为普遍的结构材料之一，火灾后建筑物混凝土构件的质量直接影响到结构的适用性、安全性以及是否有修复的价值。为此，真实掌握火灾后混凝土结构的质量对火灾后建筑物的重建，减小损失有重要的意义。掌握火灾后混凝土结构的缺陷是判断混凝土构件质量的主要依据[2,3]。

建筑物火灾后混凝土结构的损伤是极其复杂的[4]，其影响因素很多[5]，我国还处于初期研究阶段，至今还没有相关的国家标准或规范可对各种结构和构件的火灾损伤程度加以区分和界定。美、英、日等国均有相应的评估方法与规程。目前国外常用的对火灾后混凝土结构损伤评价方法有：外观调查、回弹法、钻芯法和超声检测等[6-8]。

我国一些学者和工程技术人员对一些火灾后建筑物的混凝土结构进行了检测、评定，并提出了修复、加固处理措施[9-16]，此外，他们根据实践经验、理论分析及试验验证，对火灾后混凝土构件的损伤特征进行了分析，并对混凝土结构损伤程度进行了综合评定、分类或分级[17-27]。

由于火灾作用的随机性、混凝土参数的多样性和不确定性、人类认识的局限性等主、客观原因，因而很难提出准确的判别标准。我国一些学者以物元分析法[28]，模糊综合评判法[29]等综合评价方法对火灾后建筑物混凝土结构损伤程度进行评估，取得了较好的效果。

对受火后混凝土结构的质量评价与分级，是一个综合评价问题，可归结为对定性描述的度量问题，是对有序分割类的识别。属性数学理论[30-33]主要讨论定性描述的度量问题和不同的定性描述之间的关系，能很好地解决具有多个模糊属性的综合评价问题，其识别准则是置信度准则，而置信度准则是根据评价类具有有序性这一特点而提出的，因而评价结果更为可靠。因此，本文参考现有的研究成果，从受火后混凝土的抗压强度、耐久性以及外观损伤等三个方面来评价混凝土结构受火后的损伤程度，选择抗压强度损伤系数、抗渗透性损伤系数、爆裂损伤系数以及裂纹损伤系数等4个因素作为火灾后混凝土的综合评判指标，应用属性数学理论建立火灾后混凝土结构损伤分级综合评价的属性识别模型，并与用其他方法得到的结果进行对比，以检验该模型的可行性和可靠性，为受火后混凝土结构的质量评价提供新的方法和途径，供工程实践参考。

1火灾后混凝土损伤评价的属性识别模型

工程实践中有大量的问题是综合评价问题，这些问题都可归结为对定性描述的度量问题，模糊数学、可拓学等理论为解决这类问题提供了方法和理论依据，但每一种理论都有其局限性。为了更加客观、实用地解决现实社会中的诸多实际问题，程乾生教授创立了属性数学理论，该理论已在人工智能、质量评价等方面具有重要的理论意义和实际应用价值。属性集和属性测度是属性数学的理论基础，在属性集、属性测度空间和有序分割类的基础上，提出了属性识别的准则、理论模型和应用。

受火后混凝土结构的质量评价是一个综合系统，该系统的输入为受火后混凝土结构质量状况的m个指标的测量值，系统的输出为某一评价类别即受火后混凝土结构质量状况的判别，该系统可分为3个子系统：单指标属性测度分析、多指标综合属性测度分析和属性识别分析等。

在受火后混凝土结构质量状况的评价中，设X为受火后混凝土结构的集合，称为评价对象空间，其评价对象xi(i=1，2，…，n)，有m个被评价指标Ij(j=1，2，…，m)；对于xi的第j个指标Ij的测量值为tj，都有p个评价等级Ck(k=1，2，…，p)。设F={受火后混凝土结构质量等级}，F称为属性空间，F中的每一种情况称为一个属性集。例如C1={I级}，C2={II级}，C3={III级}，C4={IV级}，它们都是受火后混凝土结构质量的一种状况，都是属性集，都可以看成是F的子集。对于属性集可以进行属性运算，对不同的属性集可以给出相应的属性测度，属性测度满足可加性规则。

1.1单指标属性测度分析

在受火后混凝土结构质量状况评价的评价对象空间X中，对每一种受火后混凝土结构质量状况评价需要测定混凝土样本的各个指标，如抗压强度损伤系数、抗渗透性损伤系数、爆裂损伤系数以及裂纹损伤系数等参数，用Ij(j=1，2，…，m)表示。对于X中的评价集为(C1，C2，…，Ck)，Ck(1≤k≤p)表示质量等级，每个指标的测量值以数字的形式给出。每一个要评价的混凝土样本可表示为一个m维的变量x=(t1，t2，…，tm)，受火后混凝土样本的第j个指标的测量值tj具有属性Ck的大小用单指标属性测度μxjk表示，受火后混凝土样本质量状况具有级别Ck的大小用综合属性测度μxk表示，受火后混凝土结构质量状况评价就是对有m个指标值的混凝土样本进行评价。对于单指标Ij的测量值tj，具有属性Ck的属性测度μxjk=μ(xij∈Ck)的确定方法是建立其属性测度函数，以表示Ij的测量值tj变化时，属性测度μxjk=μ(xij∈Ck)的变化情况。以表1的情形来建立属性测度函数。

