CN104992036A - 一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，包括基本数据库和评价数据库，它们基于GIS软件进行存储、数据处理和分析。所述基本数据库包括建筑物结构基本资料和建筑物检测数据信息，所述评价数据库包括评价参数和评价标准。基于上述系统对建筑物进行评价，首先运行评价数据库，提取存储于基本数据库的数据，对这些数据进行相关分析并作为评价参数；以构件、子单元、鉴定单元三个层次进行评价，上述评价结果结合构件可靠性评价从而得出最终评价结果。本发明将建筑物的检测数据存入数据库，通过编制计算机程序，可以快速、精准地得到对建筑物质量等级进行评价，从而极大地提高工作效率，并为建筑结构的健康维护和加固设计提供可靠的依据。

Description

一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统及方法。

背景技术

建筑结构随着服役时间的增长，结构受到自身不断老化、使用条件变化及环境侵蚀等因素的影响，建筑结构内部逐渐损伤，其力学性能也逐渐降低。在我国，70％以上的建筑结构的服役期限在20-30年(一般结构服役期限为50年)，大部分建筑结构存在不同程度的损伤，给使用者带来极大的安全隐患。因此，对这些建筑结构进行损伤评价，并根据损伤程度和损伤部位进而进行健康维护，十分必要。

目前，建筑结构损伤评价的行之有效办法是在现场进行检测和鉴定，然后依据现有的鉴定规范《民用建筑可靠性鉴定标准》对建筑物进行评价时，需要逐项进行评定。对于相对复杂的建筑物，由于数据量比较大，人工评定费时费力，效率低下，人为因素较多。虽然许多工程师追求效率在鉴定中引入了计算机，但只是通过使用软件进行计算并没有对结构进行理论分析。因此，引入结构可靠度时间函数，建立一套科学、快速、精准评价地建筑物损伤评价分析系统，为使用人员提供建筑评级、建筑耐久性及剩余寿命的评估。

发明内容

针对现有的对建筑结构损伤人工评定方式费时费力、效率低下的问题，本发明特提出一种基于GIS软件的数据存储、处理和分析功能的评价分析系统和方法，能够科学、快速、精准地对建筑物损伤进行评价分析。

一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，包括基本数据库和评价数据库；

所述基本数据库包括建筑物结构基本资料和建筑物检测数据信息，按照数据形式分为图形数据库和属性数据库；

建筑物结构基本资料包括：结构基本情况包括结构布置和结构形式；圈梁、支撑、或其他抗侧力系统布置；结构整体性；结构构件使用的材料；结构及其支承构造和连接构件构造；结构系部的尺寸；混凝土外部环境因素和其他相关几何参数；结构使用条件调查核实包括建筑物结构上的作用；周围环境和地下水情况；使用时间和荷载史；地基基础信息；地基的稳定性；变形和土层的分布情况。

建筑物检测数据信息包括：墙体裂缝开裂长度走向及宽度，倾斜测量，楼、屋面荷载，材料强度，砖的标号；依据现行《砌体结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》，对该建筑物的主要结构构件进行受压承载力、抗震承载力、高厚比和局部承压验算，检测收集到的数据通过人工输入并存储于基本数据库中的属性数据库中。

所述评价数据库包括评价参数和评价标准，评价数据库运行时，提取存储于基本数据库的数据，对检测构件的数据进行安全性和可靠性分析并作为评价参数；评价标准依照《民用建筑可靠性鉴定标准》，分为三个层次：构件，子单元，鉴定单元。

所述构件为第一层次，包括：⑴混凝土结构构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形、裂缝四个评定，分别评定每一受检构件等级，并取其中最低一级作为构件安全等级；⑵钢结构构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形三个评定，取其中最低一级作为结构安全性等级；⑶砌体构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形、裂缝四个评定，分别评定每一受检构件等级，并取其中最低一级作为构件安全等级。

