基于模糊綜合評判的耗能減震技術社會效益分析★

曲 徑 王海飆馬 濤

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.國網(wǎng)遼寧服務有限公司，遼寧 沈陽 110006)

·結構·抗震·

基于模糊綜合評判的耗能減震技術社會效益分析★

曲 徑1王海飆1*馬 濤2

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.國網(wǎng)遼寧服務有限公司，遼寧 沈陽 110006)

根據(jù)模糊綜合評判的數(shù)學理論，為項目中使用的結構耗能減震技術的社會效益評價建立數(shù)學模型，并通過市場調查以及判斷矩陣分析等方法采集和分析數(shù)據(jù)，同時探討了加入結構耗能減震技術后項目的優(yōu)越性，以供參考。

結構耗能減震技術，模糊綜合評判，社會效益

1 耗能減震技術簡介

結構耗能減震技術是近幾年國內外新發(fā)展的一種減震技術。在傳統(tǒng)抗震設計中往往要求建筑結構在大震時主體結構不發(fā)生倒塌，以保證生命安全。但并不能保證在中小地震中，房屋結構以及結構構件不發(fā)生破壞，從而導致嚴重的經(jīng)濟損失。往往傳統(tǒng)抗震設計的結構設計都是采用依據(jù)結構自身構件的強度、剛度以及延展性來確保結構的抗震性能，這樣做通常是以增加結構配筋和混凝土強度來加強結構的抗震性能。傳統(tǒng)的抗震設計往往會大幅度的增加造價，這種設計是以構件的極限承載能力為依據(jù)進行抗震的，因此，在地震發(fā)生后，會有大量的修復以及重建工作，費時，費力，費錢。

結構耗能減震技術是在建筑結構的某些關鍵部位(如柱間、連梁等)設置耗能減震裝置。通過增加結構的阻尼來控制主體結構在地震作用下的反應而達到結構減震的目的。但是目前為止結構耗能減震技術在我國實際工程應用中還比較少。

耗能減震技術主要是在建筑結構的特定部位加入被動減震裝置，在地震發(fā)生時，通過阻尼器等耗能減震裝置的破壞來消耗地震傳給結構的能量，從而保證建筑結構構件不發(fā)生破壞，進而保證結構不發(fā)生倒塌的危險。耗能裝置一般在中小地震中處于彈性工作狀態(tài)，將地震給結構的能量轉化為彈性勢能，通過其自身的剛度來保證結構不發(fā)生破壞。當?shù)卣鹫鸺壉容^大的時候，結構耗能減震裝置在結構中優(yōu)先于其他的結構部件進入塑性耗能狀態(tài)，從而消耗一部分地震輸入結構的能量，進而保證了結構的安全性。

但是這種新技術并沒有被廣泛的應用，我認為主要的原因在于，其經(jīng)濟性沒有被人們廣泛的認識到，本文將以四川以及唐山兩個抗震安全社區(qū)項目為例，對結構耗能減震技術的社會效益進行綜合性的分析和評價，社會效益是經(jīng)濟性評價的一個重要部分，因此對結構耗能減震技術進行社會效益評價是很有必要的，能夠有助于結構耗能減震技術的發(fā)展和應用[1，3-5]。

2 模糊綜合評判方法概述

2.1 模糊數(shù)學及模糊綜合評價方法介紹

模糊綜合評判方法是模糊數(shù)學方法的一種應用方式，模糊數(shù)學方法是1965年，美國控制論專家查德(L.A.zadeh)為了解決元素與集合之間的模糊關系而開創(chuàng)的模糊新領域[2]。它可以將一些不確定的因素用定量的方法表示出來，再使用模糊數(shù)學運算對數(shù)據(jù)進行模糊運算，得到相應的判斷矩陣，從而得到判斷對象的判斷等級和隸屬于各個等級的具體情況等信息。

2.2 隸屬度

2.2.1 隸屬度與隸屬度函數(shù)

隸屬度以及隸屬度函數(shù)是模糊數(shù)學的兩個基本概念。

若對論域U中任何一個元素x都有一個數(shù)A(x)∈(0，1)與之對應，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度。當x在U中變動時A(x)就是一個函數(shù)，稱為A的隸屬度函數(shù)。隸屬度A(x)越接近于1，表示x屬于A的程度越高，A(x)越接近于0，表示x屬于A的程度越低。

2.2.2 最大隸屬度原則

模糊綜合評價方法要遵循最大隸屬度原則。最大隸屬度原則是模糊綜合評判方法最基本的一個原則。

設Ai∈F(u)(i=1,2,3，…，n)，對U0∈U，若存在i0使：

A(i)(u0)=max[A(1)(u0),A(2)(u0),…,A(n)(u0)]

