地震破坏模型范文（精选7篇）
地震破坏模型 第1篇
关键词：地震破坏模型,地震损伤指标,双参数破坏模型
0 引言
近几年来世界各国发生的大地震, 如1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震的震害都表明, 按照现行的建筑规范设计的结构总体上保证了“大震不倒”的安全目标, 但地震造成的损伤非常严重, 结构使用功能已经基本丧失。因此, 美国学者Bertero等提出了基于性能的抗震设计思想及方法[1]。
为了灵活、合理地考虑地震设防水准和结构性能水平的要求, 很多文献中提出了钢筋混凝土结构三水准抗震设计的地震损伤性能目标, 并在此基础上提出了相应于小震、中震和大震作用下的结构损伤指数D[2]。为了合理的反映影响结构破坏的因素, 结构损伤模型的选取是关键。目前, 地震工程界较为一致的看法是, 变形与累积耗能的联合效应是引起结构地震破坏的主要原因。其中最具有代表性的是Park模型[3], 以后的许多模型都是在该模型的基础上建立起来的。因此, 合理的地震破坏模型应当是变形与耗能的适当组合。
随着对阻尼耗能问题的深入研究, 人们开始认识到, 输入结构的地震能量是由结构的滞回耗能和结构的阻尼耗能所共同消耗的, 结构的阻尼耗能对结构的破坏也起着不可忽略的影响[4]。从这方面讲, 只考虑了滞回耗能的结构地震破坏模型, 而低估了结构的损伤程度。为此本文将在分析以往各种双参数破坏模型的基础上, 提出一种关于构件的可以考虑到阻尼耗能对结构损伤造成影响的破坏模型。
1 地震破坏模型
1.1 现有的几种双参数破坏模型
Park等[3]基于一大批美国和日本的钢筋混凝土梁柱试验结果, 提出了钢筋混凝土结构的双参数地震破坏模型, 破坏指标为:
其中, δm为地震作用下结构的最大变形;δu为单调荷载下的极限变形能力;Qy为屈服强度的计算值;dE为吸收的滞回能增量;β为循环荷载的影响系数, 并根据试验资料确定了其中各参数的计算公式。由于变形和能量双参数破坏准则, 反映了破坏是由大的荷载幅值和循环的重复加载效应联合作用所引起的这一事实, 较好地解释地震波三要素各自对结构破坏的影响, 从而获得了广泛的支持。
Park-Ang双参数地震损伤模型并非很完善, 存在的主要问题是[5]:1) 它不能反映构件极限滞回耗能随累积幅值的变化情况, 即认为构件极限滞回耗能仅与最大位移幅值相关而与加载路径无关, 与试验结果不符;2) 采用线性组合模式虽形式简单, 但缺乏依据, 大多数学者倾向于非线性组合模式;3) 组合参数β不易确定, 尽管Park等给出了估算组合参数β的经验公式, 但其统计离散性较大。组合参数β的非确定性会给构件损伤评估结果带来相当的误差。
国内的学者也做了许多工作, 陈永祁等[6]根据我国的震害资料提出延性比μ和能量指标η的双重准则:
(μ-0.676) (η-0.676) =1.403 (2)
其中,
江近仁、孙景江[7]对国内45个砖墙的循环试验结果进行分析, 提出了砖结构的双参数地震破坏模型, 破坏指标为:
其中, Xm为最大变形;ε为滞回耗能;Q为强度;Xy为名义屈服位移。该破坏指标对应墙体彻底破坏的均值为14.61。
欧进萍[8]在分析钢结构的地震破坏时, 提出如下破坏指标:
其中, Xm, ε分别为结构最大变形、滞回耗能;Xu, εu分别为结构极限变形、极限滞回耗能。
牛荻涛等[9]对钢筋混凝土结构提出与式 (4) 类似的地震破坏模型:
王东升等[5]基于剩余寿命等效的概念并针对Park模型的不足之处, 提出了钢筋混凝土构件地震损伤改进模型:
其中, Ei为第i个滞回圈所包围的面积 (即滞回耗能) ;βi为能量项加权因子, 与加载路径有关;β为组合参数, 与式 (1) 相同。给出了能量加权因子βi的计算方法。改进的地震损伤模型规格化最大位移与规格化滞回耗能是非线性组合, 可以近似考虑加载路径对损伤的影响。
上述几种双参数破坏模型大都是以Park模型为基础发展出来的, 式 (1) 的物理意义不够明确, 且不便应用。将式 (4) 变形与耗能以同样的指数进行组合, 不能反映地震作用下结构的最大反应与累积损伤界限相互影响的规律。式 (5) 能够较好地反映结构地震破坏的规律和震害事实, 但变形指标的系数为1, 是不合理的。
1.2 结构地震损伤指标
损伤指标D是描述结构或构件受损程度的变量。一般定义为结构或构件反应历程中某一累积量与相应的指标极限允许量之比[10]。对于不同材料或不同破坏特征的结构, 其损伤累积模型亦不相同。损伤变量具有如下数学性质[11]:1) 损伤变量D的范围应在[0, 1]之间, 当D=0时, 对应无损伤状态;当D=1时, 意味着结构或构件完全破坏。2) 损伤变量D应为单调递增的函数, 即结构损伤向着增大的方向发展, 且损伤补可逆。
2结语
地震局破坏性地震应急措施方案 第2篇
