CN113468627A - 一种新型混凝土结构建筑群安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，该方法用于分析单体建筑物对建筑群中其他单体建筑物的相似程度，通过特定指标，快速评估混凝土结构建筑群中其他建筑物的安全情况。特别针对建筑数量较多的混凝土结构建筑群，建筑群的建筑物数量越多，建筑物的外观特征和安全等级越多，通过本发明可快速根据相似原理实现评估建筑物的安全状况。

Description

一种新型混凝土结构建筑群安全评估方法

技术领域

本发明涉及建筑安全评估领域，特别涉及一种新型混凝土结构建筑群的安全评估方法。

背景技术

目前评估混凝土结构安全性的方法包括传统经验法、实用鉴定法和概率法。

(1)传统经验法

其特点是在不具备检测仪器设备的条件下，对建筑结构的材料强度及其损伤情况按目测调查或结合设计资料和建筑年代的普遍水平凭经验进行评估取值，然后按相关设计规范进行验算。主要从承载力、结构布置及构造措施等方面通过与设计规范的比较对建筑物的可靠性作出评定。

这种方法快速、简便、经济，适合于对构造简单的旧房的普查和定期检查。由于未采用现代测试手段，鉴定人员的主观随意性较大，鉴定质量由鉴定人员的专业素质和经验水平决定鉴定结论，容易出现争议。

(2)实用鉴定法

实用鉴定法的特点是运用现代检测技术手段对结构材料的强度、老化、裂缝、变形、锈蚀等通过实测确定。对于按新、旧规范设计的房屋均按现行规范进行验算校核，缺点是成本很高。

(3)概率法

将结构物的作用效应S和结构抗力R作为随机变量，运用概率论和数理统计原理，计算出R<S时的失效概率，用来描述结构安全性的方法。

(4)相似度法

相似度法是指以若干特定的相对指标为统一尺度，运用模糊综合评判原理，确定评价标准值，得出一个地区(或城市)在诸指标上与标准值的相似度，据此评判该地区(或城市)投资环境优劣的一种方法。

相似度法可用于震后快速评估的建筑群的易损性，评估出建筑群建筑物的震害情况，但对于未遭受震害的建筑群的安全性，尚未有利用相似度法评估未遭受震害的建筑物的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，对未遭受震害的混凝土结构建筑群进行安全评估，以快速对大量建筑物的安全性进行评估。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，包括：

对建筑群内建筑进行调查，确定多项已有建筑相似度指标；

通过层次分析法获得所述已有建筑相似度指标的对应权重；

确定未知建筑指标的多项归一化分值；

利用多项已有建筑相似度指标、其对应权重以及多项归一化分值，计算未知建筑的相似度S；

根据所述相似度S评价位置建筑的安全等级。

基于上述内容，本发明相对于现有技术，具备如下有益效果：

(1)本发明首次提出了基于几何和性能相似度的混凝土结构建筑群安全评估方法。

(2)本发明明显减小了现场检测人员数量过多和监测工作量过大的问题，节省人力和时间成本1倍以上，当建筑物越多时，效率越高，特别适用于建筑群的安全性评估。

(3)本发明提出相似度S大于95％时，认为未知建筑物与已知建筑物相似，明显提高了建筑群的安全性评估的准确性，可快速得到整个建筑群中各个建筑的相似程度以及安全评价等级，从而提高区域决策效率。

附图说明

图1为本发明所述新型混凝土结构建筑群安全评估方法的流程图；

图2为具体实施方式中北座及中座外形轮廓及相对位置的示意图；

图3为医院内A栋房屋外立面照片；

图4为医院内B栋房屋外立面照片；

图5为13#房屋外观照片；

图6为F#房屋照片。

具体实施方式

下面将结合附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

基于相似度法的混凝土结构建筑群安全评估方法，是指以已评估的建筑物外形和安全性指标为样本，运用模糊综合评判原理，对大量未评估的建筑进行安全性评价，从而得到未评估建筑在外形和安全性指标上与已评估建筑的相似程度，最终评估未知建筑的安全状况。

评估建筑物的相似程度采用皮尔森计算方法，相关系数计算方法如下。

设向量A(已知建筑)＝(A₁,A₂,…,A_n)，B(未知建筑)＝(B₁,B₂,…,B_n)，那么皮尔森相关系数为：

其中A_i，B_i为向量A和向量B的各分量，在本文中代表描述建筑物相似的各个参数指标和权重。A_i＝ω_i×a_i,B_i＝ω_i×b_i其中ω_i表示指标权重，a_i、b_i表示建筑A和建筑B的相似度评分。

和

分别A_i和B_i的均值。

层次分析法的基本思路是将所要分析的问题层次化；根据问题的性质和所要达成的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照这些因素的关联影响及其隶属关系，将因素按不同层次凝聚组合，形成一个多层次分析结构模型；最后，对问题进行优劣比较并排列。

