基于模糊数学的旧工业建筑结构安全评定.pdf

第4 1 卷第 1 期 2 0 1 4年 1 月 建筑技术开发 B u d ild in g T e ch n iq u e De v e lo p me n t Vo I 4l No 1 J a n 2 01 4 基 于模 糊数 学 的 1日工业 建 筑 结构 安全 评定 郭良李慧民苟玲玲 西安建筑科技大学土木工程学院 西安7 1 0 0 5 5 摘 要 目前 随着城市更新速度的加快 对旧工业建筑进行更新改造成为一种新的建筑利用形式 由于旧工业建筑 多在高荷载 恶略环境下使用 需要对其结构安全性进行鉴定和分析 运用控制图 将能够反映旧工业建筑安 全性能的数据进行统计 通过多级模糊综合评判法 最终得出能够客观反映I H I业建筑结构系统工作状态的 结论 关键词 旧工业建筑 模糊综合评判 隶属函数 控制图 安全 中图分类号 T U 3 1 1 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X 2 0 1 4 0 1 0 0 0 5 0 4 S TUDY oN THE S AFETY EVALUATI oN oF S TRUCTURE S YS TEM FoR oLD I NDUS TRAL BUI LDI NGS K e y w o r d s Cu r r e n t l y w it h t h e h ig h s p e e d o f u r b a n r e g e n e r a t io n t o r e f o r m o l d i n d u s t ri a l b u i ld in g s h a s b e co me a n e w f o r m o f b u i ld i n g u s e As o ld in d u s t r ia l b u il d i n g s we r e u s e d in h i g h l o a d a n d d i r t y e n v i r o n me n t i t i s n e ce s s a r y t o id e n t if y a n d a n a l y s is t h e i r s t r u ct u r a l s e cu ri t y T h e d a t a wh i ch co u ld r e fl e ct t h e p e r f o rm a n ce o f s t ruct u r e s a f e t y o f o ld i n d u s t r ia l b u i ld i n g s wa s a n al y s e d t h r o u g h co n t r o l ch a t Wi t h t h e me t h o d o f mu l t is t a g e f u z z y co mp r e h e n s i v e e v a l u a t io n i t w a s fi n a ll y co n clu d e d t h a t t h e me t h o d ca n r e fl e ct t h e s t a t u s o f t h e s t ruct u r a l s y s t e m o f t h e o ld in d u s t r ia l b u i ld in g s o b j e ct iv e l y o l d in d u s t r ia l b u il d i n g s f u z z y co mp r e h e n s i v e e v a lu a t i o n me mb e r s h i p f u n ct io n c o n t r o l ch a r t s a f e t y 工业建筑又称工业厂房 是人们将不同的建筑 材料进行组合 