风荷载作用下装配式建筑外墙安全评判研究

2022-07-07魏晋晋赵明华胡秀俊

工程与建设 2022年3期

魏晋晋，赵明华，胡秀俊，魏华

(1.合肥职业技术学院建筑工程学院，安徽巢湖 238000 2.合肥职业技术学院，安徽巢湖 238000)

0 引言

装配式建筑的构配件需要在工厂进行生产，然后运送至施工现场进行装配，具备标准化程度高、建造速度快、节约劳动力等优点，并可以提高建筑质量。相比现浇式混凝土建筑施工周期长、作业量大的缺点，装配式混凝土建筑的工厂预制、现场拼装的施工模式更有利于实现建筑工业化、节能化。随着建筑业的转型升级，建筑工业化也是建筑行业发展的新方向[1]。当前，我国处在装配式混凝土建筑应用的高速发展时期，对装配式混凝土建筑的研究也越来越全面。但对装配式混凝土建筑的研究目前主要指向建筑构配件的施工安装和材料性能，对装配式混凝土结构外墙安全评价的研究还较为缺少。

装配式建筑结构中墙体构件起着围护作用，同时还承受并传递建筑的荷载[2]。风荷载是装配式建筑外墙主要承受的水平荷载之一，且大小随着装配式建筑物层数的增加而增加，结构的稳定性也随之受到影响。城市化发展是伴随着高层建筑的占比提高而提高的，未来在城市中，高层建筑占比将逐步增高，风荷载的作用也越来越不能忽略[3]。所以，研究装配式混凝土外墙板在风荷载作用下的受力性能，并进一步地进行相应的安全评判，从而保证其在风荷载作用下的可靠性，对其在工程结构上的应用具有实际意义[4]。

1 风荷载作用下装配式混凝土外墙的安全评判

1.1 评判因素集及评判框架

在风荷载作用下装配式混凝土外墙的安全评判研究中，安全评判问题和客观环境的复杂性使得评判的群体与个体呈现出不确定性。对于装配式混凝土建筑外墙而言，风荷载作用下其安全性的影响因素有很多种，如钢筋受拉、混凝土受压导致的形变、墙板的弯曲等都会导致墙体的失稳，形成安全隐患[5]。因此，将钢筋应变、混凝土应变和墙体挠度作为影响装配式混凝土外墙安全的重要因素。对风荷载作用下装配式混凝土建筑外墙安全的综合评判构建多级评判框架，一级评判因素为

u={u1u2u3}={钢筋应变混凝土应变挠度}

各测点的钢筋和混凝土在建筑主体中的位置不同，风荷载作用下其产生的应变也不同，以不同测点的钢筋和混凝土应变作为风荷载作用下装配式建筑外墙安全评价体系的二级评判因素，然后完成安全等级的多级评判。

1.2 评判等级的划分

根据装配式建筑实际情况，可将各因素的评判等级大致分为 4 个等级，即：

v={v1v2v3v4}=

{安全基本安全不安全极不安全}

对于钢筋，装配式混凝土建筑中常采用HRB400作为受力钢筋。根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[6](以下简称《规范》)，HRB400级钢筋抗拉强度的标准值为400 N/mm2，此时的应变量为0.002。基于规范要求，在评判中规定钢筋应变量不大于0.0001为安全，0.0001到0.001为基本安全，0.001到0.002为不安全，0.002以上为极不安全。可用下式表示：

对于混凝土，装配式混凝土建筑中常采用C30混凝土，根据《规范》，其抗压强度标准值为20.1 N/mm2，此时的应变量为0.00067。因此，规定混凝土应变量不大于0.0001为安全，0.0001到0.0003为基本安全，0.0003到0.0006为不安全，0.0006以上为极不安全。可用下式表示：

对于混凝土外墙的挠度，根据《规范》，受弯构件的挠度安全值为l0/200，其中l0指受弯构件的计算跨度。因此规定当挠度小于6 mm时为安全，挠度处于6～12 mm为基本安全，挠度处于12～18 mm为不安全，18 mm以上为极不安全，即：

1.3 评判矩阵的确定

评判矩阵是由各影响因素的隶属度组成的，隶属度的计算应根据风荷载作用下装配式混凝土外墙的影响因素，以及相应工程特性，选择合适的隶属函数。常见的隶属函数有岭形分布、矩形分布、正态分布以及三角形分布等[7]。对于风荷载作用下装配式混凝土外墙的影响因素：钢筋应变、混凝土应变和构件挠度，选取岭形分布函数做隶属度计算，公式如下：

对于j=1时：

对于j=4时：

式中：xi为评判因素i的检测值；rij(j=1, 2,3, 4)为评判因素i的检测值xi对于安全等级vj(j=1, 2,3, 4)的隶属度；评判集vj的临界值为aj,bj,cj,dj(j=1, 2, 3, 4)，aj,bj,cj,dj的具体取值为：

对于v1：

对于v2：

对于v3：

对于v4：

图1 岭形分布隶属度图

1.4 权值的确定

各评判因素权重的确定是进行模糊安全评判的必要过程，可在一定程度上影响最终评判结果。风荷载作用下装配式建筑外墙安全综合评判体系考虑了钢筋应变、混凝土应变、挠度三类不同类型的影响因素，且各个因素对结构的安全性影响大小不同，需要结合主客观判断对安全评判因素进行赋权[8]。基于上述考虑，采用序关系分析法[9](G1法)计算各评判因素权值。

1.4.1 确定序关系

假设某评判因素Xi相对某评判标准的重要性大于Xj，则记为Xi≫Xj。假设一个评判因素集{X1,X2, …,Xm}，则其序关系的建立过程为：从评判因素集里m个评判因素中选出一个最重要的因素，记为X1；再从剩下的m-1个评判因素中选出最重要的一个因素，记为X2……继续在剩下的m-(n-1)个评判因素中选出最重要的一个因素，记为Xn……将最后剩下的一个评判因素记为Xm。这样，就确定了m个评判因素的序关系为X1≫X2≫…≫Xm。

1.4.2 相邻评判因素之间的相对重要程度的确定

用rk=wk-1/wk(k=m,m-1,…,3,2)表示相邻评判因素Xk-1与Xk之间的重要程度关系，式中wk为第k个评判因素的权重，rk值取值越大说明Xk-1相对于Xk来说重要程度越高。然后，根据确定的各个评判因素之间序关系和评判因素间的权重比值，就可以计算出各评判因素的权值大小。其中，Xk-1与Xk的重要程度之比，其赋值可参考表1。