将决策的目标、考虑的因素(决策准则)和决策对象按照他们之间的相互关系分为最高层、中间层和最低层，绘出层次结构图。

其中由最高层提出决策的目的、要解决的问题，最低层提出决策时的备选方案，中间层提出考虑的因素、决策的准则。

层次分析法中构造判断矩阵的方法是一致矩阵法，即不把所有因素放在一起比较，而是两两相互比较。

采用相对尺度，以尽可能减少性质不同因素相互比较的困难，以提高准确度。文本用C_ij表示构件i和构件j对结构的影响之比，按如表1所示标度方法形成判断矩阵C＝(C_ij)。

表1判断矩阵C_ij的标度含义

判断矩阵C的最大特征值对应的特征向量即为权重向量，计为W。

对应于判断矩阵最大特征根λ_max的特征向量，经归一化(使向量中各元素之和为1)后记为W(W＝(w₁，w₂，…，w_n)^T)。W的元素为同一层次元素对于上一层因素某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。

本发明提供了相似度法用于混凝土结构建筑群的改进方法。

相似度法运用模糊综合评判原理，确定建筑物外形指标和安全指标标准值，根据建筑群中的建筑物外形和安全指标与标准值的相似度进行分析，非常适用于大量混凝土结构建筑群的结构安全性评估。

混凝土结构建筑群的安全性评估的目的根据已有的建筑物外形指标和完全指标评估建筑群的安全状况。

基于已有混凝土结构建筑物的相似度指标的建筑群安全评估方法，如图1所示，步骤如下：

步骤101，对建筑群内建筑进行调查，确定x₁-x₁₀相似度指标。

具体地，5个建筑安全指标取值如下：

建筑年代x₁取值范围为0～100年；

建筑物性质x₂取住宅，宿舍，公寓，办公建筑，商业建筑，学校，工业建筑，农业建筑；

结构体系x₆取框架结构，框架-剪力墙结构，剪力墙结构，框架-核心筒结构，部分框支剪力墙结构；

整体侧移x₉根据监测数据取值范围为0mm～1000mm；

裂缝情况x₁₀取轻微裂缝，中度裂缝，严重裂缝。

具体地，5个建筑外形指标取值如下：

建筑高度x₃取值范围为3m～500m；

地下层数x₄取值范围为0层～6层；

地上层数x₅取值范围为1层～100层；

结构长度x₇取值范围为3m～300m；

结构宽度x₈取值范围为3m～300m。

步骤102，通过层次分析法获得所述已有建筑相似度指标的对应权重w₁-w₁₀。

具体地，5个建筑安全指标对混凝土结构安全性的影响程度，从高至低的顺序为裂缝情况，整体侧移，结构体系，建筑年代差和建筑物性质；5个建筑外形指标对混凝土外形相似性的影响程度，从高至低的顺序为建筑高度，结构长度，结构宽度，地上层数和地下层数。

表2外形相似各指标权重系数

表3安全相似各指标权重系数

10个建筑相似度指标权重w₁-w₁₀通过层次分析法得到，建筑相似度综合考虑建筑外形指标相似度和安全指标相似度，确定外形相似权重W₁取1/3，建筑安全相似权重W₂取2/3。最后得到10个建筑相似度基本指标的权重，如表4所示。

表4建筑相似度各个指标权重

步骤103，确定未知建筑指标b₁～b₁₀的多项归一化分值。

具体地，确定指标b₁～b₁₀多项归一化分值，当未知建筑物的指标与已有建筑物指标一致时，建筑分值可均填为1，未知建筑的指标通过调查发现与已知建筑指标一样时，分值取1，不一致时取0，部分一致时取0.25，0.5和0.75，详细见表5所示。

表5未知建筑指标归一化分值

上表中的年代差b₁等于未知建筑物的建筑年代减去已有建筑物的建筑年代；高度差b2＝(未知建筑物的高度减去已有建筑物的高度)/已有建筑物的高度；整体侧移差b9等于未知建筑物的整体侧移减去已有建筑物的整体侧移。

步骤104，利用多项已有建筑相似度指标、其对应权重以及多项归一化分值，计算未知建筑的相似度S，具体计算公式如下：

设向量A(已知建筑)＝(A₁,A₂,…,A₁₀)，B(未知建筑)＝(B₁,B₂,…,B₁₀)，

其中A_i，B_i为向量A和向量B的各分量，在本文中代表描述建筑物相似的各个参数指标和权重。A_i＝ω_i×a_i,B_i＝ω_i×b_i其中ω_i表示指标权重，根据表4取值，a_i、b_i表示已知建筑A和未知建筑B的相似度评分，a_i＝1.0，b_i根据表5 取值。

和

分别A_i和B_i的均值，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。

步骤105，根据所述相似度S评价位置建筑的安全等级。

当相似度S大于95％时，则未知建筑安全评价等级与已知建筑物的安全评价等级相同，当相似度S不大于95％时，则不进行评级。

实施例一

同样以本课题组对某同年代建筑位于某办公区的两栋曾进行可靠性鉴定建筑的钢筋混凝土结构房屋作为示例。北座建筑、中座由于部分上部承重结构承载力不满足要求，可靠性均评为Ⅲ级。

