土木工程概论-第十一章

土木工程概论第11章工程防灾减灾土木工程防灾对策与抗灾设计工程防灾减灾的前沿技术13本章内容土木工程结构检测、鉴定与加固211.3工程防灾减灾的前沿技术1234地震震害与防震减灾对策风灾与抗风设计地质灾害及防治火灾及防治5爆炸及防治11.1.1地震震害与防震减灾对策1．地震的基本概念地震是由地壳破坏引发的地面运动，是一种严重危及人们生命财产的突发性自然灾害，由于具有不可预测性，地震对土木工程结构造成的破坏后果尤为严重。11.1.1地震震害与防震减灾对策弱震：震级小于3级的地震；有感地震：震级等于或大于3级、小于或等于4.5级的地震；中强震：震级大于4.5级、小于6级的地震；强震：震级等于或大于6级的地震，其中震级大于或等于8级的叫巨大地震。地震按震级大小分为：11.1.1地震震害与防震减灾对策1）直接灾害破坏地震所造成的直接灾害主要有：地面的破坏、建筑物与构筑物的破坏、山体等自然物的破坏（如滑坡、泥石流等）、海啸以及地光烧伤等。2）次生灾害地震次生灾害是直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡或稳定状态，从而引发出的灾害，主要有：火灾、水灾、毒气泄漏、瘟疫等。其中火灾是次生灾害中最常见、最严重的灾害。2．地震灾害11.1.1地震震害与防震减灾对策1）唐山大地震1976年7月28日3时42分，中国唐山市发生了里氏7.8级地震。地震的震中位置位于唐山市区，持续时间约12秒。唐山地震造成242769人死亡，16.4万人重伤，是中国历史上一次罕见的城市地震，位列20世纪世界地震史死亡人数第二。此次有感范围广达14个省、市、自治区，其中北京市和天津市受到严重波及。整个唐山市顷刻间夷为平地，全市交通、通讯、供水、供电中断。唐山地震没有小规模前震，而且发生于凌晨人们熟睡之时，使得绝大部分人毫无防备。3．地震实例11.1.1地震震害与防震减灾对策2）汶川地震5·12汶川地震发生于2008年5月12日14时28分04秒，震中位于中国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇与漩口镇交界处。5·12汶川地震严重破坏地区超过10万km2，其中，极重灾区共10个县（市）、较重灾区共41个县（市）、一般灾区共186个县（市）。截至2008年9月18日12时，5·12汶川地震共造成69227人死亡，374643人受伤，17923人失踪，是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。11.1.1地震震害与防震减灾对策4．地震灾害的防治对策在《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中明确提出了建筑物“三水准”的抗震设防目标。所谓的“三水准”具体内容如下：第一水准：当建筑物遭遇低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理即可继续使用；第二水准：当建筑物遭受相当于本地区抗震设防烈度的影响时，可能损坏，经一般修理或不修理仍可继续使用；第三水准：当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不至倒塌或发生危及生命的严重破坏。11.1.1地震震害与防震减灾对策上述三个水准的抗震设防目标可简述为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。为了实现三水准抗震设防目标，抗震设计采取两阶段方法。第一阶段为结构设计阶段，在初步设计及技术设计时，就要按有利于抗震的做法去确定结构方案和结构布置，然后进行抗震计算及抗震构造设计。