第一条为了加强对我市发生破坏性地震时应急活动的管理，及时高效的做好抗震救灾工作，减轻地震灾害造成的损失，根据《破坏性地震应急条例》和《**省破坏性地震应急预案》，结合我市实际，制定本预案。
第二条地震应急工作要在市政府领导下实行统一管理，坚持分级分部门负责的原则，具体做好本部门的地震应急工作。第三条市地震局负责指导和监督全市地震应急工作。各县、市、区地震部门负责指导和监督本行政区域内的地震应急工作。第四条凡在我市行政区域内从事破坏性地震应急活动，必须遵守本预案。第二章应急机构第五条市政府成立抗震救灾指挥部。政委由市委书记兼任，总指挥由市长兼任，副总指挥由副市、军分区司令员、驻军部队首长兼任。成员由市直有关部门负责参加。其职责是：在市委、市政府的领导下，统一指挥、组织、协调地震抢险救灾工作。指挥部设在市地震局，震前日常工作由市地震局负责。第六条指挥部设以下办事机构：(一)办公室。主任由市政府秘书长兼任。负责提供震情、震灾等方面的信息和救灾论破坏性地震应急管理信息系统设计 第3篇
我国防震减灾工作分为监测预报、震灾预防、应急救援三大体系, 各体系相互关联、相互依托。本文的研究目标是借鉴国内外先进经验, 并结合汶川大地震实际, 建立一套有减灾实效的破坏性地震应急管理信息系统, 该系统建成后能够快速地应对地震危险区的各项震前应急工作, 当破坏性地震发生后还能够指导灾害评估、应急救援、趋势判定等, 从而最大限度地减轻地震所造成的损失和危害。
1 汶川大地震应急管理过程中存在的问题
2008年5月12日四川汶川8级特大地震发生后, 各级政府抗震救灾的初期响应快速、有效, 信息透明、协同应对, 但仍然存在以下一些问题:
第一, 自然灾害救助应急预案的分级标准及其灾害风险评估标准存在一定的缺陷。国家减灾委灾害救助的先期响应级别是二级响应, 级别不够到位, 当然当天夜里很快改为一级。这反映出, 灾害的评估和会商的不到位, 国家无法对灾区的灾情第一时间内给出准确的评估。
第二, 这次灾害的初期应对过程中, 发挥抗震救灾及其他有关领域专家作用的应急决策咨询机制启动滞后。本来灾害一发生, 我们就应该启动有关的专家咨询机制, 但直到5月21日, 国家汶川地震专家委员会才宣告正式成立。
第三, 我们固有最大的脆弱性是事发前的风险感知往往很慢。我们平常最大的问题是事前的风险感知往往较慢。这次地震的总体震情是不需要逐级汇报的, 中央政府可以第一时间获知信息, 而其后的具体灾情及其有关次生灾害、其他种类的灾害或突发事件的有关信息往往都需要逐级向上汇报以后中央政府才能感知。
2 地震应急管理信息系统基本功能结构
从理论上说, 破坏性地震应急管理信息系统主要包括以下几个子系统, 一是信息收集与管理系统, 二是分析会商管理系统, 三是应急决策指挥管理系统, 四是通信与后勤保障管理系统。然而, 由于地震的不可预测性, 导致其在预测预警上失去了功能, 从而使得应急决策指挥管理系统显得格外重要, 本文也将重点分析这一子系统。
管理信息系统在破坏性地震应急响应中的应用主要内容包括:对各类数据资源收集整理、提供查询、编辑等功能, 应用有关分析软件对收集的数据资源进行分析、会商, 一旦确定某地区可能进入短临跟踪区, 迅速启动应急预案措施, 加强短临跟踪, 预报区内或预报区外发生后破坏性地震后, 系统的震后应急相应功能立即启动, 一方面根据资料情况进行震后趋势判定, 快速评估相应系统主要依据根据地震基本要素及发震地区的基本情况初步确定地震造成的损失, 如何开展应急救援和现场震害调查等。连接所有子功能的是通信系统, 如使用.NET分布式服务从网上收集数据, 地震波形数据实时传输、地震应急指挥时的前后方视频会议等。
3 应急指挥决策子系统功能与结构
应急指挥决策系统是本文管理信息系统应用研究的一个最重要方面, 重点做好短临跟踪区及破坏性地震发生区的应急工作, 能有效减轻损失, 保障国民经济快速健康发展, 促进社会和谐有非常重要的现实意义。本文利用GIS技术建立一套地震应急决策指挥系统, 作为地震应急管理信息系统的一部分。
作为破坏性地震应急管理信息系统研究的重要内容之一就是开发基于GIS的地理信息系统 (Geographic Information System) , GIS是以地理空间数据库为基础, 在计算机软硬件支持下, 对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示并采用地理模型分析方法, 适时提供多种空间和动态的地理信息, 为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统件。主要包括以下一些基本功能:
(1) 采集、管理、分析和输出多种地理空间信息。
(2) 以地理研究和地理决策为目的, 以地理模型方法为手段, 具有空间分析, 多要素综合分析和动态预测能力, 并能产生该层次的地理信息。