(1)

則認為相對的隸屬于Ai，這是最大隸屬的原則。

2.3 利用模糊綜合評判方法的步驟

利用模糊綜合評價方法進行綜合評價的步驟如下：

1)確定被評價對象的因素論域：

U={U1，U2，U3，…，Un}。

2)確定評語等級論域V：

V={V1，V2，V3，…，Vn}。

3)進行單因素評判，建立模糊關系矩陣R：

4)確定評判因素權向量A=(a1，a2，…，an)是U中各個因素對評價事物的隸屬關系，它取決于人們進行模糊綜合評判時的著眼點，即根據(jù)評判時各因素重要性分配權重。

5)選擇評價的合成算子，將A與R合成得到B=(b1，b2，…，bn)。

(2)

常用的模糊算子有5種，經(jīng)過比較研究M(·，⊕)以及M(·，+)，對各因素按權數(shù)大小，統(tǒng)籌兼顧，綜合考慮，比較合理。即：

M(·，⊕)：用實數(shù)乘法·代替﹡，用⊕代替◇。

bj=⊕∑airij=min[1，airij]

(3)

M(·，+)：用實數(shù)乘法·代替﹡，用+代替◇。

bj⊕∑airij

(4)

6)對模糊綜合評價結果B作分析處理[2]。

3 模糊綜合評價在結構耗能減震技術社會效益評價中的應用

3.1 結構耗能減震技術評價因子集及評價集

結構耗能減震技術目前在國內的幾個項目中被應用，這種技術被應用后，對社會經(jīng)濟性產(chǎn)生了影響，評價結構耗能減震技術的社會經(jīng)濟效益要首先確定耗能減震技術社會經(jīng)濟效益評價因素體系。本文建立的多層次的評價因子體系是基于目前結構耗能減震技術在項目中的狀況而選取的各級評級因子，其中選取的二級評價因子分別為經(jīng)濟效益，環(huán)境效益以及安全效益。通過對這三個因子的具體分析和評價得到了一級評價因子層。經(jīng)濟效益：經(jīng)濟效益的一級評價因子為：財務效益評價，對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展影響，對當?shù)胤康禺a(chǎn)行業(yè)的影響。環(huán)境效益：環(huán)境效益的一級評價因子為：震前環(huán)境規(guī)劃優(yōu)勢，震后環(huán)境優(yōu)勢。安全效益：安全效益的一級評價因子為：抗震知識的普及，居住安全性，地震中房屋的安全性。

建立評價因子是模糊數(shù)學應用的重要一步，本文為結構耗能減震技術社會效益評價建立的評價因子等級分為五個等級，分別為很好、好、中、較差、很差。

3.2 建立模糊評價矩陣

本文通過發(fā)放市場調查問卷的方式來確定各個評價因子在各個評語集的隸屬度，每個項目共發(fā)放1 200份調查問卷，問卷分為3部分：其中100份發(fā)放給項目參與者，如設計人員、施工人員、管理人員以及銷售人員，每份問卷各因子在各評語集得分為10分。500份問卷發(fā)放給本小區(qū)的住戶，每份問卷中各評價因子在各評語集的得分為1分。最后500份問卷發(fā)放給周邊居民或者當?shù)仄渌用?，每份問卷中各評價因子在各評語集的得分為1分。通過對技術人員，居民以及周圍群眾的調查以及數(shù)據(jù)的收集，能夠更加綜合，客觀的得出數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的片面性。每個評價等級分為很好、好、中、較差、很差五個等級，調查時分別選擇認為該評價因素對結構耗能減震技術社會效益評價的影響程度，然后利用式(5)計算每個評價因素在各個等級的比率。然后得出結構耗能減震技術社會效益模糊評價矩陣。

(5)

通過計算得到結構耗能減震技術社會效益評價指標的隸屬域，見表1。

表1 結構耗能減震技術社會效益評價指標得分表

由表1可以得到結構耗能減震技術社會效益評價的模糊關系矩陣：

3.3 確定評價因子的權重系數(shù)

確定判斷矩陣的權重是模糊綜合評價方法中重要的一步，本文將采用判斷矩陣分析法來確定評價因子的權重，專家通過對兩兩因子的比較和各因子對評價目標的影響程度來打分，最終得到相應的判斷矩陣為：

使用MATLAB求解四個判斷矩陣的最大特征值以及其相對應的特征向量并且歸一化。為確保數(shù)據(jù)的確定性，根據(jù)式(6)對數(shù)據(jù)進行一致性檢驗，通過一致性檢驗來檢驗判斷矩陣是否合格；對得到的矩陣B進行一致性檢驗，得到表2。

