建筑物安全性能评估方法及装置

本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种建筑物安全性能评估方法及装置。

背景技术：

目前土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。近些年，地震、洪水、暴风等自然灾害也对这些建筑物和结构造成不同程度的损伤；还有一些人为的爆炸等破坏性行为，这些越来越引起人们的密切关注。如何能在灾难到来之前对其预测、进行评估，以趋利避害已成为人们关注的焦点。

现有的结构安全性能评估方法主要有经验鉴定法、实用鉴定法、及概率鉴定法。传统经验鉴定法是以原设计规范或规程为依据，按个人目视观察及规范定值计算结果来评定结构与实际差异的一种经验评定法。实用鉴定法是在传统经验鉴定法的基础上发展起来的，它克服了传统经验鉴定法的缺点，十分重视检测手段和检测技术对结构材料强度等有关力学参数的影响，采用实测值并经过一系列的统计分析后用于结构的分析计算。在各项结果的评定中，以原设计规范的控制条件为标准，经过讨论分析后提出综合性鉴定结论并给予对策建议运用概率论和数理统计原理，采用非定值统计规律对建筑物的可靠度进行鉴定的一种方法，称为概率鉴定法，又称可靠度鉴定法。

但是现有的评价方法，没有考虑可变作用的概率特性，特别是楼面、屋面活荷载的概率特性，并不是一成不变的，不能直接用于既有结构的安全性评定。随着自然界运动规律和人类活动方式的变化，未来作用的概率特性也可能与可靠度评定的分级标准建立时所考虑的情况存在较大差别。荷载效应概率模型应该根据实际使用中的情况进行调整，并应该考虑历史上曾经经历过得荷载及效应的影响；此外，有的服役结构还改变了基本功能，其荷载及效应模型与设计结构有区别，直接采用原结果缺乏合理性，即现有技术使用的评价方法精度较低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种建筑物安全性能评估方法，用以基于建筑物现有变形状态，以服役后的建筑物结构特性为预测起点，预测结构未来安全性能，评估精度较高，该方法包括：

对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，其中，预设位置为所述建筑物容易发生变形的位置；

根据所述建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟所述建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置；

向所述有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，所述建筑物参数包括：材料属性，荷载条件，边界条件，膨胀率；

根据所述建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前所述建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测所述有限元模型的准确性；

在所述有限元模型被检测为准确的情况下，根据所述建筑物状态信息评估所述建筑物的安全性能。

可选的，所述方法还包括：

根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新。

可选的，根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新之后，所述方法还包括：

根据更新后的有限元模型，计算所述建筑物多个预设位置的最大承载力。

可选的，向所述有限元模型中输入建筑物参数，输出建筑物状态信息之后，所述方法还包括：

根据所述建筑物状态信息预测所述建筑物的寿命。

本发明实施例还提供一种建筑物安全性能评估装置，基于建筑物现有变形状态，以服役后的建筑物结构特性为预测起点，预测结构未来安全性能，评估精度较高，该装置包括：

数据获取模块，用于对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，其中，预设位置为所述建筑物容易发生变形的位置；

模型建立模块，用于根据所述建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟所述建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置；

信息输出模块，用于向所述有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，所述建筑物参数包括：材料属性，荷载条件，边界条件，膨胀率；

准确性检测模块，用于根据所述建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前所述建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测所述有限元模型的准确性；

安全性能评估模块，用于在所述有限元模型被检测为准确的情况下，根据所述建筑物状态信息评估所述建筑物的安全性能。

可选的，所述装置还包括：

模型更新模块，用于根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新。

可选的，所述装置还包括：

承载力计算模块，用于根据更新后的有限元模型，计算所述建筑物多个预设位置的最大承载力。

可选的，所述装置还包括：

寿命预测模块，用于根据所述建筑物状态信息预测所述建筑物的寿命。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明实施例中，通过对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，根据建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置，向有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，再根据建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测有限元模型的准确性。在有限元模型被检测为准确的情况下，根据建筑物状态信息评估建筑物的安全性能，即本发明基于建筑物现有变形状态，以服役后的建筑物结构特性为预测起点，预测结构未来安全性能，评估精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中建筑物安全性能评估方法的流程图；