在满足安全性的条件下 形成能够进 行工业生产的各种房屋 随着我国进入 十二五 快 速发展轨道 城镇建设日新月异 大量工矿企业搬迁 或破产 留下大量 闲置 的工业厂房 旧工业建筑因 其空间开阔 建筑结构牢固 在很多城市兴起对旧工 业建筑进行 翻新改造的热潮 这些工业建筑大多建 造于上世纪 逐渐进入老龄化使用阶段 其部分构件 老化变形 连接松动 承载能力下降 在对这些旧工 业建筑改造之前 需充分了解旧工业建筑的结构安 全性 能 对既有工业建筑进行结构系统的安全性检 测和评定具有十分重要的意义 对建筑结构安全性 基金 项 目 国家 自然科学 基金一 旧工 业建筑 群 再生利用 系 统研 究 收 稿 日期 2 0 1 3 1 0 1 5 作者简介 郭良 1 9 8 9 一 男 山西临汾人 硕士研究生 主要研究方 向土木工程建造技术 评定的方法主要包括传统经验法 概率鉴定法 失效 数分析法 人工神经网络法等 这些方法的数学模 型的建立复杂 部分方法严重依靠人为判断 本文 提出利用模糊综合评判法以期建立一种新的结构安 全评定思路 1 模糊综合评判的基本理论和概念 1 1 因素集 模糊综合评判法是利用层次分析法的基本原 理 将评判对象按照使用功能的不同 将评判对象划 分为若干项 目层 再将这些项目层按照不同的评价 因素进行划分 称 为标准层 项 目层 和标准层统称 为因素集 记为 1 2 评价集 对某一事物进行评价时 人们按各评价因素满 足标准程度的不同 给出不同等级的评语 构成评价 集 记为y Y Y Y 5 第 1期 郭 良 等 基于模糊数学的旧 T Ik 建筑结构安全评定 第 4 1卷 1 3 隶属函数和 隶属度 在对评判对象进行评价时 往往由于人们主观 认识的模糊性 暨客观事物处于共维条件下的差异 在中介过渡时所呈现的亦此亦彼性 难以给出确定 的评价等级 此 时引入隶属函数 的概念 建立评价 集与隶属度的映射关系 设论域 上的一个模糊子集 A 分别赋给 A处 于共维 差异 的 中介 过渡段 的两个 极点 以 0与 1的 数 在0 到 l的数轴上构成一个 0 1 闭区间数的连 续统 对于任意 U 都在该连续统上指定了一个 数A 称为 对A的隶属度 映射A 一 0 1 I A 0 1 1 称为A的隶属函数 1 4 模糊分布 实数域 R上模糊集合的隶属函数称为模糊分 布 在许多实际问题中 常常可以确定隶属函数的 大致形状 这时可以选择适当的模糊分布 再根据实 际问题的特点 确定里面的参数 进而确定隶属函 数 2 旧工业建筑结构安全模糊综合评判的数学模型 2 1 评判体 系结构 目前 旧工业建筑结构系统的安全鉴定可通过 对其各种构件的承载能力 破损程度 变形等情况进 行详细的调查取样和检测 进行综合评定 按照模 糊综合评判理论 建立旧工业建筑结构系统安全指 标评定体系结构 1 个 目 标层 3 个项目层 每个项目 层下设若干标准层 见表 1 本文参照文献 2 对每个 标准层和项 目层给出 口 6 C d四个评语等级 表 1 旧工业建筑结构系统安全评定体系结构 目标层 u 项 目层 U 标准层 x 地基 承载力 地基 与基础 u 沉降速率 X 混凝土构件承载力 X 屋架或主梁变形值 旧工业建筑 X 屋盖或楼盖变形值 结构系统安 全评价体系 承重与维护系统 U X 混凝土结构裂缝宽度 X 砌体结构裂缝宽度 以 混凝土构件碳化深度 X 砌体墙 柱高厚比 X 柱间支撑受压腹杆变形值 支撑系统 U 屋盖支撑受压腹杆变形值 2 2 标 准层 数据 处理 旧工业建筑结构形式单一 在进行结构检测评 定时 可 以根据标准层的各评价 因素的特点 对 同类 构件的相同位置进行检狈 0 得到反映构件工作性能 6 的数据 这些数据具有 随机性和离散性的特点 本 文通过控制图这一项 目管理工具 将所得到的数据 进行统计 根据判稳准则和判异准则 判别数据是否 处 于可控状态 当处于稳定状态时则取所有数据 的 平均值作为代表值 当处于异常状态时 将所得数据 