表2 結構耗能減震技術模糊綜合評判評價向量及一致性檢驗

由表2可知，四個矩陣均通過一致性檢驗。

3.4 模糊綜合評價計算

采用M(·，⊕)模糊算子進行計算并對結構耗能減震技術的社會效益評價體系進行計算。評價結果如表3所示。

3.5 結構耗能減震技術社會效益評價結果分析

從表3中的數(shù)據(jù)我們可以得到以下結論：從經(jīng)濟效益的角度來看，結構耗能減震技術應用在項目中，可以有效提高此項目在消費者心中的價值，在銷售過程中其銷售價格也比其他同水平的小區(qū)要高出很多，并且新型技術的應用從一定程度上推動了當?shù)胤康禺a(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，而且，耗能減震技術在四川以及唐山的這些項目中被應用，都為今后這種技術的研究提供了案例以及技術支持，對該技術的發(fā)展很有幫助。從數(shù)據(jù)上看，其評價結果為結構耗能減震技術的經(jīng)濟效益很好，與之前的預測相吻合。從環(huán)境的角度來看，四川和唐山的兩個項目都被定義為高檔住宅小區(qū)進行的設計和施工，因此在震前小區(qū)的規(guī)劃對附近環(huán)境起到很好的影響，而由于安裝了減震裝置，震后建筑物的倒塌機會也遠小于其他建筑物，所以震后對環(huán)境破壞概率較小，從數(shù)據(jù)上來看，其評價的結果也是很好。從安全效益方面來看，使用技術后，我們可以有效將建筑的抗震等級提高一個等級，保證了結構的安全性能以及居住安全性。在社區(qū)中設置安全島等安全設施，在地震發(fā)生時能夠為居民提供良好，安全的環(huán)境，在地震發(fā)生時，開發(fā)商也宣傳了大量的抗震安全知識，提高了人們的安全意識，從數(shù)據(jù)上看，在評語集中，很好的比重為54.64%，因此在安全性上的評價結論為很好?？偟膩碚f，結構耗能減震技術經(jīng)濟效益，環(huán)境效益，安全效益的評價結果都是很好，最終的評價結果評分權重很好的比重最高，最終評價結果也是很好。由此可知，結構耗能減震技術在經(jīng)濟，環(huán)境，安全等方面都有很好的影響，證明結構耗能減震技術經(jīng)濟性良好，此技術應該被更廣泛的應用。

表3 結構耗能減震技術模糊綜合評判評價結果

4 結語

模糊綜合評價方法應用在結構耗能減震技術的社會效益評價中，基本能夠達到客觀的評價結構耗能減震技術的社會效益評價的目的。結構耗能減震技術的經(jīng)濟性評價決定了這種技術的發(fā)展，高層建筑結構減震技術不僅在經(jīng)濟性上為開發(fā)商帶來利益以外，更有良好的社會效益，此技術的廣泛應用更是有助于高層建筑的發(fā)展。

[1] 柯振雄.鋼滯變阻尼器在高層剪力墻結構抗震中的應用研究[D].碩士論文，2010.

[2] 司守奎.數(shù)學模型算法與程序[D].青島：海軍航空工程學院，2007.

[3] 陳瑞海.隔震結構體系全壽命總費用評估模型研究[D].廣州：廣州大學，2011.

[4] 陳 崢.核簡懸掛結構隨機振動分析[D].北京:北京建筑工程學院,2004.

[5] 李 晨.高層建筑結構隔震減震技術研究[J].湖南科技學院學報,2009(9):120.

Socialbenefitsanalysisofseismicenergydissipationtechnologybasedonfuzzycomprehensiveevaluation★

QUJing1WANGHai-biao1*MATao2

(1.CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.StateGridLiaoningServiceCo.,Ltd,Shenyang110006,China)

According to mathematical theory of fuzzy comprehensive evaluation, establishes mathematical model of social benefit evaluation of structural-seismic energy dissipation technology, collect and analyzes data through market survey and judgment matrix, and finally explores the project advantages by applying structural-seismic energy dissipation technology, with a view to provide some guidance.

structural-seismic energy dissipation technology, fuzzy comprehensive evaluation, social benefits

1009-6825(2014)14-0019-04

2014-03-03★：中央高校基本科研業(yè)務專項資金(項目編號：DL12CB01)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(項目編號：12513034)

曲 徑(1990- )，女，在讀碩士； 王海飆(1973- )，男，博士，副教授； 馬 濤(1973- )，男，工程師

TU352.1

：A