在这一阶段，用相应于该地区设防烈度的小震作用计算结构的弹性位移和构件内力，并进行结构变形验算，用极限状态方法进行截面承载力验算，按延性和耗能要求进行截面配筋及构造设计，采取相应的抗震构造措施。11.1.1地震震害与防震减灾对策第二阶段为验算阶段，一些重要的或特殊的结构，经过第一阶段设计后，要求用与该地区设防烈度相应的大震作用进行弹塑性变形验算，以检验是否达到了大震不倒的目标。11.1.2风灾与抗风设计风是由空气流动引起的一种自然现象，适度的风对人类的生产和生活起到积极的作用，但是当风速和风力超过一定限度时，它就会给人类带来巨大灾害。对建筑结构和生命线工程能产生不良影响的风主要有台风和龙卷风等强风。1．主要风灾11.1.2风灾与抗风设计台风是指发生在太平洋西部海洋和南海海上的热带空气旋涡，是一种极猛烈的风暴，风力常达十级以上，同时伴有暴雨，如图11-1所示。台风不但给沿海城市带来风灾，还会引起洪水、引发滑坡和泥石流等地质灾害。1）台风图11-1台风11.1.2风灾与抗风设计龙卷风是指风力极强而范围不大的旋风，形状象一个大漏斗，轴线一般垂直于地面，在后期因上下层风速相差较大可成倾斜状或弯曲状，如图11-2所示。2）龙卷风图11-2龙卷风11.1.2风灾与抗风设计内陆地区的强风虽然逊于台风和龙卷风，影响范围较小，但也可能给工程结构带来严重的损坏，因为风对结构的作用不仅与风速有关，还受结构形体、所处环境的影响。对于高层建筑、大跨度桥梁结构、输电塔和渡槽等受风面积大的柔性结构受风的影响尤为明显。3）内陆强风11.1.2风灾与抗风设计①首先要加强工程结构的抗风设计，针对生命线工程、非主体但易损构件开展风灾易损性分析，及时加固并进行防风设计。②积极开展针对各地区的风荷载特性研究，如地区风压分布、地面粗糙度划分、高层建筑风效应、大跨结构的风振分析等。2．抗风设计11.1.2风灾与抗风设计③对于风灾严重的地区还要有防风灾害的对策，如在北方大陆内建造防风固沙林，在沿海地区建造防风护岸植被，以减小风力及大风对城市或海岸的破坏。④在经常受风灾危害的地区，建立预报、预警体制。以目前的气象预报水平，提前几小时到几十小时进行大风预报是完全可能的。接到预报后采取紧急的防灾措施，可以大大减小风的灾害。⑤城市应编制风灾害影响区划，建立合理有效的应对策略，如避风疏散应急预案等。11.1.3地质灾害及防治滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象，如图11-3所示。1．滑坡及其防治图11-3山体滑坡11.1.3地质灾害及防治滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失，有的甚至是毁灭性的灾难。滑坡对乡村最主要的危害是摧毁农田、房舍、伤害人畜、毁坏森林、道路以及农业机械设施和水利水电设施等，有时甚至给乡村造成毁灭性灾害。位于城镇的滑坡常常砸埋房屋，伤亡人畜，毁坏田地，摧毁工厂、学校、机关单位等，并毁坏各种设施，造成停电、停水、停工，有时甚至毁灭整个城镇。发生在工矿区的滑坡，可摧毁矿山设施、伤亡职工、毁坏厂房、使矿山停工停产，常常造成重大损失。11.1.3地质灾害及防治我国防治滑坡的工程措施很多，归纳起来可分为三类：一是消除或减轻水的危害，排除地表水、地下水以及河水对滑坡体的影响；二是改变滑坡体的外形，重心降低，从而提高滑坡体的稳定性；三是改善滑动带的土石性质，采用焙烧法、爆破灌浆法等物理化学方法对滑坡进行整治。11.1.3地质灾害及防治泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑等地形险峻的地区，由暴雨、暴雪或其他自然灾害引发并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流，如图11-4所示。泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。2．泥石流及其防治图11-4泥石流11.1.3地质灾害及防治减轻或预防泥石流的工程措施主要有以下几种：①跨越工程：是指修建桥梁、涵洞，从泥石流沟的上方跨越通过，让泥石流在其下方排泄，用以避防泥石流。这是铁道和公路交通部门为了保障交通安全常用的措施。②穿过工程：指修隧道、明硐或渡槽，从泥石流的下方通过，而让泥石流从其上方排泄。这也是铁路和公路通过泥石流地区的主要工程形式之一。11.1.3地质灾害及防治③防护工程：指对泥石流地区的桥梁、隧道、路基及泥石流集中的山区变迁型河流的沿河线路或其他主要工程措施，做一定的防护建筑物，用以抵御或消除泥石流对主体建筑物的冲刷、冲击、侧蚀和淤埋等危害。防护工程主要有：护坡、挡墙、顺坝和丁坝等。④排导工程：其作用是改善泥石流流势、增大桥梁等建筑物的排泄能力、使泥石流按设计意图顺利排泄。排导工程包括导流堤、急流槽以及束流堤。11.1.3地质灾害及防治⑤拦挡工程：用以控制泥石流的固体物质和暴雨、洪水径流，削弱泥石流的流量、下泄量和能量，以减少泥石流对下游建筑工程的冲刷、撞击和淤埋等危害的工程措施。拦挡措施主要有：栏渣坝、储淤场、支挡工程以及截洪工程。11.1.4火灾及防治①火势蔓延迅速：由于烟气流的流动和风力的作用，建筑火灾的火势蔓延速度非常快。发生火灾时产生的大量烟和热会形成炽热的烟气流，烟气流的流动方向往往就是火势蔓延的方向，烟气流的流动速度往往就是火势蔓延速度。1．火灾的特点11.1.4火灾及防治②火灾扑救困难：由于建筑物的面积较大，垂直高度较高，一旦着火，扑救难度较大。③容易造成人员伤亡事故：建筑物一旦着火，火灾现场就会产生大量的烟尘和各种有毒有害的气体，这些烟尘和有毒有害的气体对人体危害很大，而且流动的速度很快，一旦充满安全出口，就会严重阻碍人们的疏散，进而造成人员伤亡事故。11.1.3地质灾害及防治2．火灾的防范①在设计阶段要做好建筑防火设计。例如，在建筑总平面设计中考虑建筑物防火间距、消防通道和防火分区等。②在建筑构造设计中设置防火墙、排烟道、卷帘门以及紧急疏散通道等。③在建筑物内部装修设计中选用耐火性好的材料。④按照消防设计，配备消防系统。⑤在建筑物日常使用中，落实防火责任制度，防患于未然。11.1.5爆炸及防治爆炸是指大量能量在瞬间迅速释放或急剧转化为功、光和热的现象，按照类型可分为物理爆炸和化学爆炸。由于液体变成蒸气或者气体迅速膨胀，压力急速增加，并大大超过容器的极限压力而发生的爆炸称为物理爆炸，如蒸汽锅炉、液化气钢瓶等压力容器的爆炸。因物质本身起化学反应，产生大量气体和高温而发生的爆炸称为化学爆炸，如炸药的爆炸、可燃气体或液体的爆炸等。11.1.5爆炸及防治如果在建筑物附近或者内部发生破坏性爆炸，将会对建筑结构产生重大的危害。因此，对于有发生爆炸可能性的建筑物，如化工厂生产车间、仓库等，需要进行防爆设计和采取防爆、泄爆的构造措施。例如，采取合理的建筑平面布置格局（敞开或半敞开式的建筑布局），以利于爆炸性气体的疏散；与周围建筑物、构筑物应保持一定的防火间距；选用耐火性能好、抗爆能力强的框架结构等。11.2土木工程结构检测、鉴定与加固12土木工程结构检测与鉴定土木工程结构的加固11.2.1土木工程结构检测与鉴定①混凝土结构检测：常见的方法有结构性能实荷检测、混凝土强度回弹法、超声波法、超声回弹综合法、取芯法、拉拔法等。②砌体结构检测：包括轴压法、扁顶法、原位单剪法、原位单砖双剪法、推出法、筒压法、砂浆片剪切法、回弹法、点荷法、射钉法等。③钢结构检测：包括结构性能实荷检测与动测、超声波无损检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、涂层厚度检测、钢材锈蚀检测等。1．