表1　单指标等级划分

(1)

(2)

若dj=ajk0-bjk0，k0>1，则单指标属性测度函数μxjk(t)为：

(3)

(4)

1.2多指标综合属性测度分析

按下式计算综合属性测度μxk：

(5)

1.3属性识别分析

属性识别的目的是由综合属性测度μxk对x属于哪一个评价级别Ck做出判断，这需要给出一个判断准则。在属性综合评价中，评价集(C1，C2，…，Ck)通常是一个有序集，对有序评价类(C1，C2，…，Ck)要识别x属于哪一个评价级别Ck，可采用置信度准则。

置信度准则：在有序评价集(C1，C2，…，Ck)中，满足C1>C2>…>Ck，或C1

(6)

或

(7)

则认为x属于Ck0级别或Ck0类。

2在火灾后混凝土评价中的应用

2.1评价指标与分级标准

我国至今还没有相关的国家标准或规范可对各种结构和构件的火灾损伤程度加以区分和界定。近年来，多家研究机构和大批专家学者对钢筋混凝土结构火灾损伤的检测和评估进行了实验及研究，同时综合国内外有关资料，基本一致的观点是将火灾混凝土构件受损程度分为四个等级：轻度损伤(I级)、中度损伤(II级)、较严重损伤(III级)和严重损伤(IV级)。上海市建设委员会于1996年颁布了由上海市建筑科学研究院编制的地方性标准《火灾后混凝土构件评定标准》(DBJ08-219-96)[34]，规定从承载力、裂缝、变形等三方面对火灾后混凝土构件进行综合评定，并制定了相应的评定等级和标准。

本文在参考有关文献的基础上，选择抗压强度损伤系数、抗渗透性损伤系数、爆裂损伤系数以及裂纹损伤系数等4个因素作为火灾后混凝土的评判指标，并将其损伤程度分为4个等级：轻微损伤，中等损伤，较严重损伤和严重损伤。

火灾后混凝土结构损伤程度分级判据见表2[28,29,34]。

表2　火灾后混凝土损伤程度分级判据

根据属性数学理论，对受火后混凝土结构质量评价可以做如下描述：评价对象空间X={受火后混凝土结构的集合}，属性空间F={受火后混凝土质量即损伤程度等级}，把F分为4类，C1={I级}，C2={II级}，C3={III级}，C4={IV级}。C1={I级}表示轻度损伤，混凝土构件表面受火温度低于400℃，受火钢筋处混凝土温度低于100℃，构件表面颜色无明显变化，保护层基本完好，无露筋、表层混凝土鼓起现象。除装修层有轻微损坏，其它状态与未受火结构无明显差别。此类构件不需加固，只须修复处理，重新装修即可。C2={II级}，表示中度损伤，混凝土构件表面受火温度400℃～500℃，混凝土强度损失20%～30%，受力钢筋处混凝土温度低于300℃，混凝土颜色由灰色变为粉红色；使中等力锤击时，可打落钢筋保护层；混凝土表面有裂缝，纵向裂缝少，局部有爆裂，其深度不超过20 mm，露筋面积少于25%；钢筋与混凝土之间的粘结力损伤轻微。构件残余挠度不超过规范规定值。此类构件应将被灼烧松散的混凝土除掉，填补同强度等级混凝土，做成完好表面，保证钢筋不受锈蚀。然后验算剩余承载力，进行一般的补强加固。C3={III级}，表示较严重损伤，混凝土构件表面受火温度600℃～700℃，混凝土强度损失50%，受力钢筋处混凝土温度达350℃～400℃，保护层剥落，混凝土爆裂严重，深度可达30 mm，露筋面积低于40%。用锤击时声音发闷；混凝土裂缝多，纵横向裂缝均有，并有斜缝产生；钢筋和混凝土之间的粘结力局部严重破坏；混凝土表面颜色呈浅黄色；构件变形超出规范限值1～3倍；受压构件约有30%受压钢筋外凸。此类构件应根据剩余承载力计算结果，按等强原则进行重点补强加固。C4={IV级}，表示严重损伤，混凝土构件表面受火温度达700℃以上，混凝土强度损失60%以上，受力钢筋处混凝土温度达400℃～500℃；构件受到实质性破坏，混凝土保护层严重剥落，表面混凝土爆裂深度30 mm以上，构件混凝土纵、横向裂缝多且密；钢筋与混凝土粘结力破坏严重；受弯构件混凝土裂缝宽度可达1 mm～5 mm；受压区混凝土明显破坏，受压构件失去稳定。此类构件已无修复价值，应予拆除，更换新的构件。对每一个受火后混凝土样本，根据4个评价指标进行评价，这4个指标是：I1={抗压强度损伤系数}，I2={抗渗透性损伤系数}，I3={爆裂损伤系数}，I4={裂纹损伤系数}。

