第13章 土木工程防灾与减灾

1、第十三章第十三章土木工程防灾与减灾土木工程防灾与减灾本章内容本章内容13.1 13.1 工程灾害与防灾工程灾害与防灾13.2 13.2 工程结构检测鉴定与加固工程结构检测鉴定与加固13.1 13.1 工程灾害与防灾工程灾害与防灾 13.1.1 13.1.1 地震灾害与抗震地震灾害与抗震 13.1.2 13.1.2 风灾与抗风风灾与抗风 13.1.3 13.1.3 地质灾害与防护地质灾害与防护 13.1.4 13.1.4 其他灾害其他灾害13.1.1 13.1.1 地震灾害及抗震地震灾害及抗震 地震是由于地壳破地震是由于地壳破坏引发的地面运动，这坏引发的地面运动，这种地面运动对人工建筑种地面运动

2、对人工建筑物可以造成严重破坏。物可以造成严重破坏。 我国地处欧亚地震我国地处欧亚地震带与亚太平洋地震带之带与亚太平洋地震带之间，不仅以占世界间，不仅以占世界7%7%的的土地养活着世界土地养活着世界22%22%的的人口，同时还承受着全人口，同时还承受着全球球33%33%的大陆地震。的大陆地震。 在工程抗震方面，通过重新修订各地区的抗震在工程抗震方面，通过重新修订各地区的抗震设防烈度，提高了工程抗震设计和抗震检验的标准设防烈度，提高了工程抗震设计和抗震检验的标准 。 近十年来工程减震、隔震理论的研究和应用成近十年来工程减震、隔震理论的研究和应用成为工程抗震领域的热点。为工程抗震领域的热点。 目前虽

3、然结构抗震理论和实践越来越完善，但目前虽然结构抗震理论和实践越来越完善，但是工程系统抗震研究却发展缓慢。是工程系统抗震研究却发展缓慢。 狭义的工程系统指城市生命线工程系统，由供狭义的工程系统指城市生命线工程系统，由供水、供电、煤气、通讯、交通、电力等基础设施组水、供电、煤气、通讯、交通、电力等基础设施组成的系统成的系统 城市生命线工程系统抗震包括系统震害预测、城市生命线工程系统抗震包括系统震害预测、系统抗震能力评价、系统抗震设计和改造、震时系系统抗震能力评价、系统抗震设计和改造、震时系统控制、震后系统维修等内容。统控制、震后系统维修等内容。 系统抗震设计与改造有两条途径系统抗震设计与改造有两条

4、途径 ： 第一条途径通过提高系统内关键结构、设备和第一条途径通过提高系统内关键结构、设备和子系统的抗震能力来有效提高整个系统的抗震能力。子系统的抗震能力来有效提高整个系统的抗震能力。这条途径适合既有工程系统抗震改造。这条途径适合既有工程系统抗震改造。 第二条途径是通过优化系统结构来提高整个系第二条途径是通过优化系统结构来提高整个系统的抗震能力。这条途径适合于新系统的抗震设计。统的抗震能力。这条途径适合于新系统的抗震设计。 13.1.2 13.1.2 风灾及抗风风灾及抗风 常见的风灾有台风、龙卷风和暴风。常见的风灾有台风、龙卷风和暴风。 台风为急速旋转的暖湿气团，直径在台风为急速旋转的暖湿气团，

5、直径在6006001000 1000 km km 不等。靠近台风中心的风速常超过每小时不等。靠近台风中心的风速常超过每小时180 km180 km，由中心到台风边缘风速逐渐减弱。由中心到台风边缘风速逐渐减弱。 龙卷风是一股急速上升的旋转气流，呈漏斗状，龙卷风是一股急速上升的旋转气流，呈漏斗状，移动速度通常超过每小时移动速度通常超过每小时300 km300 km。 2000年夏年夏“杰拉华杰拉华”台风的卫星照片台风的卫星照片龙卷风照片龙卷风照片 在台风和龙卷风发生的同时一般在台风和龙卷风发生的同时一般会引发风暴潮、巨浪和强暴雨等次生会引发风暴潮、巨浪和强暴雨等次生灾害。灾害。 台风灾害链台风灾害

