工程抗震及震害评估

摘要：地震对工程有极大破坏性，本文从抗震角度分析了地震工程现象及其成因，针对各种工程现象的抗震方法和震害评估。 
关键词：抗震 地震工程现象 成因 抗震方法 震害评估 　　 
　　1.地震工程现象及成因 
　　当地震发生时，地面剧烈颠簸摇晃，直接破坏各种建筑物的结构，造成房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等等。地震对于建筑物拥有巨大的破坏力，因为建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。简单地说，建筑物破坏有三种方式：上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数时候是三种方式的复合作用。 
　　纵波使建筑物上下颠簸，力量非常大，建筑物来不及跟着运动，使底层柱子和墙突然增加很大的动荷载，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层柱、墙的承载能力，柱、墙就会垮掉。底层垮掉后，上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样，又使第二层压坏，发生连续倒塌，整个建筑直接“坐”下来，原来的第三层瞬间变为“第一层”。 
　　面波使建筑物水平摇摆，相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力，若底部柱、墙的强度或变形能力不够，就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒，在震区常常看到这种现象。 
　　第三种作用是扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的，也有的情况是因为面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的。这种情况引起建筑物扭动。建筑物一般抗扭能力较差，很容易扭坏。震区有的房子角部坍塌，多属这种情况。 
　　一旦碰到上下颠、左右摇、扭转，三种方式共同发生，破坏力就更加可怕。在离震中较近的范围，往往三种方式交织作用，所以破坏力很大。 
　　此外，每个建筑物都有自己特定的自振频率，如果这个频率与地震作用的频率接近，还会引起类似共振的效应，那样带来的破坏力就更大了。 
　　还有一种破坏形式叫“液化”。如果建筑物基底是粉细沙，房子建在上面，当大地摇动时，沙粒向旁边跑，房子就会往下沉，引起倾斜甚至倒塌。 
　　2.针对各种工程现象的抗震方法 
　　2.1 各类结构变形能的构造抗震 
　　结构在地震作用下的损坏程度与变形特别是楼层的层间变位角有明显的对应关系。因此，对于采用变形要求作为不同性能指标的结构能得出抗震措施的初步定量关系。若以不倒塌的变形值作为变形能力的基本要求，当要求结构处于轻微损坏或不损坏时，其变形控制值应缩小到不倒塌变形值的某一比例值。但是，根据结构所吸收的地震能量相等的原则，其综合抗震能力应基本保持恒定值。据此，可获得缩小结构变形控制值所对应的结构抗力提高的比例，即结构地震作用效应（内力)的提高系数。这就意味着，在建筑结构抗震时，可利用地震作用效应调整系数来实现不同的变形性能要求。 
　　对于有不同构造措施的建筑结构，在现行《建筑抗震坚定标准》中，为使结构构造对抗震能力的影响系数和局部影响系数，将抗震构造措施对整个结构抗震能力的影响分为整体影响和局部影响两大类。例如，对砌体结构，以抗震横墙间距、房屋高宽比、相邻层刚度比、墙体之间及墙体与楼板的连接、圈梁和构造柱设置作为整体影响的构造，而以墙体局部尺寸、楼梯间构造、出屋面建筑等作为局部影响的构造。对不同的设防烈度、抗震构造有不同基本构造措施要求，当现有结构的构造高于基本要求时，相应的影响系数大于1.0，当低于基本要求时，相应的影响系数小于1.0，这些系数的变化幅度，―般在0.6至1.3的范围内。 