的最不利值作为代表值 具体参见文献 3 2 3 建立模糊分布 在旧工业建筑的模糊综合评判中 需要得到因 素集中各评价因素的评价集 如前所述 由于人们 认识事物的模糊性 在评价时 需要求解各评价因素 的实测代表值在评价集中的隶属度 结合相关研 究 本文给出在旧工业建筑安全性评定过程中使用 的梯形和半梯形模糊分布 其函数形式如下 A 0 一 0 b n 1 d d C 0 0 0 b b c c 0 最终得到各项 目层 的评价集 B 4 R 2 5二 级模 糊评 判 在得到各项 目层综合评判矩阵 B B B 后 关于旧工业建筑结构系统整体安全水平的二级综合 评价结果为 I 4 尺 I I B l C A B l 4 R l A l B 2 l l I l B I 式中 是影响影响旧工业建筑结构安全系统项 目 层的权重向量 4 A A 是标准层各因素的权重 向量 c 是旧工业建筑结构系统工作状态的最终评 价集 根据最大隶属度原则 可判定旧工业建筑结 构系统的安全状态 3 应用实例 某旧工业厂房位于陕西省西安市 建于2 0 世纪 8 0 年代 原用于钢铁冶炼 结构形式为单层钢筋混 凝 土排架结 构 柱下独立基础 宽度 2 1 4 m 长 6 6 2 m 高6 6 m 柱距6 m 一类工作环境 现因改造 需要 对其进行结构检测判定其安全度 3 1 一 级模糊 评 判 首先根据表 1 采集各评价因素的基础数据 运 用控制 图进行分析处理 现 以项 目层 承重与维 护系统 中的 混凝土结构承载力 为例进行说明 在每 一榀排架 柱 随机选 择 5条裂缝 测量其 宽 度 计算每榀排架5 条裂缝宽度的平均值及极差 绘 制控制图 根据控制图判稳准则和判异准则 该组 数据处于稳定状态 根据 混凝土结构设计规范 钢筋混凝土结构构件的最大危险裂缝宽度0 3 m m 以0 3 m m为最大值建立 混凝土结构裂缝宽度 的模糊分布 以其所有数据的平均值 作为代表值 求得其评价集 Y 4 f 0 0 0 7 7 O 2 3 表2 混凝土结构裂缝宽度测量值 单位 mm 测定值 测定值 序号 均值 极差 序号 均值 极差 1 X2 3 X4 X5 1 X2 X3 X5 1 0 1 2 O 1 8 0 0 4 O 0 9 O 1 0 0 1 0 6 0 I 4 7 O 1 7 O 2 3 0 1 4 0 1 4 O 2 7 O 1 9 O 0 1 0 2 0 1 8 O 21 O 0 9 0 2 7 0 1 8 O 1 8 6 O 1 8 8 O 2 1 O 2 4 031 0 1 7 O 2 3 0 2 3 2 0 1 4 3 O 1 8 0 1 4 O 1 5 0I2 3 O 1 9 0 1 7 8 0 0 9 9 O 22 O 1 3 0 1 4 0 2 2 0 1 4 0 1 7 0 0 O 9 4 O 1 3 0 1 4 O 2 2 O 2 5 0 o 7 0 1 7 2 0 1 8 1 0 O 1 8 0 2 8 0 1 5 0 2 2 O 1 3 0 1 9 2 0 1 5 5 O 3 1 0 0 9 0 2 4 0 3 2 O 2 6 0 2 0 2 O 2 3 1 1 O 1 3 O 1 8 O 1 3 0 I 8 0 0 4 0 1 3 2 0 1 4 6 O 2 4 O 0 9 0 1 4 O 1 7 0 1 1 O 1 5 0 O 1 5 1 2 0 21 O 1 2 O 1 1 0 2 4 0 1 7 0 1 7 0 O 1 3 0 1 7 3 同理 可以求得该项 目层其他评价因素的评价 集 构成该项目层的初始评判矩阵 由于评价 因素较多 本文利用专家 0 1 打分法 对每个评价因素赋予权重 得权重向量 A f 0 3 2 0 1 7 0 0 4 0 1 9 0 1 2 0 0 8 0 0 8 l 最后计算本项 目 层 的评价集 B R2 1 0 0 0 0 O 8 9 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 