(3) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理, 并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法, 快速、精确、综合地对复杂的地理信息进行空间定位和动态分析。
(4) 结合设定的灾害预测模型模型对破坏性地震震区进行危险性判断, 为紧急救援工作提供综合判据。
(5) 作为背景数据库提供给分析会商子系统, 获取预测区的未来地震趋势。
地理信息系统是破坏性地震应急决策指挥系统的核心, 它为地震的应急决策和现场处理提高准确的信息, 使得政府能够在地震发生后第一时间判断地震的破坏程度, 灾区的气象条件等, 为启动应急预案, 专家会商和风险信息的监测、报告、分析、预警与发布等提供第一手资料。
GIS平台是决策指挥系统的信息中枢, 它捕获信息的准确性直接影响的破坏性地震的评估、决策和处理, 因此, 建立GIS平台, 尤其是在地震带建立GIS平台, 是一件紧迫而重要的事情。地震快速评估响应系统, 是通过GIS平台获得的数据, 进行进一步分析, 从而获取灾区基本信息和对地震经济损失和人员伤亡评估, 从而决定需要派遣何种人员赶赴灾区, 以及灾区需要物质的种类和数量, 为地震信息发布和启动应急预案提供支撑。
4 结论
汶川大地震使得公众对政府有了一个新的认识, 这个认识是基于政府的抗震救灾的工作成效的。从整个地震后, 政府的反映来看, 我国的应急管理体系已经取得了一定的成绩, 但尚存在一些不足, 需要我们进行深入的研究。在信息化时代里, 信息的重要性日益体现, 如何利用信息化手段提升应急管理水平也成为一个重要的课题, 政府也要充分认识到这一点, 发挥各方面力量, 打造应急管理信息系统, 使得在灾害发生第一时间内做到, 快速、高效、准确的预报、决策、指挥和处理。
参考文献
[1]李红臣, 邓云峰, 刘艳军.应急预案的形式化描述[J].中国安全生产科学技术, 2006, (4) :29-34.
[2]姜立新.我国地震应急指挥技术体系初探[J].自然灾害学报, 2003, (2) :20-28.
[3]陆远忠, 李胜乐, 邓志辉等.基于GIS的地震分析预报系统[M].成都:成都地图出版社, 2002.
破坏性地震应急预案 第4篇
一、组织保障
成立地震应急宣传报道组，由xx宣传部、xx广电局等单位组成。
二、工作职责
对地震事件按平时、临震前、震后及地震谣传发生时等四种状态有所侧重进行报道。
三、应急程序
县内发生有感以上地震、或受邻区波及县内有感时，在测定三要素后，通过电话、传真等方式迅速传递至地震应急宣传报道组成员单位。
四、应对措施
严格按照县抗震减灾指挥部的工作要求，正确把握新闻宣传口径和方式。
(一)根据相关部门拟定涉及震情的新闻报道方案和发布内容，采用适当方式发布和报道，及时、准确报道震情;
(二)积极配合地震部门做好防震减灾知识、避震疏散知识的应急宣传;
(三)自觉接受社会监督，严格按照规定内容播发与震情灾情有关的新闻，并认真审核与震情相关的新闻稿件;及时收集制作反映灾情的文字、图片资料;
(四)积极做好抗震救灾宣传和对地震应急、抗震救灾典型事迹的报道。
(五)加强广播电视与地震、科技、教育、文化等相关部门、单位的通力协作，开展防震减灾科普知识普及和宣传教育，不断提高公众减灾意识和心理承受能力，增强社会公众的地震应急意识，提高自防、自救、互救能力;广泛动员社会公众积极参与防震减灾活动。
(六)针对无确切原因和来源，无中生有地产生并通过非正规途径进行社会传播的地震谣传，严格按照地震部门报经县人MIN政府批准的宣传口径，播发有关辟谣的新闻报道或公告;充分利用广播电视新闻宣传正确的舆论导向，及时组织进行辟谣，以正视听，平息地震谣言和误传，稳定群众情绪和社会秩序。
五、其他事项
地震破坏模型 第5篇
2008年5月12日14时28分,在我国四川地区汶川发生8.0级地震,最大烈度达到11度,造成当地及周边地区重大人员伤亡和财产损失。给我们震撼最大的莫过于很多中小学校在这次地震中的遭遇。在如此强烈的地震发生情况下,学校教学楼倒塌、破坏严重,说明功能特点决定其在同类结构形式的建筑中抗震性能相对较差。地震情况下结构受力体系有待进一步研究,应采取进一步措施减少这种震害的发生。
1 教学楼结构不利抗震的成因探讨
学校建筑一个最大的特点就是必须要有大空间,这个使用要求导致了教学楼具有较大的横墙间距,这就直接削弱了房屋的整体刚度,尤其是横向刚度。地震时在强烈的水平地震力作用下,横向刚度的不足使得教学楼结构较一般的民用建筑更加容易变形、倒塌。
2 结构设计时的应对措施
2.1 悬挑走廊改为走廊有柱的结构体系