图2为本发明实施例中建筑物安全性能评估装置的结构示意图；

图3是本发明实施例计算机设备示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1为本发明实施例提供的一种建筑物安全性能评估方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤101、对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，其中，预设位置为所述建筑物容易发生变形的位置。

在本实施例中，上述建筑物变形可以由多种因素引起，以膨胀变形为例，其可以由碱骨料破坏引起，具体地，可以在建筑物建设时，在重点部位及易发生碱骨料破坏的位置，利用传感器布置膨胀监测点。其中，建筑物可以为桥梁、水闸等各类水工建筑物，传感器可以为位移传感器。

具体实施时，可以利用该传感器实时监测多个预设位置的变形数据。

步骤102、根据所述建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟所述建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置。

在实施例中，对于有限元模型，其为三维模型，包含微观到宏观以及宏观到微观的双向信息流。其中微观到宏观的多尺度分析从施工期水泥水化出发，计算多孔水泥基材料孔隙结构的形成及力学性能的演变，并计算孔隙水相态平衡及压力梯度下的非饱和流动；在孔隙溶液流动的基础上，考虑多离子的迁移及电中性平衡，进而计算造成各种耐久性劣化的物理、化学反应过程，如碱骨料反应、冻融破坏、锈胀开裂等；基于孔隙中膨胀介质的弹性力学性能，在孔隙介质力学的框架下，建立孔隙压力与混凝土骨架变形的动态平衡；最后考虑混凝土的三维受力情况及配筋情况，实现钢混结构的三维非线性开裂分析。该模型可以通过输入混凝土的参数、膨胀率及外部环境条件和荷载条件建立数值三维有限元模型，实现结构现有劣化状态的还原，在图像层面，可以将结构的破坏状况、应力应变云图以可视化的形式展示出来，在数值层面可以导出结构的应力应变曲线、最大承载力等。

步骤103、向所述有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，所述建筑物参数包括：材料属性，荷载条件，边界条件，膨胀率。

在实施例中，建筑物状态信息可以为建筑物的破坏模式、应力应变云图、应力应变曲线等。

步骤104、根据所述建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前所述建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测所述有限元模型的准确性。

步骤105、在所述有限元模型被检测为准确的情况下，根据所述建筑物状态信息评估所述建筑物的安全性能。

基于步骤103，建筑物状态信息可以为建筑物的破坏模式、应力应变云图、应力应变曲线等，将碱骨料损伤状况量化，用户可以通过该建筑物状态信息直观地分析出建筑物的安全性能。

由上可知，本发明实施例提供的建筑物安全性能评估方法，通过对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，根据建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置，向有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，再根据建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测有限元模型的准确性。在有限元模型被检测为准确的情况下，根据建筑物状态信息评估建筑物的安全性能，即本发明基于建筑物现有变形状态，以服役后的建筑物结构特性为预测起点，预测结构未来安全性能，评估精度较高。

为了得到建筑物当前的劣化状态，所述方法还包括：

根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新。其中，多个预设位置的变形数据可以为实时变形数据。

具体实施时，向有限元模型中输入材料属性，荷载条件，边界条件，膨胀率，利用有限元模型对建筑物的预设位置(易发生膨胀变形的位置)建立数值模型，同时拟合现有的实测膨胀率，得到现有的劣化模型重构混凝土劣化状态。其中，材料属性，如混凝土强度、钢筋强度，以及边界条件等可通过设计资料获得，荷载条件可设置为位移荷载，膨胀量可通过膨胀监测获得。