　　按上述思路，考虑到现行设计规范规定的基本抗震构造一般可分为高、中、和低三个等级，相当于将不同的性能要求用不同的等级来表示，但对于不同类型的结构，确定构造等级时所考虑的因素不同。参照现行设计规范的有关内容和要求，对于除规则性要求外的抗震构造，初步划分如下： 
　　2.1.1 砌体结构影响变形能的构造 
　　砌体结构影响变化能力的构造，可将圈梁、构造柱设计数量、位置、截面尺寸和配筋的分级作为重点，而局部墙体尺寸等只考虑其局部影响。例如，多层砖房的构造柱设置数量，可将房屋四角和楼梯间四角设置作为第一等级，房屋隔开间内外墙交接处和楼梯间四角设置作为第二等级。房屋每开间内外墙交接处和楼梯间四角设置作为第三等级；不设置构造柱即与非抗震设计相同。 
　　2.1.2 钢筋混凝土结构影响变形能的构造 
　　钢筋混凝土结构影响变形能力的构造，可将内力调整、柱纵向钢筋和箍筋体积配箍率、抗震墙墙体边缘的布置和构造作为分级的重点，而短柱、框支层、连梁的构造作为局部的影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的钢筋混凝土结构，其基本延性构造要求仍需不同。 
　　2.1.3 钢筋结构影响变形能的构造 
　　钢筋结构影响变形能力的构造，可将内力调整、节点域构造、构件长细比和支撑设置作为分级的重点，而构件宽厚作为局部影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的钢结构，其基本延性构造要求也需不同。 
　　2.2 抗地震扭转破坏方法 
　　通过对多次强地震的总结．人们已意识到建筑结构的规则性对抗震能力有着重要影响。在各种破坏形式中，扭转破坏占大多数。地震对整个结构的扭转破坏与单一构件的受扭破坏是两个不同的概念。前者是使结构的竖向构件出现不均匀受力，从角部构件开始，逐个破坏，后者则类似于延性破坏。结构竖向不规则会形成薄弱层，如不考虑加强措施，薄弱层在地震作用下可能会最先屈服而导致其上部楼层坍落：平面不规则则使结构在地震中表现出明显的扭转破坏特征，产生极大的扭转偏心效应。 
　　一、 采用耦联扭转抗震计算的方法 
　　过去抗震设计时往往只考虑单方向的平移振动，这是一种强迫振动。考虑扭转耦联的计算手段要比这更进一步。单方向的强迫振动产生的刚度并不能代表结构的最薄弱的方向，如对L形．弧形、三叉形等平面，如果不采用考虑耦联扭转的抗震设计方法，将很难找出结构刚度的最弱方向。考虑平动、扭转耦联的刚度，不但考虑了各方向位移之间的相互影响，而且它是一种自由振动，它的振动已不是沿单一方向的强迫振动，而是沿最弱方向，次最弱方向自由振动。由此可知，耦联抗震计算是一种更为接近实际的设计方法，它所产生的各个周期和振型都是三维的，都有三个分量，一般不能严格区分出某一方向的振型。由此可见，即使是对称和规则的结构具抗震设计也应考虑平扭耦联。这种耦联产生的地震力一般要比不考虑平扭耦联时大，一般来说．结构越不规则，平扭耦联反应也就越大，产生的地震力也就越大。 
　　二、 考虑偶然偏心 
　　由于地震作用的不确定性，常常会引起一些结构的扭转反应，如地震波中存在扭转运动加速度，这在设计计算中是难以精确考虑的。此外，计算假定的结构刚度和质量分布与实际情况不可能很好地符合，以及结构进入屈服或破损的非线性反应过程中各部件的刚度退化也不同，使计算假定与实际情况偏差会更大一些。这些实际存在的偶然因素以及计算假定的缺陷都必须在设计过程中给予适当的修正。国外多数抗震设计规范规定需要考虑由于施工、使用或地震地面运动的扭转分量等因素所引起的偶然偏心的不利影响。对于平面规则(包括对称)的建筑结构也规定了偶然偏心；对于平面布置不规则的结构，除其自身已有的偏心外，还要加上偶然偏心。抗震规范中，对平面规则的结构，采用增大边榀结构地震内力的简化方法考虑偶然偏心的影响。对于高层建筑而言，增大边榀结构内力的简化方法不尽合宜，因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3―2002直接取各层质量偏然偏心为0．05 Li(Li为垂直于地震作用方向的建筑物总长度)来计算地震作用。并且高规明确提出关于位移比的计算应考虑偶然偏心。可见，结构的扭转控制应在考虑偶然偏心的前提下进行。 

 

 

