魏晉晉， 趙明華， 胡秀俊， 魏 華

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000 2.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 巢湖 238000)

0 引 言

裝配式建筑的構(gòu)配件需要在工廠進(jìn)行生產(chǎn)，然后運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，具備標(biāo)準(zhǔn)化程度高、建造速度快、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，并可以提高建筑質(zhì)量。相比現(xiàn)澆式混凝土建筑施工周期長(zhǎng)、作業(yè)量大的缺點(diǎn)，裝配式混凝土建筑的工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工模式更有利于實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化、節(jié)能化。隨著建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，建筑工業(yè)化也是建筑行業(yè)發(fā)展的新方向[1]。當(dāng)前，我國(guó)處在裝配式混凝土建筑應(yīng)用的高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)裝配式混凝土建筑的研究也越來(lái)越全面。但對(duì)裝配式混凝土建筑的研究目前主要指向建筑構(gòu)配件的施工安裝和材料性能，對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)外墻安全評(píng)價(jià)的研究還較為缺少。

裝配式建筑結(jié)構(gòu)中墻體構(gòu)件起著圍護(hù)作用，同時(shí)還承受并傳遞建筑的荷載[2]。風(fēng)荷載是裝配式建筑外墻主要承受的水平荷載之一，且大小隨著裝配式建筑物層數(shù)的增加而增加，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也隨之受到影響。城市化發(fā)展是伴隨著高層建筑的占比提高而提高的，未來(lái)在城市中，高層建筑占比將逐步增高，風(fēng)荷載的作用也越來(lái)越不能忽略[3]。所以，研究裝配式混凝土外墻板在風(fēng)荷載作用下的受力性能，并進(jìn)一步地進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)判，從而保證其在風(fēng)荷載作用下的可靠性，對(duì)其在工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用具有實(shí)際意義[4]。

1 風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻的安全評(píng)判

1.1 評(píng)判因素集及評(píng)判框架

在風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻的安全評(píng)判研究中，安全評(píng)判問(wèn)題和客觀環(huán)境的復(fù)雜性使得評(píng)判的群體與個(gè)體呈現(xiàn)出不確定性。對(duì)于裝配式混凝土建筑外墻而言，風(fēng)荷載作用下其安全性的影響因素有很多種，如鋼筋受拉、混凝土受壓導(dǎo)致的形變、墻板的彎曲等都會(huì)導(dǎo)致墻體的失穩(wěn)，形成安全隱患[5]。因此，將鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和墻體撓度作為影響裝配式混凝土外墻安全的重要因素。對(duì)風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土建筑外墻安全的綜合評(píng)判構(gòu)建多級(jí)評(píng)判框架，一級(jí)評(píng)判因素為

u={u1u2u3}={鋼筋應(yīng)變 混凝土應(yīng)變 撓度}

各測(cè)點(diǎn)的鋼筋和混凝土在建筑主體中的位置不同，風(fēng)荷載作用下其產(chǎn)生的應(yīng)變也不同，以不同測(cè)點(diǎn)的鋼筋和混凝土應(yīng)變作為風(fēng)荷載作用下裝配式建筑外墻安全評(píng)價(jià)體系的二級(jí)評(píng)判因素，然后完成安全等級(jí)的多級(jí)評(píng)判。

1.2 評(píng)判等級(jí)的劃分

根據(jù)裝配式建筑實(shí)際情況，可將各因素的評(píng)判等級(jí)大致分為 4 個(gè)等級(jí)，即：

v={v1v2v3v4}=

{安全 基本安全 不安全 極不安全}

對(duì)于鋼筋，裝配式混凝土建筑中常采用HRB400作為受力鋼筋。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)，HRB400級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為400 N/mm2，此時(shí)的應(yīng)變量為0.002。基于規(guī)范要求，在評(píng)判中規(guī)定鋼筋應(yīng)變量不大于0.0001為安全，0.0001到0.001為基本安全，0.001到0.002為不安全，0.002以上為極不安全。可用下式表示：