6、链 工程领域中最著名工程领域中最著名的风灾破坏为美国的风灾破坏为美国TacomaTacoma悬索桥的风毁事悬索桥的风毁事件。件。 对于高层建筑、大对于高层建筑、大跨结构、柔性大跨桥梁、跨结构、柔性大跨桥梁、输电塔和渡槽等受风面输电塔和渡槽等受风面积大的柔性结构，抗风积大的柔性结构，抗风设计与抗震设计具有同设计与抗震设计具有同等的重要意义。等的重要意义。TacomaTacoma桥在风中整体坍塌桥在风中整体坍塌13.1.3 13.1.3 地质灾害及防护地质灾害及防护 地质灾害包括滑坡、泥石流和沙土液化等。地质灾害包括滑坡、泥石流和沙土液化等。 地质灾害的发生一般存在诱因。滑坡和泥石流地质灾害的发生

7、一般存在诱因。滑坡和泥石流一般由暴雨诱发；沙土液化通常由地震引起。一般由暴雨诱发；沙土液化通常由地震引起。 滑坡的防治有三种方法：卯杆加固法、建立护滑坡的防治有三种方法：卯杆加固法、建立护坡或挡土墙、降低坡度法。坡或挡土墙、降低坡度法。 土壤液化一般发生在含水率较高、沙土含量较土壤液化一般发生在含水率较高、沙土含量较大的土壤，在遭受地震时发生的一种土壤喷沙冒水现大的土壤，在遭受地震时发生的一种土壤喷沙冒水现象。象。 2020世纪最大的滑坡，使得世纪最大的滑坡，使得1919万人死亡。万人死亡。成昆铁路喜德铁口路堤滑坡成昆铁路喜德铁口路堤滑坡13.1.4 13.1.4 其他灾害其他灾害 人为灾害主

8、要是由于管理失误或漠视安全生产造成人为灾害主要是由于管理失误或漠视安全生产造成的，如火灾、工程腐蚀和一些存在设计缺陷、施工质量差的，如火灾、工程腐蚀和一些存在设计缺陷、施工质量差的豆腐渣工程。的豆腐渣工程。 如何抗灾、防灾、和救灾及灾害损失评价，成为近如何抗灾、防灾、和救灾及灾害损失评价，成为近年来倍受土木工程界关注和重点研究的课题。年来倍受土木工程界关注和重点研究的课题。 许多灾害的发生具有相关关系，如洪水会引发泥石许多灾害的发生具有相关关系，如洪水会引发泥石流等地质灾害。南京大学的史培军将灾害之间的相关关系流等地质灾害。南京大学的史培军将灾害之间的相关关系归纳为灾害链归纳为灾害链 地震灾害

9、链地震灾害链13.2 13.2 工程结构检测鉴定与加固工程结构检测鉴定与加固 13.2.1 13.2.1 材料在灾害环境中的性能材料在灾害环境中的性能 13.2.2 13.2.2 结构灾害检测与鉴定结构灾害检测与鉴定 13.2.3 13.2.3 工程结构改造及加固工程结构改造及加固 13.2.4 13.2.4 工程改造工程改造加固实例加固实例-意大意大 利比萨斜塔加固利比萨斜塔加固13.2.1 13.2.1 材料在灾害环境中的性能材料在灾害环境中的性能 工程结构的抗灾研究中，首要关注的是材料受灾后的工程结构的抗灾研究中，首要关注的是材料受灾后的性能变化，即灾害对材料物理力学性能的影响，也即材料

