既有建筑砌體抗壓強度的貝葉斯推斷

倪玉雙，蔣耀華，楊春俠

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410114； 2.中機國際工程設(shè)計研究院有限責任公司，長沙 410007)

“可持續(xù)發(fā)展”越來越成為各類工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的主題，根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)，《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2018)修訂中增加了“使結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展的要求”。對于建筑結(jié)構(gòu)而言，可持續(xù)發(fā)展在社會方面的內(nèi)容就是要保證使用者的健康和舒適，保護建筑工程的文化價值[1]。

砌體結(jié)構(gòu)是一種重要的建筑結(jié)構(gòu)形式，在中國有大量的既有砌體結(jié)構(gòu)，包括大量的砌體古建筑，古建筑作為凝固的藝術(shù)，承載著大量而豐富的歷史信息，保護這些既有砌體結(jié)構(gòu)具有重要的意義。而這些既有砌體結(jié)構(gòu)在不同程度上需要定期的維修和加固，維修加固通常需要通過調(diào)查檢測、結(jié)構(gòu)試驗獲得相關(guān)強度數(shù)據(jù)來進行分析，砌體的抗壓強度就是一個非常重要的強度指標。對于既有建筑砌體的抗壓強度，目前主要有兩種方法進行檢測：直接法和間接法。直接法是在現(xiàn)場直接檢測砌體的抗壓強度，原位軸壓法屬于直接法；間接法是通過檢測砌筑塊材和砂漿的強度來計算砌體的強度[2]。由于樣本離散性、量測誤差等不確定因素的影響，這兩種方法推定的強度值在某些情況下存在差異。同時，對于既有砌體結(jié)構(gòu)而言，不管是哪種方法，都受到現(xiàn)場條件的限制，可獲得的砌體抗壓強度實測樣本有限，特別是對于具有歷史保護價值的砌體結(jié)構(gòu)，一磚一瓦都彌足珍貴，應(yīng)該盡可能地利用已有信息，對強度進行合理推斷。

貝葉斯方法正是一種可以充分利用各種信息的有效方法，利用貝葉斯理論可賦予先驗信息和似然函數(shù)中的樣本信息合理的權(quán)重，使得推斷結(jié)果更為全面合理。更為重要的是基于貝葉斯理論的強度推斷結(jié)果具有可持續(xù)性，已有的后驗分布可以作為下一次強度推斷的先驗信息，作為下一次進行貝葉斯推斷的基礎(chǔ)和出發(fā)點，對于需要保護的砌體古建筑而言，可實現(xiàn)動態(tài)的長期觀測，具有非常重要的工程價值和社會意義。目前，貝葉斯統(tǒng)計理論在英美等西方發(fā)達國家已經(jīng)稱為當前兩大統(tǒng)計學(xué)派之一，并在實踐中獲得了廣泛應(yīng)用。近年來，貝葉斯理論也被學(xué)者們應(yīng)用到巖土工程[3-5]和結(jié)構(gòu)工程[6-10]等領(lǐng)域進行相關(guān)參數(shù)的不確定性分析，但在砌體結(jié)構(gòu)中進行強度推斷方面的研究不多，彭斌，汪瀾涯[11-12]等基于貝葉斯方法對砌體抗壓強度進行過推定，但是實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。筆者用簡單可行且力學(xué)概念清晰的方法實現(xiàn)既有建筑砌體抗壓強度的貝葉斯推斷。

1 貝葉斯定理

貝葉斯學(xué)派的最基本的觀點是：任一個未知量θ都可以看作一個隨機變量，應(yīng)該用一個概率分布去描述θ的未知狀況。這個概率分布是在抽樣前就有的有關(guān)θ的先驗信息的概率陳述，被稱為先驗分布。

貝葉斯方法就是將關(guān)于未知參數(shù)的先驗信息與樣本信息進行綜合，再根據(jù)貝葉斯定理，得出后驗信息去推斷未知參數(shù)。連續(xù)型隨機變量的貝葉斯公式可用式(1)表示[13]。

(1)

式中：π(θ|x)為后驗密度函數(shù)，對應(yīng)的分布稱為后驗分布，它綜合了有關(guān)參數(shù)θ的先驗信息和抽樣信息。π(θ)是參數(shù)θ的先驗密度函數(shù)，對應(yīng)的分布為先驗分布。L(x|θ)為似然函數(shù)，一般來說，先驗分布反映了人們在抽樣前對參數(shù)θ的認識，后驗分布反映了人們在抽樣后對參數(shù)θ的認識，它實際上是通過抽樣信息對參數(shù)θ的先驗信息進行調(diào)整，因此，基于后驗分布對參數(shù)θ進行統(tǒng)計推斷更加有效，也更加合理。也可以把式(1)寫成式(2)。