悬挑走廊式,进深方向只有一跨,结构整体不稳定。走廊有柱的结构,结构富余度多,超静定次数多,对抗震有利。框架主梁的弯矩比单片框架小,变形减小,相应的梁截面尺寸减小,梁柱的刚度比下降,符合“强柱弱梁”的设计理念,整个房屋的横向刚度得到加强。在地震情况下,结构的局部构件破坏便于力在其他构件中重新分配,余下部分有足够的刚度和承载力能够承受较多地震作用,是安全而可靠的抗震结构体系,不会使房屋倒塌。走廊有柱不会影响到建筑上的使用,走廊宽度也可以加宽,不受悬挑长度的限制,有利于学生的课间活动和紧急情况下的疏散(见图1,图2)。
2.2 设置柱间支撑增加框架结构的抗侧刚度
设置柱间支撑提高了框架结构的横向刚度,柱间支撑既可以采用钢结构也可以采用钢筋混凝土结构。在水平地震力情况下柱间支撑限制了框架柱的水平位移,支撑承受拉力和压力,柱间支撑与框架柱的水平力分配根据变形协调条件进行分配。通过柱间支撑把一部分水平力传到了基础,减轻了框架柱受水平剪力,延缓了结构的破坏。柱间支撑设在有横向填充墙的位置,填充墙后砌,不影响房屋的使用。缺点是不能每间设置,地震变化是错综复杂的,对水平地震力的贡献也是有限的。
2.3 设置部分剪力墙增加框架结构的抗侧刚度
设置剪力墙提高横向刚度,剪力墙和框架柱协同工作。历次地震中,钢筋混凝土框架结构破坏严重的原因就是框架结构的刚度小,变形大。减小钢筋混凝土结构地震破坏的有效途径之一是增大结构的刚度。钢筋混凝土剪力墙抗侧、抗扭刚度大,小震作用下的变形小,承载力大。设置部分剪力墙与框架柱协同工作,一起抗力。
2.4 钢筋混凝土柱改为钢骨混凝土柱
由于用于学校教室,需要大开间,设置斜撑、剪力墙不能在每一横向柱间设置,只能在不影响使用条件的情况下,在砌筑填充墙的柱间设置。在钢筋混凝土柱内配置型钢,就成为型钢混凝土柱。由于配置了型钢,承载力比钢筋混凝土柱大大提高,尤其是抗剪承载力有很大提高,改善了结构的抗震性能(见图3)。
2.5在钢筋混凝土柱截面的中部设置圆钢管
在钢筋混凝土柱截面的中部设置圆钢管,成为钢管混凝土组合柱(简称组合柱),组合柱由钢管混凝土与钢筋混凝土组合而成,其截面如图4所示。组合柱增强了柱端塑性铰区的转动能力,延缓小偏心破坏的过程,使小偏心受压破坏的柱具有一定的延性,提高大偏心破坏柱的延性;核心钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力,即使是短柱,也可以做到强剪弱弯。
2.6加强框架房屋角柱的设置
加强角柱的设置影响房屋的抗扭刚度,地震时房屋不仅受横向和纵向地震力,角柱和剪力墙一起设置可以大大提高整个房屋的抗扭刚度,减少扭转,防止房屋倒塌。角柱的箍筋全高加密,角柱的主筋要适当放大。
3结语
每一种应对措施都有它的优缺点,在抗震设计中根据房屋的实际情况可以用一种,也可以同时用几种。相信经过我们的努力一定能够造出“小震不坏,中震可修,大震不倒”的建筑。
参考文献
[1]梁献超,李宏.学校建筑抗震性能的思考[J].江苏建筑,2009(3):11-12.
[2]GB 50011-2001,结构抗震设计规范[S].
[3]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].
[4]JGJ 3-2002,J186-2002,高层建筑混凝土结构设计规程[S].
地震破坏模型 第6篇
1 地震对结构工程的破坏类型
由于地震产生的地表错动, 而造成地表建筑的破坏, 即地震对结构工程的破坏。对不同的工程结构, 地震对其的影响也不尽相同。
1.1 地震对桥梁的破坏
由于桥梁分为两部分结构, 上部分和下部分机构, 因而地震对桥梁的破坏也只要表现在两个方面:桥梁对桥墩的破坏及桥梁对上部分的破坏。桥梁对桥墩的破坏主要是, 使桥墩产生剪切和弯曲破坏, 一般而言, 桥墩的受力是竖向的, 存在不同程度的偏心, 但这种偏心很小, 只有在强震下, 桥墩可能承受过大弯矩, 指示桥墩一侧的混凝度开裂甚至被压碎;而剪切破坏则更大, 极易出现桥梁整个坍塌。地震对桥梁上部结构的破坏也是十分多发的。对铁路桥梁来说, 地震可能导致其铁轨弯曲变形, 无法通行。
桥梁破坏原因:地震发生时, 地震波传到地基, 使桥机发生水平和竖直振动, 从而在桥梁各部位产生惯性力, 使桥梁结构受力变形, 当结构抗力不足以抵御地震荷载时, 桥梁就会被地震破坏。
桥梁抗震措施:首先做好桥址选择调查工作, 除了需要了解区域性的地震烈度外, 还应考虑局部地形、地貌、地质条件对桥梁震害的影响, 采取合理的抗震措施。注意绕开地震时可能产生滑坡、崩塌地段;暗河溶洞等岩溶地段;河槽构建软弱地段;地震倒塌严重影响交通公路地段。
1.2 地震对房屋建筑结构的破坏
近几年来发生的各大地震, 其中毁坏最多的, 就是对房屋结构的毁损。记忆就以四川发生的两次巨大地震, 汶川地震和芦山地震来说明。这两个地区的都位于四川较偏远地区, 经济不发达, 这些地区的房屋大部分是由木材建造而成, 抗震性能较差, 在地震的作用下, 很容易坍塌。具体的破坏形式为:墙体的剪切破坏和地震的产生的局部应力集中破坏。