将北座房屋作为已知建筑，中座房屋作为未知建筑，根据表4进行相似度指标评分，评分结果如下表6所示。

表6建筑相似度计算案例1

从图2中可以看出，南座房屋和中座房屋外立面和建筑类型是比较相似的。通过相似度计算，发现两栋建筑的皮尔森相似度大于95％，可认为是相似建筑，具有相似的安全性，鉴定结果显示南座和中座房屋可靠性等级均为Ⅲ级，验证了相似度的结论。

采用相似度方法从已知建筑北座的可靠性等级，可得到未知建筑中座的可靠性等级，效率提高了50％，当建筑物越多时，效率越高，相似度法特别适用于建筑群的安全性评估。

实施例二

同样以本课题组对某建筑年代相近、结构形式相同的医院内两栋曾进行可靠性鉴定建筑的钢筋混凝土框架结构房屋作为示例。A栋由于上部承重结构承载力不满足要求，可靠性评为Ⅳ级；B栋结构部分承重构件不满足承载力要求，可靠性为Ⅲ级。

将A栋房屋作为已知建筑，B栋房屋作为未知建筑，根据表4进行相似度指标评分，评分结果如下表7所示。

表7建筑相似度计算案例2

参阅图3和图4，A栋房屋和B栋房屋虽然建筑年代类似，但建筑平面和高度均有较大差别。通过相似度计算，A栋和B栋建筑的皮尔森相似度小于95％，可认为两者不相似。可靠性鉴定结果显示A栋为Ⅳ级，B栋为Ⅲ级，说明了这两栋建筑结构安全性有较大差别，也验证了相似度的结论。

表8不同评估方法所需时间对比(d)

采用相似度方法从已知A栋房屋的可靠性等级，可得到未知B栋房屋的可靠性等级，效率提高了67％，当建筑物越多时，效率越高，相似度法特别适用于建筑群的安全性评估。

实施例三

同样以本课题组对某建筑年代相近、结构形式相同的某工业园内两栋曾进行可靠性鉴定建筑的钢筋混凝土框架结构房屋作为示例。13#建筑结构部分承重构件不满足承载力要求，可靠性为Ⅲ级。F#由于上部承重结构承载力不满足要求，可靠性评为Ⅳ级。

将13#房屋作为已知建筑，F#房屋作为未知建筑，根据表4进行相似度指标评分，评分结果如下表9所示。

表9建筑相似度计算案例3

从图5和图6中可以看出，13#房屋和F#房屋虽然建筑年代类似，但建筑平面和高度均有较大差别。通过相似度计算，13#和F#建筑的皮尔森相似度小于 95％，可认为两者不相似。可靠性鉴定结果显示13#为Ⅲ级，F#为Ⅳ级，说明了这两栋建筑结构安全性有较大差别，也验证了相似度的结论。

表10不同评估方法所需时间对比(d)

采用相似度方法从已知13#房屋的可靠性等级，可得到未知F#房屋的可靠性等级，效率提高了69％，当建筑物越多时，效率越高，相似度法特别适用于建筑群的安全性评估。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。

Claims (6)

1.一种新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于，包括：

步骤一，对建筑群内建筑进行调查，确定多项已有建筑相似度指标；

步骤二，通过层次分析法获得所述已有建筑相似度指标的对应权重；

步骤三，确定未知建筑指标的多项归一化分值；

步骤四，利用多项已有建筑相似度指标、其对应权重以及多项归一化分值，计算未知建筑的相似度S；

步骤五，根据所述相似度S评价位置建筑的安全等级。

2.根据权利要求1所述的新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于：所述步骤一中，建筑相似度指标包括建筑安全指标和建筑外形指标。

3.根据权利要求2所述的新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于：所述建筑安全指标包括建筑年代、建筑物性质、结构体系、整体侧移以及裂缝情况。

4.根据权利要求2所述的新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于：所述建筑外形指标包括建筑高度、地下层数、地上层数、结构长度以及结构宽度。

5.根据权利要求1-4任一所述的新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于，所述未知建筑的相似度S具体计算公式为：

设向量A(已知建筑)＝(A₁，A₂，…，A₁₀)，B(未知建筑)＝(B₁，B₂，…，B₁₀)，其中A_i，B_i为向量A和向量B的各分量，在本文中代表描述建筑物相似的各个参数指标和权重。A_i＝ω_i×a_i，B_i＝ω_i×b_i其中ω_i表示指标权重，根据表4取值，a_i、b_i表示已知建筑A和未知建筑B的相似度评分，a_i＝1.0，b_i根据表5取值。

和

分别A_i和B_i的均值，i＝1，2，3，…。

6.根据权利要求5所述的新型混凝土结构建筑群的安全评估方法，其特征在于：当相似度S大于95％时，则未知建筑安全评价等级与已知建筑物的安全评价等级相同，当相似度S不大于95％时，则不进行评级。

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