對(duì)于混凝土，裝配式混凝土建筑中常采用C30混凝土，根據(jù)《規(guī)范》，其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 N/mm2，此時(shí)的應(yīng)變量為0.00067。因此，規(guī)定混凝土應(yīng)變量不大于0.0001為安全，0.0001到0.0003為基本安全，0.0003到0.0006為不安全，0.0006以上為極不安全。可用下式表示：

對(duì)于混凝土外墻的撓度，根據(jù)《規(guī)范》，受彎構(gòu)件的撓度安全值為l0/200，其中l(wèi)0指受彎構(gòu)件的計(jì)算跨度。因此規(guī)定當(dāng)撓度小于6 mm時(shí)為安全，撓度處于6～12 mm為基本安全，撓度處于12～18 mm為不安全，18 mm以上為極不安全，即：

1.3 評(píng)判矩陣的確定

評(píng)判矩陣是由各影響因素的隸屬度組成的，隸屬度的計(jì)算應(yīng)根據(jù)風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻的影響因素，以及相應(yīng)工程特性，選擇合適的隸屬函數(shù)。常見(jiàn)的隸屬函數(shù)有嶺形分布、矩形分布、正態(tài)分布以及三角形分布等[7]。對(duì)于風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻的影響因素：鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和構(gòu)件撓度，選取嶺形分布函數(shù)做隸屬度計(jì)算，公式如下：

對(duì)于j=1時(shí)：

對(duì)于j=4時(shí)：

式中：xi為評(píng)判因素i的檢測(cè)值；rij(j=1, 2,3, 4)為評(píng)判因素i的檢測(cè)值xi對(duì)于安全等級(jí)vj(j=1, 2,3, 4)的隸屬度；評(píng)判集vj的臨界值為aj,bj,cj,dj(j=1, 2, 3, 4)，aj,bj,cj,dj的具體取值為：

對(duì)于v1：

對(duì)于v2：

對(duì)于v3：

對(duì)于v4：

圖1 嶺形分布隸屬度圖

1.4 權(quán)值的確定

各評(píng)判因素權(quán)重的確定是進(jìn)行模糊安全評(píng)判的必要過(guò)程，可在一定程度上影響最終評(píng)判結(jié)果。風(fēng)荷載作用下裝配式建筑外墻安全綜合評(píng)判體系考慮了鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變、撓度三類(lèi)不同類(lèi)型的影響因素，且各個(gè)因素對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響大小不同，需要結(jié)合主客觀判斷對(duì)安全評(píng)判因素進(jìn)行賦權(quán)[8]?；谏鲜隹紤]，采用序關(guān)系分析法[9](G1法)計(jì)算各評(píng)判因素權(quán)值。

1.4.1 確定序關(guān)系

假設(shè)某評(píng)判因素Xi相對(duì)某評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的重要性大于Xj，則記為Xi?Xj。假設(shè)一個(gè)評(píng)判因素集{X1,X2, …,Xm}，則其序關(guān)系的建立過(guò)程為：從評(píng)判因素集里m個(gè)評(píng)判因素中選出一個(gè)最重要的因素，記為X1；再?gòu)氖Ｏ碌膍-1個(gè)評(píng)判因素中選出最重要的一個(gè)因素，記為X2……繼續(xù)在剩下的m-(n-1)個(gè)評(píng)判因素中選出最重要的一個(gè)因素，記為Xn……將最后剩下的一個(gè)評(píng)判因素記為Xm。這樣，就確定了m個(gè)評(píng)判因素的序關(guān)系為X1?X2?…?Xm。

1.4.2 相鄰評(píng)判因素之間的相對(duì)重要程度的確定

用rk=wk-1/wk(k=m,m-1,…,3,2)表示相鄰評(píng)判因素Xk-1與Xk之間的重要程度關(guān)系，式中wk為第k個(gè)評(píng)判因素的權(quán)重，rk值取值越大說(shuō)明Xk-1相對(duì)于Xk來(lái)說(shuō)重要程度越高。然后，根據(jù)確定的各個(gè)評(píng)判因素之間序關(guān)系和評(píng)判因素間的權(quán)重比值，就可以計(jì)算出各評(píng)判因素的權(quán)值大小。其中，Xk-1與Xk的重要程度之比，其賦值可參考表1。