房屋破坏原因:房屋的建设都有其一定的刚度, 一定让外力作用引起的形变, 地震波引起地面震动, 通过基础传给房屋建筑物, 引起房屋建筑物本身的震动, 而通常房屋是按照静力设计的, 对于动力的影响考虑较少, 当地震振度超过房屋建筑物自身的形变能力时, 就会被地震破坏。
房屋抗震措施:不同的房屋类型有不同的抗震措施, 以下就介绍4种不同房屋类型, 根据房屋特点制定不同房屋抗震结构:四脚落地式房屋的主要抗震措施有:在梁柱节点处加斜撑, 屋价间加剪力撑;山柱移至里墙皮;隔墙采用轻质材料;屋顶做成泥顶或瓦顶。硬搁式房屋的主要抗震措施:水泥白灰混合砂浆砌, 主墙体;檐口转角部位可配置适当钢筋;中间的两个人字架屋顶用螺栓与外墙锚固定在一起;屋架之间用剪刀撑来加强稳固性。屋面可用水泥或粘土瓦制成。平顶式房屋主要抗震措施:门架梁柱间加斜撑;屋面厚度不超过20厘米;土柱檐间加斜撑;内外墙同时咬砌;烟囱不能削弱墙体。硬山搁檩四出檐式主要抗震措施:一般情况下, 砖房或土房设计成“硬山搁檩”结构可增加抗震能力, 该房外墙厚37厘米, 内墙24厘米, 在檐头转角和丁字接头部位可适当配用钢筋或8号铅丝, 注意檩条与墙的锚固。可在房屋基础上砌50-80厘米左右的石墙或砖墙柱, 用于防洪, 屋面可做成草顶或瓦顶。
2 有关抗震设防的部分猜想
2.1 抗震工程设防原则
抗震工程原则是抗震设防的主要目的和要求。这些原则概括起来包括为:
第一, 减少地震对财产损失;第二, 减少地震所造成的人员的伤亡;第三, 确保人员的伤亡数量;第四, 保证建筑工程在一定范围内, 地震时受到最低损害, 必须要便于震后修葺;第五, 要确保工程和设施在地震时的安全, 不得有害物质向外泄漏, 不发生严重的次生灾害;第六, 确保工程和设施中在地震中遭遇损害后能继续运行。
2.2 设防目标
针对设防原则的要求而制定的目标即设防目标。以我国的抗震设防“大震不倒, 中震可修, 小震不坏”标准为例, 就是设防目标中的一种。世界各国对设防目标都有各自不同手段措施, 例如, 我国国务院制定的防震减灾十年目标;日本东京的8级大震的能力设防制定;美国明文规定, 抗震设防增加的费用, 不应超过期望的地震损失目标费用等, 这些都属于国家的抗震设防目标。准确的来说, 部分设防原则中, 同时也包含了设防目标, 上文提到的设防原则中的第六条原则, 确保工程和设施中在地震中遭遇损害后能继续运行, 保障地震后, 对人员的损伤在可控制的范围内, 不得超过社会规定水平。不同地区可以根据当地的经济情况和人口密集度, 制定合适的、适用于本地区的具体设防目标。
2.3 设防环境
由地震危险性的分析或地震区规划图给出地震危险性程度, 来模拟设防工程应处在怎样的地震危险环境中, 确定设防环境。一般来说, 这取决于人们对地震所造成后果的了解程度, 专业人士对地震所造成的损耗预估是否正确, 而不应全凭人们的主观意愿和社会经济的发展水平决定。确定设防目标和设防标准, 需要以设防环境为重要依据, 设防标准的过高或过低, 都会给社会发展带来不利影响。低估设防环境标准会造成震后的惨重损失, 而高估设防环境标准则会导致巨额资金的浪费。
2.4 设防水准
根据客观的设防环境和正确的设防目标, 综合考虑实际社会经济条件, 确定设防参数, 又比如说, 根据地震强度来选择防御对象。合理的设防水准, 应综合考虑地区的设防总投入及在未来设计基准内, 期望的总损失;当然还包括社会经济条件对地震造成的地表损失的可接受程度。站在工程上的角度来说, 这是一个需要具体优化的问题, 不应该直接采取区域图上对地震的基本烈度或地震动参数来作为设防水准。由于设防目标不具有单一目标性, 所以说, 设防的水准往往也不是单一的。
2.5 设防等级
同一类型的建筑在相同的社会经济环境下, 根据该地区对政经文的重视程度, 以及地震后给社会经济带来的损失影响, 在进行工程设防之前, 对设防目标和设防水准要有不同的要求, 工程设防的等级也不同。一般而言, 重要的设施建筑等, 设防等级高, 同一类型建筑, 针对不同地区不同行业, 采用不同的工程设防等级。总的来说, 建筑的设防等级与建筑物本身的易损性或抗震潜力无关, 以其自身给带社会的效益有关。
3 结束语
根据上文对地震破坏和抗震手段的归纳总结, 得到几点启发与认识:设置抗震工程的设防标准, 要以地震振动为背景。保证建筑在其有效的使用期限内, 减少地震造成的建筑物损害, 对人员的损伤、经济损失等, 其损耗程度不应超过规定的水平或在社会可接受的范围内。工程的结构必须具备抗震能力, 且抗震能力通常根据地震振动的防御水平, 及造成的地表裂度来衡量。由此可以推断出, 社会的经济状况, 直接影响了工程抗震标准的实施范围。根据地震危险度的实际情况, 制定设防环境与设防参数, 落实设防水准和设防等级。
参考文献
[1]赵真.抗震概念设计刍论[D].中国地震局工程力学研究所, 2014.