土木工程结构检测按所检测结构种类的不同，可将建筑结构检测方法分为以下几种：11.2.1土木工程结构检测与鉴定①性检测：包括针对建筑结构或构件的各类破损性实验。②半破损性检测：包括取芯法、拉拔法等。③无损检测方法：包括回弹法、超声法等。按检测过程中对建筑物造成的损坏程度不同，建筑结构检测方法可分为以下几种：11.2.1土木工程结构检测与鉴定2．工程结构鉴定1）诊断建筑物的损伤程度通过现场调查和检测，确定结构的现有技术状态，进而结合结构的受损分析，综合评定结构的损伤程度，即给出诊断结论。调查的内容主要是建筑物的现状和已有资料。包括建筑物的一些技术指标是否已超过规范要求，建筑物的损坏时间、损坏过程，设计图纸资料的复查与验算，施工情况调查与技术资料检查，建筑物的使用情况与荷载情况等。11.2.1土木工程结构检测与鉴定2）结构可靠性的鉴定可靠性鉴定是结构是否进行维修加固及加固到什么程度的重要依据。由于影响结构的各种因素如荷载情况、材料强度、截面几何特征等带有随机性，因而研究结构的可靠性具有复杂性、可变性及严重性的特点。常见的建筑结构鉴定方法有传统经验法、使用鉴定法、概率法以及概率极限状态鉴定法等，现阶段主要采用的方法为概率极限状态鉴定法。11.2.2土木工程结构的加固

为了使结构的维修、加固最终取得良好的综合效益，应遵循下列原则：①尽可能使加固措施发挥综合效应，提高加固效率。②尽可能保留和利用原结构构件，发挥原结构的潜力，避免不必要的拆除和更换。③尽可能减小对建筑物使用功能的影响。④加固后结构的力学分析和校核除了应遵守结构设计的基本原则外，还应考虑结构在加固时的工作应力、加固部分应变滞后的特点、新旧材料协同工作的程度、加固后构件截面形心和刚度的变化等。增大截面法是一种用与原结构相同的材料增大构件截面面积从而提高构件性能的加固方法。例如，通过外包混凝土或增设混凝土面层加固混凝土梁、板、柱的方法；通过焊缝、螺栓连接增设型钢、钢板加固钢栓、钢梁、钢格架、钢屋架的方法；通过增设砖扶壁加固砖墙的方法等。11.2.2土木工程结构的加固下面列举目前土木工程结构主要的几种加固方法。1．增大截面法外包型钢加固法是在钢筋混凝土梁、柱四周包以型钢的一种加固方法，如图11-5（a）所示。例如，在构件截面的四角沿构件通长或沿某一段设置角钢，横向用箍板或螺栓套箍将角钢连接成整体，成为外包于构件的钢构架。外包型钢加固法的优点是在基本不增大构件截面尺寸的情况下，提高构件承载力，增大延性和刚度，适用于混凝土柱、梁、屋架和砖窗间墙以及烟囱等结构构件和构筑物的加固。11.2.2土木工程结构的加固2．外包型钢加固法11.2.2土木工程结构的加固（a）黏贴碳纤维加固法是将碳纤维布采用高性能的环氧类结构胶粘贴于混凝土构件的表面，利用抗拉强度大的碳纤维材料达到增强构件承载能力和刚度的目的，如图11-5（b）所示。碳纤维材料的拉伸强度约为普通钢材强度的10倍，自重轻、耐高温、耐酸碱腐蚀，并且施工简便、施工工期短，施工质量易保证。黏贴碳纤维加固法适用范围极为广泛，且具有良好的加固效果，目前已成为国内外研究与应用的热点。11.2.2土木工程结构的加固3．黏贴碳纤维加固法11.2.2土木工程结构的加固（b）外加预应力加固法是一种采用外加预应力钢拉杆或撑杆，对结构进行加固的方法，如图11-5（c）所示。11.2.2土木工程结构的加固4．外加预应力加固法（c）图11-5几类加固法改变受力体系加固法是通过增设支点（柱或托架）或采用托架拔柱的方法以改变结构的受力体系。增设支点可以减小结构构件的计算跨度，使得结构受力体系和受力状况发生改变，降低计算弯矩，大幅度地提高结构构件的承载能力及刚度，同时缩小裂缝宽度。当对增设的支点施加预应力时，效果更佳。该方法多用于大跨度结构，但会减小使用空间。11.2.2土木工程结构的加固5．