2.2属性测度函数

按照表2中的数据和公式(1)～(4)，构造单指标属性测度函数，见表3。

表3　单指标属性测度函数表

2.3评价实例

(1)实例一[28]

某样本的四个指标值分别为：抗压强度损伤系数67.3、抗渗透性损伤系数512、爆裂损伤系数8.66以及裂纹损伤系数0.42。

评价过程及步骤如下：

第1步计算单指标属性测度

根据样本数据，以及表2给出的单指标属性测度函数，计算单指标属性测度μijk。计算结果见表4。

第2步计算综合属性测度

第3步属性识别

取λ=0.5，根据公式⑹进行属性识别，得到该样本的评价等级为C3，即“较严重损伤”。该评价结果与实际情况以及物元模型评价结果[28]一致。

表4　属性测度计算结果

(2)实例二[29]

某样本的四个指标值分别为：抗压强度损伤系数80.17、抗渗透性损伤系数523.53、爆裂损伤系数7.66，裂纹损伤系数0.180。

根据实例一的评价步骤得到该样本的属性测度见表5。取λ=0.5，根据公式⑹进行属性识别，得到该样本的评价等级为C2，即“中等损伤”。文献[29]对该样本的评价结果为“介于轻微损伤与中等损伤之间”。

表5　属性测度计算结果

从上述两个实例来看，本文的模型是可行和可靠的。

3结语

(1)通过评价受火后混凝土样本的抗压强度、耐久性以及外观损伤等三个方面来评价混凝土结构受火后的损伤程度，并选择的4个参数，如抗压强度损伤系数、抗渗透性损伤系数、爆裂损伤系数以及裂纹损伤系数等作为综合评判指标，综合考虑了受火后混凝土结构的承载力、裂缝、变形等三方面的损伤程度，并综合考虑了这些指标在工程实践中的可操作性、广泛性和适用性。

(2)建立了受火后混凝土结构损伤程度评判的属性识别模型，并对2个工程实例进行了评判，结果表明评价结果是合理和可行的，评价结果符合工程实际情况。由于属性数学理论能很好地解决具有多个模糊属性问题的综合评价，且置信度准则是根据评价集具有有序性这一特点而提出的，因而可使评价结果更为可靠。此外，该方法理论严谨，计算过程简便，因而具有较好的实用性。

(3)火灾后混凝土结构损伤评价是一个非常复杂的课题，有很多的问题需要研究和解决，多种判别方法和途径的互补才能达到预期的目的。本文基于属性数学理论构建了火灾后混凝土结构损伤综合评判的流程和模型，为火灾后混凝土结构损伤综合评判提供了新的方法和途径。

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Attribute recognition of damage degree of fire-damaged concrete structure

WEN Changping

(School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004，China)

Abstract:The attribute recognition model based on attribute mathematical theory is proposed to classify the quality of fire-damaged concrete. According to the analysis of main causes of fire-damaged concrete quality classification, four parameters including strength damage coefficient, anti-penetrability damage coefficient, spalling damage coefficient, and crack damage coefficient are chosen as the criterion indices for evaluation of concrete strength after exposed to fire. Attribute measure functions are constructed to compute attribute measure of single index and synthetic attribute measure. The quality classification of fire-damaged concrete samples is recognized by the confidence criterion, and then attribute recognition model is developed for comprehensive assessment of the classification of fire-damaged concrete strength. Two actual example studies indicate that synthetic assessment results obtained by attribute measure analysis agree well with that obtained by fuzzy evaluation method and the extension method respectively. As attribute mathematical theory can successfully resolve certain issues with a number of fuzzy attributes in comprehensive evaluation, and its confidence criterion is established on the basis of the ordered evaluation sets, it will enable the evaluation results be more reliable.

Keywords:Fire-damaged concrete; Classification of damage degree; Attribute measure; Attribute recognition

收稿日期：2015-12-17；修改日期：2016-01-21

基金项目：湖南省重点学科建设项目资助(2013ZDXK006)，中南林业科技大学引进高层次人才科研启动基金项目(104-0094)。

作者简介：文畅平(1965-)，男，湖南邵阳人，博士，教授，高级工程师，从事土木工程的教学和科研工作。 通讯作者：文畅平，E-mail：wenchangping@163.com

文章编号：1004-5309(2016)-0040-07

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.06

中图分类号：TU528.01；X932

文献标识码：A