　　2.3 地震中砂土液化的工程防治方法 
　　以往的大地震中，均有大量砂土液化震害实例，砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和人员伤亡，给人类带来巨大灾难。 
　　如果评定的结果认为，砂土地基具有发生液化破坏的危险时，则首先应当尽量避免直接用可液化的砂土作为建筑物地基。不能做到时，可考虑采用适当的措施来提高砂土的抗液化能力，以防止或减轻地震时建筑物的破坏。 
　　加密是一种广泛采用而行之有效的措施。目前采用的有振冲加密法、砂桩挤密法、强夯法和爆炸加密法等几种。 
407b　　一、振冲加密法。在砂土地基中插入圆筒形的振冲器。它的下端和上部各设有喷水口。筒内竖轴带动偏心块作水平高速旋转，产生水平向高频振动。振冲器能够一边振动，一边射水，下沉到预定的深度。砂土在强烈振动后，土颗粒重新排列，被振动加密。在振冲形成的孔中灌注碎石，形成碎石桩，可以消散地震时在砂土地基中产生的超孔隙水压力。 
　　二、砂桩挤密法。利用振动作用将一根钢管打人土中，然后从管内灌入粗砂，一边振动，一边将钢管上拔，一边将砂石夯实，并挤实周围的砂层。由于砂桩常填以较粗的砂粒料，桩身可以使地基加速排水，加上砂土被振动和加密，处理的效果比较显著。 
　　三、强夯法。即强力夯实法，它是将8 t～30 t的重锤，从6 m～30 m的高处自由落下，在土中产生压缩波和很大的应力，把土体加密，以提高其承载力、降低其压缩性和提高其抗液化能力。 
　　四、爆炸加密法。在需要加密处理的地基土中，按规定深度埋设一定量的炸药，对地基土爆炸压密，提高其抗液化能力。 
　　此外，筏片基础、箱型基础对于在液化地基及软土地基上提高基础的抗震性能有显著效果。筏片基础和箱型基础整体性好，可以较好地调整基底压力，有效地减轻因大幅度振陷而引起的基础不均匀沉降，从而减轻上部建筑的破坏。 
　　3.震害评估 
　　震害评估包括对地震强度、结构破坏形式、人员伤亡、经济损失等进行评估，提出可能采取的抗震救灾措施。震害评估可分为震害预测(震前评估)、震时评估及震后评估三种形式。震害预测主要是根据一定的抗震分析方法，根据城市的地质构造条件、结构抗震性能分析及历史地震等因素，对可能出现的震害进行评估。震时评估，是指主震发生后，地震工作者实时对现场震害情况和可能发展趋向做出评估。震后评估是指地震结束后，通过全面细致地现场调查、计算，对震害做出全面评估。 
　　在传统的震害评估方法中，建筑物破坏程度分为5个档次，即倒塌、严重破坏、中等破坏、轻微破坏及基本完好。地震强弱程度可由宏观烈度表示。但传统方法效率较低，难以满足抗震救灾的要求。GIS、GPS及RS等高新技术的出现可以提高震害评估速度，GIS在震前、震后评估方面均有应用，GPS应用得并不多，一些地震工程专家利用RS对震后评估进行了研究。目前在震后评估研究中，RS多侧重在识别房屋倒塌率的研究上。理想的“3s”技术是将GIS、GPS及RS有机地结合与集成，构成“3s”体系。这种集成可以是“松散集成”也可以是“紧密集成”。由于GIS、GPS、RS各有所长，在震害评估中单独利用一种技术，均有不足之处，若利用“3s”技术并结合传统震害评估方法，将提高震害评估效率。 
　　GIS、GPS及RS等高新技术的出现可以提高震害评估速度。但这些方法本身也有很多不足，除它们之问通过集成互补外，还需要传统方法对其进行补充、修正。高新技术与传统方法的结合应用是数字防震减灾的发展方向。 
　　 
　　参考文献： 
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　　[3]牛瑞利，砂土地震液化及其防治，山西建筑，2005，114~116 
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　　[5] GB 50007―2002，建筑地基基础设计规范[S] 
　　[6] 朱敏，冯仲科，徐志敏，数字震害评估的发展及应用，地震工程与工程振动，2005，111~112