改变受力体系加固法11.3工程防灾减灾的前沿技术123振动台试验与建筑风洞试验结构振动控制技术结构健康监测技术11.3.1振动台试验与建筑风洞试验电液伺服地震模拟振动台是抗震试验研究领域中重要的试验设备之一。我国近期建设的一批重要的建筑都进行了抗震试验，如上海东方明珠电视塔、上海世贸国际购物中心、上海环球国际金融中心等。如图11-6所示为高耸结构的振动台试验。1．振动台试验11.3.1振动台试验与建筑风洞试验图11-6高耸结构的振动台试验11.3.1振动台试验与建筑风洞试验风荷载会引起高层建筑、高耸结构以及大跨度空间结构较大的结构反应，使得结构刚度和舒适度的要求越来越难以满足，有时甚至会威胁到建筑物的安全。当气流流经非流线型的大型建筑物时，将在结构上产生气动力，呈现出复杂的流固耦合作用效应，主要表现为气流的分离、再附、旋涡的形成和脱落以及尾流的发展，因此，在建筑林立的地区，风效应十分复杂。2．建筑风洞试验11.3.1振动台试验与建筑风洞试验另外，高大的建筑物和建筑群建成后也会显著改变城市近地面层风场结构，出现过去没有的局地强风现象，从而引发建筑物的门窗和建筑外装饰物等破损、脱落等事故。在一些建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适，甚至产生伤害。鉴于以上原因，我国的《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中规定，当多个建筑，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，一般可将单独建筑物的体型系数乘以互相干扰增大系数，体型系数必要时宜通过风洞试验得出。11.3.1振动台试验与建筑风洞试验因此，通过风洞试验来确定大型建筑物的风荷载，测定其动力参数和动力响应，检验其气动稳定性，分析其抗风安全性、适用性与可靠性对于该类建筑物的抗风安全具有十分重要的意义，北京SOHO中心的风洞试验如图11-7所示。图11-7北京SOHO中心的风洞试验11.3.2结构振动控制技术1）基础隔振基础隔振是在结构的上部与基部之间设置一种隔振消能装置的控制技术，是被动控制的一种，它主要通过减小地震时向地表传输的能量，来减小结构的振动，如图11-8所示。基础隔振能明显降低结构的自身振动频率，非常适用于中低层建筑，但隔振只对高频率的地震波有效用，对高层建筑并不适用。1．被动控制11.3.2结构振动控制技术图11-8建筑结构隔震11.3.2结构振动控制技术2）吸能耗能减震吸能减振是通过附加子结构，使结构的振动位移、能量重新分配，从而减小结构振动。耗能减振是在结构体的某些部位（如节点和支撑部等设置）耗能阻尼机构，继而通过这种机构对结构施加控制力，快速减小结构振动。耗能减振和吸能减振的装置主要有摩擦阻尼器、黏性液体阻器、调谐质量阻尼器、金属屈服阻尼器、质量泵和液压质量控制系统等。11.3.2结构振动控制技术主动控制通过传感器将监测得到的信息导入计算机内，由计算机根据设定好的计算公式算出应施加的力的具体信息，最后，由外部能源提供能量，施加给结构其所需控制力，进而快速起到减小结构振动的效果。主动控制是一种需要外部能量供给的控制技术。是否具有能量耗损和完整的反馈控制回路是其与被动控制技术的主要区别。尽管主动控制技术更为复杂、造价昂贵并且难以维护，但对于高层建筑建筑而言。主动控制应用了现代尖端的结构控制技术，对结构振动情况实施实时追踪和预测，令结构设计与系统性能达到最佳，防震效果十分明显。2．主动控制11.3.2结构振动控制技术半主动控制通过用小功率能源调整结构的动力参数来减少结构的振动，属于参数控制，控制过程依赖于结构的反应情况和外部的激励信息。半主动控制由于具有所需外部能量较小、维护要求不太高、更为经济等优势，因此具有较大的研究和应用开发价值。磁流变液态阻尼器和电流变液态阻尼器是半主动控制系统未