所述子单元为第二层次，包括：地基基础、上部承重结构和围护系统的承重部分三个子单元；⑴地基基础安全性鉴定，包括地基、桩基、斜坡三个检查项目和基础、桩两个主要构件；地基、桩基、斜坡三个项目直接从第二层次评级，基础和桩根据第一层次单个构件的评定结果，参与第二层次的评定，上述5项中最低一级为基础单元等级；⑵上部承重结构安全性鉴定，根据构件的安全性、结构整体性等级，以及结构侧向位移等级进行评定，以主要构件和结构侧向位移等级最低一级作为上部承重结构的安全性等级；⑶围护系统的承重部分安全性鉴定，根据该系统专设的和参与该系统工作的各种等级，以及该部分结构整体性安全性等级进行评级；围护系统承重结构安全性等级按下列原则确定：①当仅有A_u级和B_u级时，按占多数级别确定；②当含有C_u级或D_u级时，按下列规定评级：当C_u级或D_u级属于主要构件时，按最低等级确定；当C_u级或D_u级属于一般构件时，按实际情况定为B_u级或C_u级；③围护系统承重部分安全等级，不得高于上部承重结构等级。

所述鉴定单元为第三层次，在子单元评级基础上进行，鉴定单元的安全等级按下列原则确定：①一般情况下，根据地基基础和上部承重结构的评定结果按其中较低等级确定；②当鉴定单元的安全性等级按上款评为A_su级或B_su级，但围护系统承重部分的等级C_u级或D_u级时，根据实际情况将鉴定单元所评等级降低一级或二级，但最后锁定的等级不得低于C_su级。

一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析方法，基于上述系统，步骤如下：

(1)建立基本数据库和评价数据库；

(2)建筑物构件可靠性评价；

(3)构件、子单元和鉴定单元的等级评定。

所述步骤(2)中对建筑物构件进行可靠性评价时，将可靠度定义为时间函数，构件达目标使用期时的终期可靠指标β(T)满足：式中：β_0.25为最低可靠指标，β_0.25＝0.85β_T；β_T为目标可靠指标，从现行规范查得；η为耐久性设计系数，其中S为现行规范中荷载设计值；R为现行规范中抗力设计值；S(T)为荷载在目标使用期内设计值；R(T)为抗力达到目标使用期时的取值；T为设计目标使用年限；如果β(T)满足上式，说明结构构件达到目标使用期时，构件结构质量满足预计的要求，设计方案的结构质量和使用寿命是安全、耐久的；反之，如果β(T)不满足上式，则说明结构构件不能安全、可靠地实现目标使用期。

本发明的系统由基本数据库和评价数据库组成，它们基于GIS软件进行存储、数据处理和分析。其中GIS软件管理数据存储与组织是一个数据集成的过程,也是建立GIS数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。删格模型、矢量模型或删格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方式。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据操作与分析的功能。混合型数据结构利用了矢量与删格数据结构的优点，为许多成功的GIS软件系统所采用。属性数据的组织有文件系统及采用层次结构、网络结构或关系结构的数据库管理系统等。

本发明的系统和方法对建筑物损伤情况进行科学的评价，在相关规范和基本理论基础上，借助于计算机的辅助，将建筑物的检测数据存入数据库，通过编制计算机程序，可以快速、精准地得到对建筑物质量等级进行评价，从而极大地提高工作效率，并为建筑结构的健康维护、加固设计、耐久性以及使用寿命评估提供可靠的依据。

附图说明

图1为本发明系统工作框架图；

图2为基本数据库信息图；

图3为评价数据库信息图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明，系统工作流程如图1所示。

1.建筑物检测基本程序与建筑物质量信息采集

(1)鉴定基本程序：①确定鉴定目的及范围；②初步调查，在现场进行实地勘察、调查；③确定检测鉴定内容，包括检测项目、检测鉴定目的和范围；④详细调查、检测，主要是围绕建筑物结构的强度、刚度及稳定性进行；⑤民用建筑可靠性鉴定评级层次、等级划分；⑥鉴定报告。

(2)建筑物质量信息采集：①地基基础调查与检查，包括地基土层情况、基础结构类型、地基混凝土强度；②上部结构构件检查，包括承重结构裂缝损伤检查和建筑物构造缝、非结构损伤检测；③其他检查，包括楼、屋面荷载调查、倾斜测量、其它构造缝与非承重构件损伤调查；④材料强度检测。

