吳志新,張偉林,沈小璞

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木學(xué)院,安徽合肥 230022)

運(yùn)用模糊綜合方法評(píng)價(jià)重要市政建筑抗震能力
——以合肥市為例

吳志新,張偉林,沈小璞

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木學(xué)院,安徽合肥 230022)

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的研究方法。文中將重要市政建筑主次關(guān)系,不同結(jié)構(gòu)類別、不同場(chǎng)地類別、不同設(shè)防烈度和建設(shè)年代等因素,引入模糊綜合評(píng)價(jià)模型當(dāng)中,并對(duì)合肥市重要市政建筑物抗震性能進(jìn)行分析。預(yù)測(cè)結(jié)果基本反映了合肥市重要市政建筑防御震害能力。

公共建筑; 生命線工程; 震害指數(shù); 模糊綜合評(píng)價(jià)

重要市政基礎(chǔ)設(shè)施是城市生命線工程,主要包括供電、交通、通訊、供水和供氣五個(gè)方面,在城市的防震減災(zāi)工作中發(fā)揮著重要作用。市政基礎(chǔ)設(shè)施的破壞將嚴(yán)重影響震后居民的正常生活,阻礙震后應(yīng)急救災(zāi)和恢復(fù)重建,還會(huì)造成一些次生災(zāi)害的發(fā)生,造成企業(yè)生產(chǎn)停工,商業(yè)中斷[5]。為了摸清合肥市重要市政基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力,筆者進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查,并對(duì)部分重要建筑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,將重要市政設(shè)施中的供電、交通、通信、供水和供氣這五個(gè)方面相互影響、相互制約、有主有次、有輕有重的關(guān)系系統(tǒng)考慮到數(shù)學(xué)模型當(dāng)中,進(jìn)行抗震能力綜合評(píng)價(jià),得出反映合肥市市政設(shè)施綜合抗震能力現(xiàn)狀的結(jié)論。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)的概念

按確定性標(biāo)準(zhǔn),對(duì)某個(gè)(類)對(duì)象中的某個(gè)因素(組分)進(jìn)行評(píng)價(jià),稱為單一評(píng)價(jià)。從眾多單一評(píng)價(jià)中獲得對(duì)某個(gè)(類)對(duì)象的整體評(píng)價(jià),稱為綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)是處理具有模糊性復(fù)雜系統(tǒng)的重要方法,其基本原理是應(yīng)用研究模糊變換實(shí)現(xiàn)模糊概念的論域轉(zhuǎn)換,綜合考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素,從而做出科學(xué)論斷[2]。模糊綜合評(píng)價(jià)方法步驟如下。

(1)建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集U。因素是對(duì)象的各種屬性或性能,稱為參數(shù)指標(biāo)或質(zhì)量指標(biāo),它們能綜合地反映出對(duì)象的質(zhì)量,因而可由這些因素來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)象。設(shè)選定 n個(gè)指標(biāo), ui表示第i個(gè)因素,則對(duì)象因素集可以表示為U={u1,u2,…,ui,…,un}。

(2)建立評(píng)語(yǔ)集 V。評(píng)語(yǔ)集是評(píng)價(jià)對(duì)象各種可能結(jié)果所組成的集合,在震害分析中評(píng)語(yǔ)集可以是震害程度的集合。設(shè)選定m個(gè)評(píng)語(yǔ),vj表示第j個(gè)評(píng)語(yǔ),則評(píng)語(yǔ)集可以表示為V ={v1,v2,…,vi,…,vn}。

(3)建立單因素評(píng)價(jià)模糊矩陣R。為了進(jìn)行綜合評(píng)判,先進(jìn)行單因素評(píng)判,即確定U到V的模糊映射:

由f可以導(dǎo)出模糊關(guān)系,得到模糊矩陣:

R稱為單因素評(píng)價(jià)模糊矩陣,于是{U V R}構(gòu)成了一個(gè)綜合評(píng)價(jià)模型。

若 1,則需要進(jìn)行歸一化。記歸一化后的評(píng)價(jià)模型為B′=(b′1,b′2,…,b′j,…,b′m),根據(jù)對(duì)象集元素含義對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)果做出綜合評(píng)價(jià)[1]。

2 合肥市市政建筑震害等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)

影響市政基礎(chǔ)設(shè)施抗震能力的因素很多,如建設(shè)年代、結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地類別、設(shè)防烈度、基礎(chǔ)形式、設(shè)施高度、截面形式、改造情況等,這些因素對(duì)抗震性能的影響各有不同。而且不同類型、不同用途的設(shè)施在城市防震減災(zāi)過(guò)程中有著不同的重要性[3]。在這次抗震調(diào)查中共問(wèn)卷調(diào)查合肥市市政建筑251幢,其中電力系統(tǒng)有 102幢、交通系統(tǒng)31幢、通信系統(tǒng) 23幢、供水和供氣系統(tǒng)共 95幢。下面就調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 建立震害等級(jí)評(píng)價(jià)因素集U

因素是對(duì)象的各種屬性或性能,能夠綜合地反映出對(duì)象的質(zhì)量,因而可由因素來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)象。就抗震評(píng)價(jià)指標(biāo)選取而言,設(shè)施自身的抗震能力起著重要作用。用途各異,重要性不同的建筑在抗震性能評(píng)價(jià)中應(yīng)各有輕重。這里選用供電、通訊、交通、供水(氣)4個(gè)指標(biāo),則因素集可以表示為:

2.2 建立震害等級(jí)的評(píng)語(yǔ)集V

評(píng)語(yǔ)集是評(píng)價(jià)對(duì)象各種可能結(jié)果所組成的集合。這里指各類建筑在地震中不同程度破壞等級(jí)。本文將破壞程度分 5個(gè)等級(jí),即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞。則評(píng)語(yǔ)集可表示為:

2.3 建立單因素評(píng)價(jià)模糊矩陣R

對(duì)市政設(shè)施的問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,對(duì)每個(gè)獨(dú)立的生命線工程進(jìn)行抗震性能預(yù)測(cè)。通過(guò)建筑物震害指數(shù)對(duì)破壞等級(jí)進(jìn)行量化表示,其數(shù)值介于 0和 1之間,數(shù)值越大表示震害越嚴(yán)重。5個(gè)破壞等級(jí)相應(yīng)的震害指數(shù)和上、下限值見(jiàn)表 1[7,8]。

建筑震害指數(shù) k的計(jì)算公式為影響震害指數(shù)的各參數(shù)的乘積:

式中:βd為設(shè)防烈度影響系數(shù);βn為建設(shè)年代修正系數(shù);βc為結(jié)構(gòu)類型修正系數(shù);βt為場(chǎng)地類型修正系數(shù)。震害指數(shù)的設(shè)防烈度修正、年代修正、結(jié)構(gòu)類型修正和場(chǎng)地類型修正各影響系數(shù)分別列在表2～表 5中。

合肥地區(qū)為七度設(shè)防區(qū),重要市政基礎(chǔ)設(shè)施及其建筑物需要提高一度抗震設(shè)防。根據(jù)震害指數(shù)計(jì)算方法及對(duì)照五個(gè)震害等級(jí)的量化區(qū)間得出合肥市重要市政基礎(chǔ)設(shè)施及其建筑物在基本烈度和提高一度設(shè)防的震害預(yù)測(cè)評(píng)語(yǔ)集 vj列在表 6、表 7中。

由表 6、表 7可寫出基本烈度和提高一度設(shè)防下震害預(yù)測(cè)模糊矩陣:

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4.1 基本烈度設(shè)防下的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(6),計(jì)算出基本烈度設(shè)防下的綜合評(píng)價(jià)模糊集:

可以看出,合肥市在發(fā)生基本設(shè)防烈度的地震時(shí),市政建筑震害情況如下:基本完好的占 37.9%,輕微破壞占54.2%,中等破壞 7.9%,未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞和毀壞建筑。

2.4.2 提高一度設(shè)防下的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(6),計(jì)算出提高一度設(shè)防下的綜合評(píng)價(jià)模糊集:

計(jì)算結(jié)果表明,在發(fā)生比設(shè)防烈度高一度的地震時(shí),合肥市市政建筑震害情況如下:輕微破壞占 14.15%,中等破壞77.87%,嚴(yán)重破壞 7.98%,未出現(xiàn)基本完好和毀壞建筑。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)上述分析結(jié)果,合肥市重要市政建筑在基本烈度設(shè)防下基本完好率和輕微破壞率占 92.1%,可見(jiàn)生命線工程仍能保特暢通,對(duì)震后的救護(hù)、重建不會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重影響。在提高一度設(shè)防輕微破壞和中等破壞率占 92.02%,少部分(7.98%)建筑及相關(guān)設(shè)施失去應(yīng)有的功能,這對(duì)救災(zāi)工作不利。

(2)單一因素分析不能反映整體的水平,考慮的因素越多預(yù)測(cè)結(jié)果就越能反映事實(shí)。但在分析過(guò)程中沒(méi)有對(duì)建筑物近距共存性列入。比如在供電系統(tǒng)當(dāng)中變電所供電的范圍,所在的位置,是主干線上的,還是非主干線上的等因素,這些都會(huì)不同程度的影響到震害預(yù)測(cè)的結(jié)果[6]。

(3)市政重要基礎(chǔ)設(shè)施及其建筑物布局要合理,采取有主到次統(tǒng)一協(xié)調(diào),分塊管理。在一些關(guān)鍵的位置上的市政建筑物要進(jìn)行抗震性能評(píng)估,抗震性能不合要求的要拆除重建或必要的加固。對(duì)地理位置不合理的要重新規(guī)劃建設(shè)。確保在提高 1度的設(shè)防下市政建筑設(shè)施仍不失其使用功能。

(4)各部門之間和部門內(nèi)部要網(wǎng)絡(luò)化,建立震害評(píng)估系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生命線工程各部門之間的現(xiàn)狀,給決策部門提供震害防御依據(jù)。

[1] 馮啟民.城市社區(qū)抗震能力模糊綜合評(píng)價(jià)模型[J].世界地震工程,2007,23(3):2-4

[2] 胡玉清.模糊理論基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003

[3] 湯愛(ài)平.生命線系統(tǒng)間的相互作用破壞與震害預(yù)測(cè)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001

[4] 張風(fēng)華,謝禮立.生命線系統(tǒng)對(duì)城市地震災(zāi)害損失評(píng)價(jià)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2003(11):100-103

[5] 張風(fēng)華.城市防震減災(zāi)能力評(píng)估研究[D].哈爾濱:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,2002

[6] 蘇幼坡,馬亞杰,劉瑞興.城市生命線地震震害相互影響[J].河北工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,5(2):57-58

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[8] 張風(fēng)華,謝禮立,范立礎(chǔ).城市建構(gòu)筑物地震損失預(yù)測(cè)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2004,24(3):12-20

TU311.2

B

2009-10-23

安徽省重要公共基礎(chǔ)設(shè)施和公共建筑抗震調(diào)查與對(duì)策研究(批準(zhǔn)號(hào)辦設(shè)函[2008]130號(hào))

吳志新(1976～),男,研究生,主要從事新型疊合結(jié)構(gòu)抗震性能研究;張偉林(1954～),男,教授;沈小璞,男,教授,一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師,主要從事抗震研究。