π(θ|x)∝L(x|θ)π(θ)

(2)

其中：∝表示“正比于”，兩邊只差一個不依賴于θ的常數(shù)因子，式(2)右端雖不是正常的密度函數(shù)，但它是后驗分布π(θ|x)的核，在某些時候可以用來簡化后驗分布的計算。

2 砌體抗壓強度的貝葉斯推斷

2.1 似然函數(shù)

《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2018)明確規(guī)定材料強度的概率分布宜采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，因此，砌體抗壓強度、塊體強度和砂漿強度概率模型均用對數(shù)正態(tài)分布表示。因為砌體抗壓強度與塊體強度和砂漿強度有關(guān)，若有塊體強度和砂漿強度的觀測值，可利用砌體抗壓強度與二者的關(guān)系建立砌體抗壓強度的似然函數(shù)。

《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)[14]采用式(3)來計算砌體抗壓強度平均值。

(3)

式中：fm為砌體抗壓強度平均值；f1為塊體的強度等級值或平均值；f2為砂漿抗壓強度平均值；α為與塊體高度有關(guān)的參數(shù)；k1為反映塊體種類的參數(shù)；k2為采用低強度等級砂漿時的修正系數(shù)。α、k1和k2的取值規(guī)定見《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)。為構(gòu)造砌體抗壓強度平均值fm的似然函數(shù)，對式(3)兩邊取對數(shù)[12]，得到式(4)。

ln(fm)=lnk1+αlnf1+ln(1+0.07f2)+lnk2

(4)

令fm=ln(fm)、K1=lnk1、F1=lnf1、F2=ln(1+0.07f2)、K2=lnk2，則式(4)可寫成(5)。

Fm=K1+αF1+F2+K2

(5)

θFm=K1+α×θF1+θF2+K2

(6)

(7)

由此可知，若有一組塊體和砂漿的強度觀測值，則可以通過間接法推定出砌體抗壓強度的一組樣本觀察值Fm,1，F(xiàn)m,2,…，F(xiàn)m,n，可建立式(8)的砌體抗壓強度樣本的似然函數(shù)。

L(Fm|θ)=

(8)

2.2 后驗分布

以上砌體抗壓強度樣本的似然函數(shù)為正態(tài)分布，為了便于推導(dǎo)強度均值的后驗分布，利用對數(shù)正態(tài)分布與正態(tài)分布的關(guān)系進行簡單的變換，用另一正態(tài)分布N(μ,τ2)作為均值θ的先驗分布，利用先驗信息可確定μ和τ2的取值。

先驗分布和似然函數(shù)都確定后，即可由式(2)得出砌體抗壓強度均值的后驗分布，如式(9)所示。

π(θ|Fm)∝L(Fm|θ)π(θ)∝

(9)

從μ1的計算公式可以看出，后驗均值是在先驗均值與似然函數(shù)中的樣本均值間采取折中方案，有了砌體抗壓強度均值的后驗分布后，即可綜合先驗信息和樣本信息對強度均值進行更好的推斷，由上式可知，要定量計算出后驗分布，還需要對塊體和砂漿的概率密度模型進行推定。

3 塊體和砂漿強度概率密度模型推定

3.1 塊體強度f1的概率密度模型

(10)

對于某一樣本F1,1,F1,2,……，F(xiàn)1,n其對應(yīng)的似然函數(shù)為

(11)

于是，可以得到其對數(shù)似然函數(shù)為

(12)

將對數(shù)似然函數(shù)分別對于均值和方差求導(dǎo)以求得其對應(yīng)的極大似然估計值，得到式(13)。

(13)

(14)

3.1.2 參數(shù)估計值的偏差分析 求得參數(shù)的估計值以后，利用無偏性準則來評價估計量的好壞。估計量的數(shù)學(xué)期望等于被估計參數(shù)的真實值，則稱此估計量為被估計參數(shù)的無偏估計，即具有無偏性。下面即對塊體強度分布的均值和方差的極大似然估計值的偏差進行分析。

(15)

(16)

(17)

(18)

只要有一組塊體強度的觀測值，就可以按式(18)的均值和方差的估計值確定其分布。

3.2 砂漿強度f2的概率密度模型

(19)

塊體和砂漿強度的概率模型確定以后，按式(8)可確定抗壓強度的似然函數(shù)，按現(xiàn)場原位軸壓法測試的砌體抗壓強度確定先驗分布，則對應(yīng)的后驗分布即可按式(9)確定。后驗分布確定后既可以得到砌體抗壓強度的貝葉斯推斷值，下面用一具體算例說明整個實現(xiàn)過程。