(3)采集信息由现场人员用智能手机通过网络云端将数据传入到计算机中。

(4)检测数据处理

①回弹法： $R_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{R}_i}{10}$

式中R_m—测区平均回弹值，精确至0.1；

R_i—第i个测点的回弹值。

当回弹仪测试位置非水平方向时，考虑不同测试角度，回弹值应按R_m＝R_ma+R_aα公式修正。

R_ma—非水平方向检测时测区的平均回弹值，精确到0.1；

R_aα—非水平方向检测时回弹值的修正值。

②钻芯法： $f_{cu}^c=\mathrm{\α}\frac{4F}{{\mathrm{\πd}}^2}$

—芯样试件混凝土强度换算值，MPa；

F—芯样抗压试验所得的最大压力，N；

d—芯样试件的平局直径，mm；

α—不同高径比的芯样试件强度修正系数。

③混凝土碳化深度：

d_m—测区平均混凝土碳化值；

d_i—第i测区碳化值；

n—混凝土构件测区数。

④浅裂缝深度：

d_c—裂缝深度，mm；

L—无缝评测换能器之间第i点的超声波实际传播距离，mm；

t_c—过缝平测时第i点的声时值；

t—无缝评测时第i点的声时值。

⑤倾斜度： $\begin{array}{ccc}i=\frac{e}{H}& e=\sqrt{e_x^2+e_y^2}& \mathrm{\θ}=arctan\frac{e_x}{e_y}\end{array}$

e—建筑物倾斜量；

e_x、e_y—为经纬仪投影法测量顶点相对于底点的水平位移分量；

i—倾斜度；

H—角部边缘线顶点、底点之间的垂直距离；

θ—倾斜方向角。

(5)检测的质量信息和处理后的数据存储到基本数据库。

2.基本数据库

基本数据库是由建筑结构基本资料和建筑物检测数据信息组成，按照数据形式分为图形数据库和属性数据库，如图2所示。

(1)建筑物结构基本资料包括：

建筑物结构基本资料包括：结构基本情况如结构布置和结构形式；圈梁、支撑、或其他抗侧力系统布置；结构整体性；结构构件使用的材料；结构及其支承构造和连接构件构造；结构系部尺寸；混凝土外部环境因素和其他相关几何参数；结构使用条件调查核实如建筑物结构上的作用；周围环境和地下水情况；使用时间和和荷载史；地基基础信息；地基的稳定性；变形和土层的分布情况。

(2)场地建筑检测数据信息包括：墙体裂缝开裂长度走向及宽度，倾斜测量，楼、屋面荷载，材料强度，砖的标号；依据现行《砌体结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》，对该建筑物的主要结构构件进行受压承载力、抗震承载力、高厚比和局部承压验算，检测收集到的数据通过人工输入并存储于基本数据库中的属性数据库中。

3.建筑物质量评价数据库

(1)评价数据库包含检测数据分析和评价标准，如图3所示。评价数据库的运行，将存储于基本数据库的检测数据提取，对检测构件的数据进行安全性和可靠性分析并作为评价参数，用评价标准对各个参数进行等级评定。评价标准依照《民用建筑可靠性鉴定标准》，将评价参数分为三个层次：构件，子单元，鉴定单元。

构件为第一层次，最基层。①混凝土结构构件安全性鉴定包括：承载能力、构造、不适与继续承载的位移(或变形)和裂缝四个评定，分别评定每一受检构件等级，并取其中最低一级作为构件安全等级；②钢结构构件安全性鉴定包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移(或变形)三个评定；取其中最低一级作为结构安全性等级；③砌体构件与混凝土构件评定方法基本相同。

混凝土构件承载力等级评定按公式计算，R和S分别为结构构件的抗力和作用效应，γ₀为结构重要性系数，如表1所示；构造等级评定标准如表2所示；不适与继续承载的位移(或变形)等级评定标准如表3所示；裂缝等级评定标准如表4所示。

表1混凝土构件承载力等级评定标准

构件等级	au	bu	cu	du
					主要构件	≥1.0	≥0.95且＜1	≥0.90且＜0.95	＜0.90
一般构件	≥1.0	≥0.90且＜1	≥0.85且＜0.90	＜0.85

表2混凝土构造等级评定标准

表3混凝土不适与继续承载的位移(或变形)等级评定标准(l₀为构件计算跨度)

表4混凝土裂缝等级评定标准

注：表中的剪切裂缝是斜拉裂缝，以集中荷载靠近支座处出现或深梁中出现的斜拉裂缝。

钢结构构件承载力等级按公式计算，R和S分别为结构构件的抗力和作用效应，γ₀为结构重要性系数，如表5；构造等级评定按表6；不适于继续承载的位移(或变形)按表7。

表5钢结构构件承载力等级评定标准

构件等级	au	bu	cu	du
					主要构件	≥1.0	≥0.95且＜1	≥0.90且＜0.95	＜0.90
一般构件	≥1.0	≥0.90且＜1	≥0.85且＜0.90	＜0.85

