关键词:
砌体结构
人工神经网络
震害预测
结构易损性
系统平台
摘要:
作为一种传统的建筑结构,砌体结构在经济和适用性方面优势显著且分布广泛,但在遭受地震等灾害时因其固有的结构易损性表现得较为脆弱,容易造成严重破坏。因此,研究砌体结构的地震易损性评估方法对于保障建筑物的抗震性能、减少地震灾害损失具有重要意义。传统的易损性评估方法如延性系数判别法、楼层平均抗剪强度法等,虽然在一定程度上能够反映结构的抗震性能,但是在计算模型复杂度和房屋数据的依赖性隶属在工程应用层面仍面临双重制约,为解决这一问题,研究开发出了一种基于人工神经网络(ANN)的匹配算法模型,将传统易损性评估方法与神经网络相结合,进行砌体结构震害预测。论文的主要研究结论如下:
(1)基于金国梁的模糊综合评判法基础上结合天津房屋普查数据与模糊数学理念,构建免力学参数计算的老旧房屋抗震性能快速评估模型。以天津市老旧农居为对象,量化建筑物长度、房屋老旧程度、层数、建造年代、结构类型5个影响因子与震害程度关系,通过正态分布拟合与累积分布积分建立因子-震害隶属度矩阵R,九标度法确定影响因子权重A,得到VII度烈度下的综合评判模型B=A·R。
(2)收集满足15个参数维度的历史震害数据,包括1976年唐山地震27条和2008年汶川地震67条,数值仿真典型砌体结构得到106条参数维度为40的震害数据。对历史震害数据中的15个参数相关性分析得出:地震烈度、峰值加速度、建筑的房屋年代、砌体类别、层数和建筑长相关性较高,在建筑震害预测中起着关键作用。
(3)建立含有输入层、隐含层和输出层结构的多层感知结构的ANN模型。输入层由2个地震运动参数和38个建筑结构特征参数组成,共计40个输入节点。通过对ANN进行训练和调整,模型能够识别匹配最大概率的易损性计算方法并计算破坏结果和基于沿样本训练的端到端预测结果计算的破坏结果,两个结果加权融合,得到最终的破坏等级输出。该模型使用四个指标进行评估:准确率、精确率、召回率和F1分数,综合来看有78%的准确度表示该模型有较高的预测精度。
(4)搭建了一个基于ANN模型匹配计算的砌体结构震害预测平台,对GUI界面展示与汶川地震中104条房屋震数据实例演示在地震烈度Ⅷ-Ⅹ度的高烈度区和Ⅵ-Ⅶ度的中烈度区的砌体房屋震害情况,平均计算耗时20±0.5s得到:“基本完好”房屋占比约40.0%,“严重破坏”房屋占比34.0%,“倒塌”房屋12.0%,“轻微破坏”房屋10.0%,“中度破坏”房屋6.0%。