表1 比例標(biāo)度及含義

1.4.3 計(jì)算權(quán)系數(shù)wk

權(quán)系數(shù)wk的計(jì)算公式如下：

由wk得出其他指標(biāo)的權(quán)重：

wk-1=rkwk,k=m,m-1,m-2, …, 3, 2

1.5 綜合評(píng)判

首先，對(duì)風(fēng)荷載作用下外墻安全評(píng)判二級(jí)評(píng)判因素：鋼筋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變和混凝土各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。然后再將外墻安全評(píng)判的一級(jí)評(píng)判因素：鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變、撓度的評(píng)判向量組合成一個(gè)評(píng)判矩陣，確定各因素的隸屬度和權(quán)值進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，根據(jù)評(píng)判結(jié)果得出墻體的安全狀態(tài)。

2 安全評(píng)判應(yīng)用研究

以混凝土預(yù)制構(gòu)件作為試驗(yàn)材料，施壓模擬風(fēng)荷載的作用，測(cè)量構(gòu)件產(chǎn)生的形變數(shù)據(jù)，并進(jìn)行風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻的安全性綜合評(píng)判。其鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和撓度大小與所施加的荷載關(guān)系見(jiàn)表2。

表 2 混凝土預(yù)制構(gòu)件風(fēng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 建立風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土建筑外墻評(píng)判體系框架

根據(jù)風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土建筑外墻安全性的影響因素和試驗(yàn)情況，建立風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土建筑外墻安全評(píng)判體系，其中鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變均采集三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),如圖 2所示。

圖2 風(fēng)荷載作用下裝配式混凝土外墻安全評(píng)判體系

2.2 評(píng)判矩陣和權(quán)值矩陣的確定

評(píng)判等級(jí)采用2.2節(jié)所述方法將劃分為安全、基本安全、不安全、極不安全四級(jí)。鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變及撓度的隸屬度根據(jù)2.3節(jié)所列方法進(jìn)行計(jì)算，并作歸一化處理，得到矩陣：r1、r2、r3。

從鋼筋及混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)點(diǎn)位置不同，測(cè)出的應(yīng)變數(shù)據(jù)有較大差別，根據(jù)表1得到鋼筋各測(cè)點(diǎn)權(quán)重向量為W1，混凝土各測(cè)點(diǎn)權(quán)重向量為W2。

W1=[0.36 0.28 0.36]

W2=[0.28 0.36 0.36]

考慮到鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和撓度均會(huì)對(duì)外墻安全性造成較大影響，且撓度變化較為直觀，因此確定鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和撓度權(quán)重向量為：

W=[0.28 0.31 0.41]

2.3 綜合評(píng)判

對(duì)不同荷載下，裝配式混凝土外墻的模糊綜合評(píng)判結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同荷載作用下的安全評(píng)判結(jié)果

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)看，可以看出當(dāng)荷載施加到2.49 kPa時(shí)，墻板已經(jīng)處于不安全狀態(tài)了；隨著荷載的增加，外墻的安全性繼續(xù)降低，當(dāng)荷載提升至7.63 kPa時(shí)墻板發(fā)生徹底破壞。

3 結(jié) 論

(1)以風(fēng)荷載作用下裝配式建筑外墻資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建了安全評(píng)判體系，確定了風(fēng)荷載作用下裝配式建筑外墻安全評(píng)判因素的指標(biāo)集并劃分了評(píng)判等級(jí)。

(2)運(yùn)用模糊評(píng)判理論，形成了鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變及撓度的隸屬度計(jì)算方式。結(jié)合試件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，合理分配各影響因素的權(quán)重比值，進(jìn)行安全評(píng)判。

(3)通過(guò)模糊合成計(jì)算對(duì)外墻安全狀態(tài)進(jìn)行量化分析，得到風(fēng)荷載作用下裝配式建筑外墻安全評(píng)判結(jié)果，該安全評(píng)判模型輸出結(jié)果對(duì)實(shí)際情況具有一定的借鑒意義。