表6钢结构构造等级评定标准

表7钢结构不适与继续承载的位移(或变形)等级评定标准(l_s为网架短向计算跨度，l₀为构件计算跨度)

砌体结构构件承载力等级按公式计算，R和S分别为结构构件的抗力和作用效应，γ₀为结构重要性系数，如表8。构造等级评定按表9。

表8砌体结构构件承载力等级评定标准

构件等级	au	bu	cu	du
					主要构件	≥1.0	≥0.95且＜1	≥0.90且＜0.95	＜0.90
一般构件	≥1.0	≥0.90且＜1	≥0.85且＜0.90	＜0.85

表9砌体结构构造承载力等级评定标准

子单元为第二层次，子单元包括地基基础、上部承重结构和围护系统的承重部分等三个子单元。①地基基础安全性鉴定包括地基、桩基、斜坡三个检查项目和基础、桩两个主要构件。地基、桩基、斜坡等三个项目因无法细分，故直接从第二层次评级，基础和桩需根据第一层次单个构件的评定结果，参与第二层次的评定，上述5项中最低一级为基础单元等级；②上部承重结构子单元的安全性鉴定等级根据构件的安全性、结构整体性等级，以及结构侧向位移等级进行评定，一般按主要构件和结构侧向位移等级最低一级作为上部承重结构的安全性等级(表10-12)；

表10主要构件安全性等级的评定标准(m为鉴定单元层数)

表11结构整体等级的评定标准

表12各类结构不适于继续承载的侧向位移评定标准(H为结构顶点高度，H_i第i层层间高度)

③围护系统的承重部分子单元安全性等级根据该系统专设的和参与该系统工作的各种等级，以及该部分结构整体性安全性等级进行评级。围护系统承重结构安全性等级按下列原则确定：⑴当仅有A_u级和B_u级时，按占多数级别确定。⑵当含有C_u级或D_u级时，可按下列规定评级：1)若C_u级或D_u级属于主要构件时，按最低等级确定；2)若C_u级或D_u级属于一般构件时，可按实际情况，定为B_u级或C_u级。⑶围护系统承重部分安全等级，不得高于上部承重结构等级。

鉴定单元为第三层次，最高层。是在子单元评级基础上进行，也属于多因素综合评定。鉴定单元的安全等级，按下列原则确定：①一般情况下，应根据地基基础和上部承重结构的评定结果按其中较低等级确定。②当鉴定单元的安全性等级按上款评为A_su级或B_su级但围护系统承重部分的等级C_u级或D_u级时，可根据实际情况将鉴定单元所评等级降低一级或二级，但最后锁定的等级不得低于C_su级。

(2)建筑结构可靠性评价时，将可靠度定义为时间函数，用可靠度的方法对建筑物结构进行评价。耐久性设计系数式中:S为现行规范中荷载设计值；R为现行规范中抗力设计值；S(T)为荷载在目标使用期内设计值；R(T)为抗力达到目标使用期时的取值；T为设计目标使用期，可取50年。构件达目标使用期时的终期可靠指标β(T)表达式为：式中：β_t为要求设计的结构在服役t年应具有的可靠性指标，β_t最小值应大于规定的最低的可靠指标β_0.25，最大值不超过目标可靠指标β_T，即β_t应满足β_t＝[β_0.25,β_T]。经计算，β(T)满足：如果β(T)满足上式，说明结构构件达到目标使用期时，构件结构质量满足预计的要求，设计方案的结构质量和使用寿命是安全、耐久的；反之，如果β(T)不满足上式，则说明结构构件不能安全、可靠地实现目标使用期。

(3)综合评价，先用可靠性β(T)对构件进行评定、再用《民用建筑可靠性鉴定标准》对构件、子单元和鉴定单元进行评定等级。

Claims (5)