7 7 0 2 3 l 0 0 0 0 0 58 O 4 2 0 0 O 1 0 B 2 兄 2 0 4 4 0 0 0 2 3 7 7 0 2 7 8 6 0 0 1 8 4 3 2二级模 糊评 判 得 到 地基与基础 承重与维护系统 支撑 系统 三个项 目 层的评价集 B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B 0 4 4 0 0 0 2 3 7 7 0 2 7 8 6 0 0 1 8 4 B 0 0 1 3 1 0 0 1 3 5 0 6 2 3 1 0 3 5 0 3 利用0 1 专家评分法赋予 地基与基础 承重 与维护系统 支撑系统 三个项 目层权重向量 A 0 2 3 0 5 5 0 2 2 得到该厂房整体结构系统的安 全评价集 下转第1 2页 7 第 1期 刘继兵 组合楼板应 用探讨 第 4 1卷 层 采用垫块时施工质量难以保证 5 单向板设计 只能通过增加整体钢板厚度才能满足较大跨度楼板 施工 阶段受力 造成材料浪费 双向板施工不便 必 须牺 牲肋高 以下混凝 土及板厚 6 管线 敷设 施工 时 垂直与板肋敷设须放置在板肋上部 对于板厚较 小的楼板会影 响到上部钢筋施工空间 7 钢板有防 腐年限要求 镀锌层厚度要求高 但会增加材料成 本 在施工时需对端部做除锌处理 否则将影响栓 钉焊接质量 8 栓钉穿透钢板与梁焊接后 焊点周 边至少 8 mm内钢板及镀锌层将被高温破坏 并以点 带面使端部钢板被逐渐腐蚀 栓钉失去了固定压向 钢板的作用 将会影 响使用阶段压型钢板的锚 固及 与混凝土接触面发生滑移 从 而影 响到楼板的实 际 承载能力 9 由于考虑到其抗火及防腐方面的缺 陷 设计师在设计时一般都会考虑在板底加配抗火 钢筋 加上分布钢筋 支座负筋等 在施工现场还需 绑扎 5 0 7 0 左 右的现场钢筋 施工繁琐 所需人 工量较大 综合造价较高 目前 出现一种新型组合楼板一 钢筋桁架组合楼 板 此 种组合楼板是将楼板 中钢筋在工厂加工成钢 筋桁架 并将钢筋桁架与底模连接成一体的组合模 板 施工阶段 能够承受混凝土自重及施工荷载 使 用阶段 钢筋桁架与混凝土协同工作 承受使用荷 载 其特点为 1 受力模式合理 楼板整体性能优越 施工便捷 环保 工期有保证 2 板底平整 净高有保 证 楼 板双向刚度一致 抗震性 能好 3 钢筋 间距及 混凝土保护层厚度有保证 传统受力构造 钢板不参 与受力 无需防火及防腐涂料 即安全又经济 4 双 向板设计及施工简便 适用于大跨度楼板 钢板镀锌 层合理 栓钉焊接质量可靠 端部无需穿透焊 楼板 抗剪力增强 5 拥有特殊构造 可拆除底模 达到传 统现浇混凝土楼板观感效果 6 技术领先 可在钢筋 混凝 土项 目中应用 同类产 品在 国外应 用广泛 7 钢筋桁架楼承板可在坡屋 面中应用 发挥无需支 撑 无需绑扎受力钢筋 施工无难度的优势 组合楼板应对其施工及使用两个阶段分别按承 载能力极限状态和正常使用极 限状态进行设计 压 型钢板组合楼板使用阶段计算包括楼板的正截面承 载力计算 纵向受剪计算 斜截面抗剪和集中荷载下 抗 冲切验算 挠度验算 以及 自振频率验算 压 型钢 板组合楼板施工阶段计算包括承载力验算 和挠度计 算 钢筋桁架组合楼板使用阶段计算包括楼板的正 截面承载力计算 楼板下部钢筋应力控制验算 支座 裂缝控制验算 以及挠度验算 钢筋桁架组合楼板施 工阶段计算包括上下 弦杆强度验算 受压弦杆 和腹 杆稳定性验算以及桁架验算 综上所述 随着多高层钢结构的迅猛发展 对工 程工期提出了更高的要求 钢结构构件工厂产业化 生产大大缩短 了工程 工期 楼板 的施工方法 已是影 响工期的重要因素 压型钢板其板肋较高 使建筑 物净高减小 楼板下表面不平整 双向板设计及施工 困难 钢筋绑扎繁琐 钢筋间距及混凝土保护层厚度 不好控制 存在严重的耐火及防腐缺陷等问题 必须 解决 钢筋桁架楼承板除具有前两代钢楼