4 算例

以國網(wǎng)湖南省電力有限公司東塘二辦公樓結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測結(jié)果對砌體抗壓強度進行貝葉斯推斷。根據(jù)《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標準》(GB/T 50315—2011)[15]的規(guī)定采用回彈法檢測磚與砂漿抗壓強度，現(xiàn)場檢測如圖1所示，采用現(xiàn)場原位軸壓法檢測砌體抗壓強度，現(xiàn)場檢測如圖2所示。

圖2 砌體原位軸壓強度檢測Fig.2 Axial compression in situ of

4.1 砌體抗壓強度平均值

將整幢建筑的承重墻體劃分為1個檢測單元，從1層到6層的墻體共選擇10個測區(qū)，每個測區(qū)中選擇10個測位進行磚的回彈測試，將回彈測試值按《砌體結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標準》(GB/T 50315—2011)中的數(shù)據(jù)分析要求換算為磚抗壓強度平均值，見表1中f1，在磚塊回彈測試的相同測區(qū)內(nèi)同樣選擇10個測位進行砂漿的回彈測試，并根據(jù)回彈值和碳化深度值按《砌體結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標準》(GB/T 50315—2011)中的數(shù)據(jù)分析要求換算為砂漿抗壓強度平均值，見表1中f2，在磚和砂漿強度的10個測區(qū)中選擇3個部位將承重墻體開槽后進行原位軸壓法測試，并將槽間砌體抗壓強度換算為標準砌體抗壓強度，見表1中fm。

表1 抗壓強度檢測值Table 1 Compressive strength of inspection value

圖3 砌體抗壓強度的分布Fig.3 Distribution of compressive strength of

利用對數(shù)正態(tài)分布與正態(tài)分布的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，通過抗壓強度均值的后驗分布可得砌體抗壓強度平均值的貝葉斯推斷值為2.58 MPa，而由檢測結(jié)果可知，現(xiàn)場原位測試的砌體抗壓強度平均值為2.64 MPa，將表1中的塊體強度平均值f1和砂漿強度平均值f2代入式(3)可計算出砌體抗壓強度平均值為2.42 MPa?？梢?，利用貝葉斯理論推斷的砌體抗壓強度平均值介于現(xiàn)場原位測試結(jié)果和利用塊體和砂漿強度檢測值計算的結(jié)果之間，能夠?qū)煞N方法的信息按照一定的權(quán)重比進行綜合。

4.2 砌體抗壓強度推定值

原位軸壓法測得的砌體抗壓強度平均值為2.64 MPa，但原位軸壓法的測區(qū)為3個，小于6，故按式(15.0.8-3)確定砌體抗壓強度標準值的推定值，即取測區(qū)砌體抗壓強度的最小值2.61 MPa。

由此可知，對于砌體抗壓強度標準值的推定值，原位軸壓法測試值推定的為2.61 MPa，利用塊體和砂漿的回彈檢測值推定得到的為2.01 MPa，貝葉斯方法計算得到的為2.51 MPa，仍然介于兩者之間，進一步說明利用貝葉斯方法可以將直接法和間接法獲得的砌體強度信息相結(jié)合，從而降低推定結(jié)果的不確定性。

5 結(jié)論

1)既有建筑砌體抗壓強度的貝葉斯推斷可以將現(xiàn)場原位測試的砌體抗壓強度值和通過塊體和砂漿強度推定的計算值以一定的權(quán)重相結(jié)合，若似然函數(shù)中樣本均值的方差偏小，則其在后驗均值中的權(quán)重就大，反之，所占的權(quán)重就小，即貝葉斯推斷的后驗分布是在先驗分布與似然函數(shù)間采取的折中方案，使得最后的結(jié)果充分考慮各種信息，更為全面合理。

2)既有砌體結(jié)構(gòu)抗壓強度的貝葉斯推斷結(jié)果具有可持續(xù)性，已有的后驗分布可以作為下一次強度推斷的先驗信息，在實際工程中可實現(xiàn)強度的動態(tài)長期觀測。

3)既有砌體結(jié)構(gòu)抗壓強度的貝葉斯推斷中的思路和方法可推廣到其他強度指標，對檢測、結(jié)構(gòu)試驗獲得的相關(guān)強度數(shù)據(jù)進行分析，作為砌體結(jié)構(gòu)定期維修和加固的依據(jù)，降低推定結(jié)果的不確定性，有利于客觀分析和決策，為最大程度地實現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)。