10、在性能变化，即灾害对材料物理力学性能的影响，也即材料在灾害作用下的损伤等。灾害作用下的损伤等。 灾害材料学一般涉及到土木工程材料的一般力学性能：灾害材料学一般涉及到土木工程材料的一般力学性能：混凝土的内部裂缝和破坏机理、钢筋的内部结构破坏机理、混凝土的内部裂缝和破坏机理、钢筋的内部结构破坏机理、 砌体的一般破坏机理等。砌体的一般破坏机理等。 动力荷载对材料的影响，如钢筋的疲劳、冲击荷载对动力荷载对材料的影响，如钢筋的疲劳、冲击荷载对混凝土和钢筋的作用。混凝土和钢筋的作用。 火灾对材料性能的影响，如对混凝土或钢筋的影响、火灾对材料性能的影响，如对混凝土或钢筋的影响、对混凝土与钢筋间粘结力的影响等

11、。对混凝土与钢筋间粘结力的影响等。 冰冻对材料性能的影响，如受冻混凝土的力学性能。冰冻对材料性能的影响，如受冻混凝土的力学性能。 腐蚀对材料性能的影响等。腐蚀对材料性能的影响等。13.2.2 13.2.2 结构灾害检测与鉴定结构灾害检测与鉴定 检测的程序为：检测任务委托，收集原设计图纸检测的程序为：检测任务委托，收集原设计图纸及竣工图，外观检测，材料检测，构件变形及现有强度及竣工图，外观检测，材料检测，构件变形及现有强度评估评估 。 混凝土和砌体结构的检测除了现场观察结构是否混凝土和砌体结构的检测除了现场观察结构是否出现真实结构裂缝，通常需要先根据图纸数据，进行理出现真实结构裂缝，通常需要先根

12、据图纸数据，进行理想结构的受力分析。想结构的受力分析。 结构检测报告一般包括：现状调查，图纸核对，结构检测报告一般包括：现状调查，图纸核对，材料强度鉴定，承载能力验算等。材料强度鉴定，承载能力验算等。 13.2.3 13.2.3 工程结构改造及加固工程结构改造及加固 工程结构改造加固学是一门研究使受损的工程工程结构改造加固学是一门研究使受损的工程结构重新恢复使用功能或适应新的使用功能的学科。结构重新恢复使用功能或适应新的使用功能的学科。 建筑物需要加固和改造的原因通常有以下几种：建筑物需要加固和改造的原因通常有以下几种： 使用载荷增加。使用载荷增加。 抗震加固。抗震加固。 结构损坏。结构损坏。

13、 校正设计或施工失误。校正设计或施工失误。 历史性建筑的保护。历史性建筑的保护。 建筑物的加固方法很多，分别适用于不同的建筑物的加固方法很多，分别适用于不同的工程结构。工程结构。 混凝土结构主要加固方法有：混凝土结构主要加固方法有：a) 扩大截面法。扩大截面法。b) 粘钢或外贴碳纤维加固。粘钢或外贴碳纤维加固。c) 外包钢加固法。外包钢加固法。d) 预应力加固法。预应力加固法。 切体结构主要加固方法有增设壁柱法和钢筋网水泥砂浆切体结构主要加固方法有增设壁柱法和钢筋网水泥砂浆法。法。 钢结构加固方法主要有：钢结构加固方法主要有：a) 改变结构计算图形。改变结构计算图形。b)加大构件截面。加大构件

14、截面。c) 加强连接法。加强连接法。13.2.4 13.2.4 工程改造加固实例工程改造加固实例意意大利比萨斜塔大利比萨斜塔 意大利比萨斜塔分八层，高意大利比萨斜塔分八层，高53.3 m53.3 m，重，重14 500 t14 500 t。塔的砖石地基的直径为塔的砖石地基的直径为19.6 m19.6 m，最大深度，最大深度5.5 m5.5 m。塔基向。塔基向南倾斜，与地面成南倾斜，与地面成5.55.5，第七层在南面突出，第七层在南面突出4.5 m 4.5 m 。 塔是用柱廊围成一个空心的圆柱体的形式建造的，塔是用柱廊围成一个空心的圆柱体的形式建造的，圆柱体的内表面和外表面用密缝的白色大理石复面