[2]徐光兴.地震作用下边坡工程动力响应与永久位移分析[D].西南交通大学, 2011.
[3]吴巧云.基于性能的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估[D].华中科技大学, 2011.
[4]陈波.结构非线性动力分析中地震动记录的选择和调整方法研究[D].中国地震局地球物理研究所, 2013.
地震破坏模型 第7篇
建筑物遭遇强震袭击时的倒塌破坏一直是造成人员伤亡和设备损毁的主要根源。由于现代传媒的发展,惨烈的震害现场给人们强烈的视觉冲击,更加引起人们对建筑物抗倒塌问题的关注。如何防止结构物在遭受意外高烈度地震下倒塌也成为一个亟待解决的问题。结构设计时要避免倒塌,对大量现存老旧建筑物也要防止倒塌,但所采取的措施必须基于对结构在极端条件下倒塌破坏过程有深刻的认识才能可靠、有效[1]。我国在唐山地震后就提出“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计目标,这一目标经济合理。在罕遇地震作用下,只要结构不倒塌,便可有效地保护人员生命和财产安全。即使发生极端情况,如果能选择某种“合理”倒塌形式,尽量拓展人员生存空间,就可以减少人员生命和财产损失,对震后救助和家园重建无疑也有重要意义。为此本文综述了各种形式RC剪力墙结构在强烈地震作用下的倒塌破坏机理及结构破坏计算机仿真技术,以改进剪力墙结构设计。
1 剪力墙结构倒塌破坏机理
1.1 联肢剪力墙
设计合理的联肢剪力墙主要靠连梁端部和墙肢底部出现塑性铰来耗散地震能量, 并且连梁出铰在先, 这使得耗能是在整个构件高度上实现,减小了墙体的破坏程度并易于修复。
高层建筑联肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏( 即剪切破坏) 和延性破坏( 即弯曲破坏) 两种。联肢墙的脆性破坏又可以分为两种: 一种是脆性破坏发生于墙肢, 墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏, 会使剪力墙很快丧失承载能力, 甚至造成结构的突然倒塌, 这是设计应该绝对避免的; 另一种是连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁对其的约束作用。联肢墙的延性破坏也可分为两种情况: 一种是连梁不屈服,墙肢首先发生弯曲破坏, 这种墙在破坏时极限变形较小, 但吸收地震能量的能力是较低的; 另一种是连梁先屈服, 最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时, 它能通过塑性铰的变形吸收大量地震能量。同时, 通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力, 对墙肢起到一定的约束作用, 这对于减少墙肢力、延缓墙肢屈服有着重要作用, 从而使联肢墙保持足够的刚度和强度, 这是设计时应首先考虑做到的。研究指出, 为了保证联肢墙的延性要求, 对连梁的延性要求是非常高的。连梁作为剪力墙结构中的主要耗能构件, 由于其在地震作用下的内力较大且对墙肢的影响较大, 使得它在剪力墙的抗震性能研究中占有重要地位[2]。
1.2 短肢剪力墙
文献[3]定义短肢剪力墙一般墙厚不小于200 mm且墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。短肢剪力墙是一种强柱弱梁型的连肢墙,连梁是短肢剪力墙结构的薄弱环节,是一个耗能构件,它的屈服先于墙肢的屈服,且连梁屈服后,由于内力重分布的作用,使材料的性能得到充分发挥。短肢剪力墙结构具有较好的延性和耗能能力,对于层数、层高、墙肢尺寸、材料及配筋都相同的短肢剪力墙,其承载能力随整体性系数的增加而增加,而延性却随之减小[4]。在地震作用下,短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢,截面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,应适当增加肢厚或刚度基本上居于框架和剪力墙之间,另外墙肢相交处存在应力集中现象,有翼墙的短肢剪力墙耗能能力较无翼墙短肢墙好[5,6,7]。短肢剪力墙结构体系具有良好的抗震性能,是一种很值得在7度地震区、20～30层高层住宅建筑中推广采用的结构体系。短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢,当有扭转效应时,这些部位的墙肢会首先开裂,对这些部位应有足够的抗震构造措施 [8,9,10,11,12]。