基于AHP对砌体宿舍楼抗震加固改造方案的决策∗

2019-12-26杨新华徐良明陈金锋郭宴京

舰船电子工程 2019年12期

杨新华徐良明陈金锋崔阳郭宴京

（1.中国人民解放军陆军勤务学院重庆 401331）（2.军事科学院北京 100850）

1 引言

我军大部分既有砌体宿舍楼建成时间较早，墙体、预制板承载力较弱，抗震效果差，存在较大的安全隐患，如何发挥既有营房设施的功能，不搞大拆大建，将成为今后营房设施维护管理的重中之重［1］。但是各类宿舍楼抗震加固改造实际情况复杂不一，往往不能依据部队实际，综合考虑各方面因素影响，考虑经济因素多，考虑其他因素少，例如使用功能影响、改造期间影响等。利用层次分析法，构建层次结构模型，可有效解决多因素方案决策问题，最大限度择优选择抗震加固方案。

2 常用的砌体结构抗震加固方法分析

1）钢筋网水泥砂浆面层加固，是在面层增设钢筋网，再增设一定厚度的水泥砂浆层，能够较大幅度提高墙体平面抗弯强度、抗剪强度和延性，特别是抗裂性改善效果很明显。加固后，墙体受剪承载力、刚度能得到较大的提高［2］。该方法施工工艺简单，造价较低，是常用的抗震加固方案之一。

2）钢筋混凝土板墙加固，是在砌体一侧或两喷射凝土组合层，砌体可大幅度提高墙体的受压、受剪承载力，大幅度提高刚度和抗震性能，该方法具有成熟的设计和施工经验，是砌体结构常用的方法，但现场施工的湿作业时间长，对周边环境干扰、污染较大，对生产和生活具有一定的影响［3］，且加固后的建筑物面积有一定影响。

3）钢绞线-聚合物砂浆面层加固法，是将被加固的构件进行界面处理，然后将钢丝绳网片敷于被加固的收拉区域，再在其表面涂抹聚合物砂浆，聚合物砂浆有良好的渗透性、密实性、粘结强度高，可以保护钢丝绳网，并将其粘结在加固面上形成整体，与原构件协同工作，能有效地提高砖墙的极限承载力，改善墙体的延性和刚度退化，提高墙体的抗震性，聚合物砂浆收缩性小，基本不发生裂缝［3］。

4）粘贴纤维复合材加固。是纤维材料在加固结构中承担拉应力，改善构件的受力状态，提高受剪承载力，限制裂缝的产生和发展，提高抗裂性能。单向抗拉强度是钢筋的10倍左右，质量轻，弹性模量高，体积小［4］，对建筑物的外观和构件的外形影响较小，抗腐蚀性能好，施工简单。

3 层次分析法的步骤

3.1 建立层次结构模型

运用AHP进行分析时，在深入分析问题的实质后，找出影响因素及其相互关系。将所包含的因素分组，每一组作为一个层次，按照最高层、中间层、最底层的形式排列起来。其中最高层称目标层，是表示解决问题的目的；中间层一般为约束层、准则层等，表示采取某些措施来实现预定目标所涉及的中间环节；最底层称方案层，表示解决问题的措施或政策［5］。

3.2 构造判断矩阵

AHP进行分析判断的基础主要是人们对每一层次各因素的相对重要性判别，这些判别用数值来表示，写成矩阵形式，也称判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间的相对重要性。假定现在要比较n个因子X=｛x1，…，xn｝对某因素 Z的影响大小，用aij表示xi和xj对z的影响大小之比，全部比较结果用矩阵A=（aij）n×n表示［5］。关于aij的值，基于心理学研究，T.L.Satty等人建议引用数字1～9及其倒数作为标度，其含义如表1所列。

3.3 计算排序权向量

排序权向量是指某层次因素相对于上一层次因素的相对重要性（即权重）组成的向量。计算权向量最常用也是最实用的方法是方根法。其计算步骤如下［7］：

1）计算判断矩阵每一行元素的乘积 Mi，

2）计算Mi的n次方根

4）计算判断矩阵的最大特征根λmax，则表示向量（AW）的第i个元素。

表1 比较矩阵标度表［6］

3.4 一致性检验

表2 判断矩阵的平均随机一致性指标RI［8］

3.5 排序决策

计算各层因素对目标的合成权重，并进行排序。首先对每层因素都分别计算出对上一层某因素的权重向量，进行一致性检验，然后求出合成权重。合成权重的计算是自上而下，将单准则下的权重进行合成，并逐层进行一致性检验。合成的运算实际上就是一个乘法运算，将有支配关系的各个因素的权重连乘起来，便可得出最底层的各方案对决策目标的权重排序［9］。