15、，但圆柱体的内表面和外表面用密缝的白色大理石复面，但复面嵌缝的材料是由灰浆和石头构成，发现其中有大量复面嵌缝的材料是由灰浆和石头构成，发现其中有大量的空隙。在塔的墙内盘旋着螺旋形的楼梯。的空隙。在塔的墙内盘旋着螺旋形的楼梯。 其实早在其实早在19341934年，意大利人就开始对塔的加固进行年，意大利人就开始对塔的加固进行了诸多尝试，但结果都不是很满意。了诸多尝试，但结果都不是很满意。 最后，在最后，在19961996年委员会采纳了在墨西哥城大教堂年委员会采纳了在墨西哥城大教堂的破坏性差异沉降中曾成功使用过的方法的破坏性差异沉降中曾成功使用过的方法 抽土法抽土法作为比萨斜塔加固方案。作为比萨斜塔

16、加固方案。 加固过程如下：加固过程如下： (1)(1)在塔的第三层连接了一些暂时性的安全防护在塔的第三层连接了一些暂时性的安全防护钢索，向塔北边延伸约钢索，向塔北边延伸约100 m100 m，穿过两个巨大的，穿过两个巨大的A A型架型架顶部的滑轮，用铅重轻轻拉紧。顶部的滑轮，用铅重轻轻拉紧。 (2)(2)由由200 mm200 mm直径衬套的直径衬套的1212个钻孔在限定的个钻孔在限定的6 m6 m范范围内进行初步抽土。围内进行初步抽土。 (3)(3)建立现场与指挥部的实时通讯控制系统，每建立现场与指挥部的实时通讯控制系统，每天天2 2次汇报塔倾斜和沉降的实时信息，总结了观察到的次汇报塔倾斜和

17、沉降的实时信息，总结了观察到的反应，并对此作出判断，提出下次抽土指示。反应，并对此作出判断，提出下次抽土指示。 (4) (4)初步局部性抽土方案成功后，在初步局部性抽土方案成功后，在19991999年年末年年末开始在塔基的整个宽度上进行全部抽土。开始在塔基的整个宽度上进行全部抽土。 (5)(5)当塔身位移达到指定要求后，在当塔身位移达到指定要求后，在20002000年年5 5月底，月底，开始逐渐地移走铅锭。开始逐渐地移走铅锭。 (6)2001(6)2001年年6 6月月6 6日除去引钻器日除去引钻器这天塔解除了这天塔解除了戒备看护。戒备看护。 直到直到20072007年年6 6月，耗资月，耗资

18、20002000万英镑、历时约万英镑、历时约1717年的年的意大利比萨斜塔拯救工程正式竣工，濒临坍塌边缘的意大利比萨斜塔拯救工程正式竣工，濒临坍塌边缘的比萨斜塔被矫正了比萨斜塔被矫正了1818英尺（约合英尺（约合45.7cm45.7cm），其倾斜度），其倾斜度恢复到了恢复到了18381838年的状态。年的状态。比萨斜塔剖立面钻具和41个抽土管虎丘塔，又称云岩寺塔，始建于虎丘塔，又称云岩寺塔，始建于公元公元601601年年（隋（隋文帝仁寿元年），初建成木塔，后毁。仍存的文帝仁寿元年），初建成木塔，后毁。仍存的虎丘塔建于公元虎丘塔建于公元959959年（年（后周后周显德六年），落成显德六年），落成于公元于公元961961年（北宋建隆二年），比年（北宋建隆二年），比意大利意大利比萨比萨斜塔早建斜塔早建200200多年。该塔为仿楼阁式砖木套筒式多年。该塔为仿楼阁式砖木套筒式结构。由结构。由8 8个外墩和个外墩和4 4个内墩个内墩支承支承。屋檐为仿木。屋檐为仿木斗拱，飞檐起翘。塔内有两层塔壁，仿佛是一斗拱，飞檐起翘。塔内有两层塔壁，仿佛是一座小塔外面又套了一座大塔，其层间的连接以座小塔外面又套了一座大塔，其层间的连接以叠涩砌作的砖砌体连接上下和左右。虎丘塔塔叠涩砌作的砖砌体连接上下和左右。虎丘塔塔身平面呈八角形，由外墩、回廊、内墩和塔心身平面呈八角形，由外墩、回廊、内墩和塔心室组合而