该有限元模型是一个全寿命周期的模型，可以随着建筑物的更新实时进行实时更新，以便保证预测的建筑物的安全性能的准确性。

进一步地，根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新之后，所述方法还包括：

根据更新后的有限元模型，计算所述建筑物多个预设位置的最大承载力。

具体实施时，可以基于建筑物当前劣化状态计算建筑物多个预设位置的最大承载力，并对建筑物进行取样验证，完善模型参数，优化有限元模型。通过建筑物状态信息对有可能发生破坏的重点部位进行加强，确保了所得到的有限元模型的准确性，即通过建筑物取样获得结构的真实最大承载力，通过和计算结果的对比确保现有模型的准确性。

此外，对于建筑物现有的损伤状况，我们可以通过向有限元模型中输入不同大小荷载获取其最大承载力，从而设置建筑物的最大载重，同时，根据结构的破坏云图，我们可以提前对可能发生破坏的地方，即现有结构较脆弱的地方提前进行加固，并实时更新有限元模型，实现实体结构和有限元软件的信息交互。

在本发明实施例中，向所述有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息之后，所述方法还包括：

根据所述建筑物状态信息预测所述建筑物的寿命。

具体实施时，若建筑物现有的碱骨料损伤不严重，可以对该建筑物的寿命进行预测，对于现有的有限元模型，可以增加膨胀，预测建筑物在未来的承载力以及破坏情况，提前对建筑物进行加固，并根据加固后的实体桥梁对有限元模型进行更新，实现结构与有限元软件的信息交互，安全性能的实时评估。

此外，对于实体建筑物，本发明实施例采用的是布置传感器检测结构的变形，从而代入有限元软件中进行还原。但是这个变形数据是沿一个方向的，为了提高建筑物安全性能预测的准确性，对于适用于采用钻芯取样进行结构损伤检测的建筑物，本发明进一步提出一个新的膨胀率计算方法，作为结构损伤的评价指标。具体操作流程如下：

第一部分：结构裂缝总面积提取：

钻孔取样：在建筑物易发生损伤的部位采用钻芯取样的方式，钻取尺寸为10cm×10cm×40cm的混凝土棱柱体试件。

切片：从测试动弹性模量后的混凝土棱柱体试件(10cm×10cm×40cm)的靠近中央的部位沿垂直于长度方向切下两个切片(减小试件端部效应对混凝土内部微裂纹结构的影响)，每片15mm-20mm厚。

打磨：切片表面进行打磨和磨平。

清洗：采用清水对切片表面残留的杂质进行清洗。

烘干:在烘箱中40℃-50℃的温度下干燥24h。

抽真空：将装有切片的容器放入真空箱中，抽至极限真空度，除去切片内部的空气。

灌环氧：保持真空度不变,灌入荧光环氧树脂，浸没切片。

二次打磨：取出浸渍后的切片，待环氧硬化后将表面多余的环氧打磨掉,即可进行微观观察。

第二部分：结构损伤指标计算：

微观裂缝总面积计算：采用图像识别技术，利用像素点，其中带荧光的像素点面积之和为微观裂缝面积总和，记为s1，切片截面面积记为s。

膨胀率计算：提出一个更加能够反应结构损伤的膨胀率，即为s1/s。

重现结构损伤状况：利用有限元软件，建立实体模型，以膨胀率为输入参数，计算现有劣化状态下的承载力。

下面以建筑物为桥梁，对本发明的方案进行举例说明：

s1、在建筑物建筑时，对建筑物中最可能发生膨胀变形的地方进行重点观测，布置膨胀监测点。

s2、利用传感器实时观测建筑物膨胀监测点的膨胀变化情况。

s3、在有限元软件中，构件关键部位(最可能发生碱骨料破坏的地方)的有限元模型，并赋予有限元模型与建筑物实际建造过程中相应的材料属性，设置结构的边界条件，输入不同的膨胀参数，使有限元模型的膨胀量与结构实际的膨胀量一致，从而还原结构的桥梁变形状况，并在此基础上施加不同大小的荷载，计算结构的承载力及云图。

s4、在桥梁结构中相应部位进行采样，获取结构的实际承载力，与有限元计算结果进行拟合，从而验证结果的准确性，重构结构现有损伤状况的数值模型。

s5、对于现有损伤状况，通过不同大小荷载获取其最大承载力，设置桥梁通过的最大载重，同时，根据结构的破坏云图，提前对可能发生破坏的地方，即现有结构较脆弱的地方提前进行加固。