4 层次分析法在既有砌体宿舍楼抗震加固改造中的运用

某宿舍楼位于青海省西宁市，建于1992年，三层砖混结构，建筑面积1960㎡，楼屋面为预制空心板，条型混凝土基础。建筑物外墙厚为370mm，采用烧结粘土实心砖及混合砂浆砌筑，砖砌体强度等级MU8.39，砌筑砂浆强度等级M4.2，混凝土强度等级C30。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011构件抗震承载力验算，发现该宿舍楼一层横向墙体抗震能力指数为0.905＜1，不满足抗震鉴定要求；依据《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB50292-1999）有关规定，依托青海大学高原土木工程试验检测中心对该建筑物进行安全性综合评估，评定为Csu级，安全性不符合《鉴定标准》对Asu级的要求，需要对宿舍楼进行抗震加固改造。

经专家分析可采用常见的4种方案加固，满足该宿舍楼抗震加固承载力需要，即：钢筋混凝土板墙加固、钢筋网状水泥砂浆面层加固、粘贴纤维复合材加固和钢绞线-聚合物砂浆面层加固4种方案。各种方法各有优点和缺点，采用层次分析法能客观、科学地找到综合效益最大的施工方案。

4.1 利用层次分析法构建模型［10］

最优的施工方案作为目标层；钢筋混凝土板墙加固、钢筋网状水泥砂浆面层加固、粘贴纤维复合材加固和钢绞线-聚合物砂浆面层加固4种方案作为最底层，即方案层；综合考虑各种因素影响，构建5个影响因素作为准则层，即：1）造价；2）工期；3）预期使用寿命；4）施工期间造成的影响；5）改造后使用功能影响。结构模型如图1所示。

图1 层次结构模型

4.2 构造两两判断矩阵

对目标层而言，准则层的各项重要性，其先后次序应综合考虑各限制条件、建设单位的要求来决定［10］。对于本工程而言，首先考虑的是造价和改造后使用功能影响，其次是施工期间造成的影响，再次是工期，最后是预期使用寿命。征求本领域的专家和有经验施工管理人员的意见，统计分析以上5个因素的重要性程度，比较评判结果通过引入合适的标度用数值表示出来，写成判断矩阵，根据此构造判断矩阵A-B，如表3所示。

表3 判断矩阵A-B

1）造价。参考青海地区预算定额，综合钢筋用量、砼、人工费计算，以每100m2单面60mm厚的钢筋混凝土板墙加固，平均单价为180元/m2；以每100m2单面45mm厚钢筋网状水泥砂浆面层加固，平均单价为240元/m2；以每100m2单面35mm厚钢绞线-聚合物砂浆面层加固，平均单价为200元/m2；粘贴纤维复合材加固300元/m2［11］。得到判断矩阵B1-C，如表4所示。

表4 判断矩阵B1-C

2）工期。参考以往施工经验，粘贴纤维复合材加固施工工期较短，施工后可立刻投入使用；钢筋混凝土板墙加固、钢筋网状水泥砂浆面层加固、钢绞线-聚合物砂浆面层加固需要养护过程，时间较长［12］，得到判断矩阵B2-C，如表5所示。

表5 判断矩阵B2-C

3）预期使用寿命。参考我国砌体结构加固设计规范，结合宿舍楼设计图纸，四种加固方案的加固预期能达到30年［13］，加固优势基本一致。得到判断矩阵B3-C，如表6所示。

表6 判断矩阵B3-C

4）改造期间影响。主要是施工期间对官兵生活住用中断的影响，营区环境影响、污染、噪音等。钢筋混凝土板墙加固施工现场湿作业时间长，对官兵生活和营区环境影响较大；钢筋网状水泥砂浆面层加固和钢绞线-聚合物砂浆面层加固有一定的影响；粘贴纤维复合材加固施工简单，基本无影响［14］。得到判断矩阵B4-C，如表7所示。

表7 判断矩阵B4-C

5）使用功能影响主要是指改造完成后，建筑物面积减少，外观发生变化。钢筋混凝土板墙加固厚度较大，使用面积减少，影响较大；钢筋网状水泥砂浆面层加固和钢绞线-聚合物砂浆面层加固厚度较小，外观变化不大，使用面积影响较小；粘贴纤维复合材加固材料体积小，对建筑物的外观和构件的外形影响较小［15］，得到判断矩阵B5-C，如表8所示。