在文献[13]中对剪力墙结构的破坏机理及耗能方式进行了分析,并与试验结果进行了对比,得出了短肢剪力墙结构具有破坏方式比较合理,抗震能力较好的结论。文中认为短肢剪力墙的破坏机理是:由于地震作用,结构的破坏从连梁开始,当连梁全部出现塑性铰后,墙肢底部才出现塑性铰,此时结构形成可变体系而破坏。在短肢剪力墙承担的弯矩中,局部弯矩所占的比例较大;而整体弯矩所占的比例较小,而且随着肢厚比的增加整体弯矩所占的比例减小,而局部弯矩所占的比例增大。另外对于L型和T型两种截面形式的短肢剪力墙来说,普遍存在剪滞效应,导致翼缘板形成正应力集中,使截面处于最不利的应力状态,进而影响构件正截面承载力的充分发挥。由于腹板和翼缘板处的正应力集中,使得构件极有可能在此处提前破坏。此处一旦发生破坏,将会改变腹板和翼缘板共同工作的机制,产生较严重的后果。因此在进行构件的设计时,合理的配筋设计将会使墙肢交汇处具有足够的变形能力,可以避免构件因应力集中而发生提前破坏 [14]。
1.3 底部大空间剪力墙
底部大空间剪力墙结构在地震作用下的反应比较复杂。转换层处不连续的竖向抗侧力构件使得楼层侧移曲线和层间位移曲线在转换层发生突变,地震作用下该处成为整个结构的薄弱层。转换层邻近楼层一方面受转换层的影响,另一方面因为层高的要求,变形也很大。与转换层相邻的上下几层均为整个结构的薄弱部位。地震作用下,可以通过增加落地剪力墙的数量,增大剪力墙的厚度,增强剪力墙配筋的方法,使落地剪力墙承受更多的内力。但是,随着落地剪力墙数量和厚度的增加,一方面能够更好地满足规范关于转换层上下部结构的侧向刚度比的要求,对抗震是非常有利的;另一方面落地剪力墙的内力亦会随结构底部质量和刚度的增加而变大,同时框支柱承担的内力比重逐步减少,这对抗震是不利的[15]。
1.4 框支剪力墙
李国强等[16]对抗震性能较差的框支剪力墙结构进行了试验研究,结果表明:配置型钢可提高转换梁的抗开裂、抗剪能力;试件破坏时塑性铰出现在框支柱的柱顶和柱底处,会发生弯曲破坏;反复荷载作用下,有型钢试件梁柱节点破坏较严重,导致其延性系数小于单调荷载作用的试件。因此,应对框支剪力墙型钢节点作进一步的分析,并提出合理的构造措施。
在框支剪力墙中又出现了钢管混凝土柱框支剪力墙。刘杨等[17]对钢管混凝土柱框支剪力墙结构抗震性能进行了研究。得出了钢管混凝土柱框支剪力墙结构和普通框支剪力墙结构在结构的绝对位移、层间相对位移、内力、层剪重比、自振周期等地震反应上,变化规律大体一致,且各地震反应随着落地剪力墙数量的变化规律也基本同。在具有同样数量和面积的落地剪力墙情况下,按照轴压承载力相等的原则转换过来的钢管混凝土柱框支剪力墙结构较普通框支剪力墙结构,在层位移和层间相对位移上略微偏大,层剪力和层剪重比偏小,同阶振型自振周期偏大并指出对其等效剪切刚度比γ要求更加严格。
1.5 钢骨混凝土剪力墙
钢骨混凝土剪力墙是由钢筋混凝土剪力墙内配置劲性钢骨架而成,因此其抗剪承载力、耗能能力、变形能力以及破坏形态有显著改善。钢骨剪力墙在开裂以前,钢骨与混凝土变形一致,钢骨应力不大,其受力性能与普通钢筋混凝土剪力墙相似。但在混凝土开裂后,随着荷载的增加,混凝土与型钢骨架之间产生明显的内力重分布,型钢的应力逐渐增大至屈服,混凝土逐渐退出工作,这使得剪力墙刚度退化得较为缓慢,在钢骨剪力墙达到极限荷载后,仍然具有良好的承载能力。由于钢骨的存在,整体剪力墙的极限抗剪承载力也有所提高。同时钢骨也约束了混凝土斜裂缝的发展,这使得剪力墙的延性大幅度提高[18]。
1.6 钢板剪力墙
在过去的30年间,对钢板墙的研究大致可分为两部分,即防止内嵌钢板屈曲(加劲或厚板)和利用钢板屈曲后强度(非加劲或薄板)。一批美国和日本的学者曾主要致力于加劲(厚板)性能的研究:钢板墙被设计成在极限荷载下也不发生屈曲的体系,即以钢板的面外屈曲作为设计极限状态。2000年,Adam[19]等人进行了两个单跨单层和一个单跨四层1:4薄壁钢板墙模型试验。研究结果表明,钢板墙具有非常好的承载能力和延性性能,柱子破坏是影响钢板墙极限承载力的主要因素。国内对钢板墙的研究有一定进展。2003年,郭彦林、陈国栋、缪友武[20,21,22,23]等对非加劲板、十字加劲板和交叉加劲板剪力墙结构在单向静力荷载下的抗剪性能和反复荷载下的滞回性能进行了较为深入的研究,并通过对六个1:3钢板剪力墙模型的低周反复荷载作用试验研究,进一步揭示了钢板墙的极限承载力、延性和滞回性能,为钢板剪力墙规范以屈曲后强度为设计准则提供了理论和试验依据。对于钢板墙的破坏特征,文献[24]给出了钢板墙的如下破坏形式:钢板在对角受压区的压屈破坏;连接钢板及周边梁、柱耳板的螺栓发生滑移破坏;钢板在对角拉力带发生拉伸屈服破坏;钢板在对角拉力带因拉伸开裂导致的破坏;边缘梁因弯曲而破坏;边缘柱受压破坏等。
1.7 带暗支撑剪力墙