s6、实现桥梁加固的同时也可对有限元模型同步加固，实现实体结构与有限元模型的实时交互，实现结构安全性能的实时评估。

s7、若现有桥梁膨胀变形损伤不严重，可以对该桥梁的寿命进行预测，对于现有的有限元模型劣化状态，我们可以增加膨胀，预测桥梁在未来的承载力以及破坏情况，提前对桥梁进行加固，并根据加固后的实体桥梁对有限元模型进行更新，实现结构与有限元软件的信息交互，安全性能的实时评估。

综上，本发明利用布置变形测点，将建筑物损伤状况量化，并综合材料属性、边界条件、膨胀检测量、荷载状况四要素，在有限元软件中还原结构现有的劣化状态，我们最终得到的结果是结构的破坏云图、应力应变云图以及应力应变曲线等计算结构，该结果可以为结构运维提供强有力的支撑。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种建筑物安全性能评估装置，如下面的实施例所述。由于建筑物安全性能评估装置解决问题的原理与建筑物安全性能评估方法相似，因此，建筑物安全性能评估装置的实施可以参见建筑物安全性能评估方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图2为本发明实施例提供的一种建筑物安全性能评估装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：

数据获取模块201，用于对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，其中，预设位置为所述建筑物容易发生变形的位置；

模型建立模块202，用于根据所述建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟所述建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置；

信息输出模块203，用于向所述有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，所述建筑物参数包括：材料属性，荷载条件，边界条件，膨胀率；

准确性检测模块204，用于根据所述建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前所述建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测所述有限元模型的准确性；

安全性能评估模块205，用于在所述有限元模型被检测为准确的情况下，根据所述建筑物状态信息评估所述建筑物的安全性能。

在本发明实施例中，所述装置还包括：

模型更新模块，用于根据多个预设位置的变形数据，对所述有限元模型进行更新。

在本发明实施例中，所述装置还包括：

承载力计算模块，用于根据更新后的有限元模型，计算所述建筑物多个预设位置的最大承载力。

在本发明实施例中，所述装置还包括：

寿命预测模块，用于根据所述建筑物状态信息预测所述建筑物的寿命。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，还提供了一种计算机设备。如图3所示，该计算机设备包括存储器、处理器、通信接口以及通信总线，在存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例方法中的步骤。

处理器可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及单元，如本发明上述方法实施例中对应的程序单元。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及作品数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个单元存储在所述存储器中，当被所述处理器执行时，执行上述实施例中的方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

综上所述，本发明通过对建筑物的多个预设位置进行监测，获取多个预设位置的变形数据，根据建筑物多个预设位置的施工图纸，建立用于模拟建筑物的有限元模型，在有限元软件中还原建筑物的预设位置，向有限元模型中输入多个预设位置的变形数据和建筑物参数，输出建筑物状态信息，再根据建筑物参数中的膨胀率在所述有限元模型中还原当前建筑物的劣化状态，并利用建筑物现场取样检测有限元模型的准确性。在有限元模型被检测为准确的情况下，根据建筑物状态信息评估建筑物的安全性能，即本发明基于建筑物现有变形状态，以服役后的建筑物结构特性为预测起点，预测结构未来安全性能，评估精度较高。

具体地，首先，本发明提出在建筑物关键点布设膨胀测量点，实现对膨胀的连续测量，将原本不可定量分析的建筑物膨胀变形程度转化为可连续测量的膨胀量，为劣化状态的还原提供基础数据。其次，本发明建立了一个数值化结构，可以实现对真实结构的还原，并基于现有的损伤状态实现承载力的预测，预测结果更加准确，且破坏模式更加清晰，便于指导运维。最后，本发明可实现有限元模型与实体结构的信息交互，可将实体结构的加固及补强情况实时地反映到有限元软件建立的模型中，实现对建筑物的全寿命安全性能评估。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。