1.一种基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，其特征在于，包括基本数据库和评价数据库；

所述基本数据库包括建筑物结构基本资料和建筑物检测数据信息，按照数据形式分为图形数据库和属性数据库；

建筑物结构基本资料包括：结构基本情况包括结构布置和结构形式；圈梁、支撑、或其他抗侧力系统布置；结构整体性；结构构件使用的材料；结构及其支承构造和连接构件构造；结构系部的尺寸；混凝土外部环境因素和其他相关几何参数；结构使用条件调查核实包括建筑物结构上的作用；周围环境和地下水情况；使用时间和荷载史；地基基础信息；地基的稳定性；变形和土层的分布情况；

建筑物检测数据信息包括：墙体裂缝开裂长度走向及宽度，倾斜测量，楼、屋面荷载，材料强度，砖的标号；对该建筑物的主要结构构件进行受压承载力、抗震承载力、高厚比和局部承压验算，检测收集到的数据通过人工输入并存储于基本数据库中的属性数据库中；所述评价数据库包括评价参数和评价标准，评价数据库运行时，提取存储于基本数据库的数据，对检测构件的数据进行安全性和可靠性分析并作为评价参数；评价标准分为三个层次：构件，子单元，鉴定单元。

2.根据权利要求1所述的基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，其特征在于，所述构件为第一层次，包括：⑴混凝土结构构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形、裂缝四个评定，分别评定每一受检构件等级，并取其中最低一级作为构件安全等级；⑵钢结构构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形三个评定，取其中最低一级作为结构安全性等级；⑶砌体构件安全性鉴定，包括承载能力、构造、不适与继续承载的位移或变形、裂缝四个评定，分别评定每一受检构件等级，并取其中最低一级作为构件安全等级。

3.根据权利要求1所述的基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，其特征在于，所述子单元为第二层次，包括：地基基础、上部承重结构和围护系统的承重部分三个子单元；⑴地基基础安全性鉴定，包括地基、桩基、斜坡三个检查项目和基础、桩两个主要构件；地基、桩基、斜坡三个项目直接从第二层次评级，基础和桩根据第一层次单个构件的评定结果，参与第二层次的评定，上述5项中最低一级为基础单元等级；⑵上部承重结构安全性鉴定，根据构件的安全性、结构整体性等级，以及结构侧向位移等级进行评定，以主要构件和结构侧向位移等级最低一级作为上部承重结构的安全性等级；⑶围护系统的承重部分安全性鉴定，根据该系统专设的和参与该系统工作的各种等级，以及该部分结构整体性安全性等级进行评级；围护系统承重结构安全性等级按下列原则确定：①当仅有A_u级和B_u级时，按占多数级别确定；②当含有C_u级或D_u级时，按下列规定评级：当C_u级或D_u级属于主要构件时，按最低等级确定；当C_u级或D_u级属于一般构件时，按实际情况定为B_u级或C_u级；③围护系统承重部分安全等级，不得高于上部承重结构等级。

4.根据权利要求1所述的基于现场监测的建筑物损伤评价分析系统，其特征在于，所述鉴定单元为第三层次，在子单元评级基础上进行，鉴定单元的安全等级按下列原则确定：①一般情况下，根据地基基础和上部承重结构的评定结果按其中较低等级确定；②当鉴定单元的安全性等级按上款评为A_su级或B_su级，但围护系统承重部分的等级C_u级或D_u级时，根据实际情况将鉴定单元所评等级降低一级或二级，但最后锁定的等级不得低于C_su级。

5.一种基于权利要求1-4任一所述的现场监测的建筑物损伤评价分析方法，其特征在于，步骤如下：

（1）建立基本数据库和评价数据库；

（2）建筑物构件可靠性评价；

（3）构件、子单元和鉴定单元的等级评定；

所述步骤（2）中对建筑物构件进行可靠性评价时，将可靠度定义为时间函数，构件达目标使用期时的终期可靠指标β(T)满足：式中：β_0.25为最低可靠指标，β_0.25=0.85β_T；β_T为目标可靠指标，从现行规范查得；η为耐久性设计系数，其中S为现行规范中荷载设计值；R为现行规范中抗力设计值；S(T)为荷载在目标使用期内设计值；R(T)为抗力达到目标使用期时的取值；T为设计目标使用年限；如果β(T)满足上式，说明结构构件达到目标使用期时，构件结构质量满足预计的要求，设计方案的结构质量和使用寿命是安全、耐久的；反之，如果β(T)不满足上式，则说明结构构件不能安全、可靠地实现目标使用期。