带暗支撑剪力墙的破坏形态与普通剪力墙类似,也是弯剪型,而最后阶段以弯曲破坏为主。普通剪力墙的裂缝相对较少,其主斜裂缝出现早且发展快,斜裂缝角度约为45。。带暗支撑的剪力墙耗能能力比普通剪力墙有所增加,墙板根部混凝土塑性铰发展较充分。总之,带暗支撑剪力墙裂缝分布域广。这样可以发挥各部分混凝土裂缝在开裂、闭合过程中耗能能力;其主斜裂缝出现较晚而且发展慢,可充分发挥已形成裂缝的延续耗能能力;其裂缝角度有向暗支撑角度逼进的趋势,表明暗支撑有效的控制着斜裂缝的走向,从而更有效底地控制其发展,使之裂缝更多,总体耗能能力发挥得更充分,这是带暗支撑剪力墙可显著提高剪力墙抗震耗能能力的主要原因[25]。
2 结构倒塌破坏仿真技术应用
计算机仿真技术已广泛应用于军事、工业、农业、交通运输和医学等各领域。近年来,计算机仿真技术在结构工程中的应用日益普遍。国内外很多学者已在这方面做了大量的工作,如美国康奈尔大学的Cundall等[26,27,28]用离散元技术模拟了岩石边坡的渐近过程;日本东京大学的学者用离散单元法对钢筋混凝土框架结构在遭遇强烈地震作用时的倒塌过程进行了计算机仿真分析[29,30,31,32];国内清华大学江见鲸等[33]对混凝土构件的破坏过程进行过模拟;顾祥林对混凝土结构基本构件、钢筋混凝土杆系结构在不同外界干扰作用下的破坏过程以及钢筋混凝土框架结构在单调荷载作用下的倒塌反应进行过计算机仿真分析[34]。
结构的倒塌过程是不连续、大变形、高度非线性的,运用解析方法求解非常困难。基于数值方法的计算机仿真分析是解决这一问题的主要工具。在这种方法中,基于构件的模型计算量相对较小,但由于缺乏空间恢复力模型和以截面内力表达的多参数的破坏准则(特别是对于混凝土构件),这类模型还需要完善。顾祥林等[35]论述了解决连续介质问题的方法,并指出这种方法已经不能很好的满足实践的需要,理论研究的热点在于探讨适合非连续介质、大变形行为的数值分析方法,例如离散单元法(discrete/distinct element method, DEM) 、不连续变形分析( discontinuous deformation analysis, DDA) 、流形方法(manifold method, MM) 、无单元法(ele-ment free method, EFM)等。其中DEM方法已经在结构工程领域得到较为广泛的应用[36,37], 基于DEM的结构倒塌反应计算机仿真分析已经有很多尝试,取得了较好的效果[38,39]
运用适合非连续介质、大变形行为的数值分析方法对倒塌过程进行计算机仿真分析具有很好的前景,但要达到理想的精度,其计算过程通常需要极长的时间,这已经成为将有关这些方法的研究成果推向工程应用的最主要障碍之一。解决问题的有效方法是采用并行计算技术。例如,基于消息传递机制(message passing interface, MPI)的并行技术能够在基于Windows系统的普通局域网内实现并行计算,并且不受原有串行程序开发语言的限制,可以充分整合现有计算资源,提高计算速度。并行仿真程序的完善,可以为工程实践提供更为快捷的服务。
但随着计算机的不断更新换代、结构工程领域成果的不断涌现,混凝土结构仿真技术一诞生就显示出勃勃生机,并有很多成果投入工程应用,为人类认识自然提供了一个有力的工具。未来如能在下面一些研究方向上取得突破,计算机仿真技术在结构工程中的应用前景还会更加美好:
(1)不同环境下(老化、腐蚀、高温、多维荷载作用等)材料的本构关系。目前,已有一些成果,但综合应用还有一定的困难。
(2)适合于大变形、不连续位移场的结构分析方法。离散单元法在这方面有很好的应用前景。
(3)结构的倒塌机制。模拟结构在一定环境下是否倒塌会在结构方案比较、事故过程的反演、旧建筑的维修改造以及小区设施的综合防灾规划等方面给决策者提供有力的理论依据[40]。但结构的倒塌过程非常复杂,有很多理论问题需要继续研究,如分离混凝土块体运动轨迹、钢筋断裂释放的能量对分离块体和母体之间的碰撞等[41]。
(4)结构生命全过程多种因素作用下结构反应的仿真。结构的生命全过程可分为建造、使用和老化三个阶段。进行结构生命全过程多种因素作用下结构反应的仿真,可为结构的全过程设计、结构的动态监护、事故原因分析、改建拆建和加固处埋等提供辅助工具。相对于使用阶段,目前,关于结构施工阶段和老化阶段性能的研究较少,因此,阻碍了生命全过程结构反应仿真技术的发展和应用。
(5)结构的损伤累积。生命全过程多种因素作用下结构反应计算机仿真中的最关键的理论问题就是结构(构件)的损伤累积[42]。结构损伤累积主要包括两方面的内容:一是不同因素作用下(如强风、地震、冲撞、爆炸、腐蚀、高温等)结构的损伤累积;二是相同因素多次作用下结构的损伤累积(如主震和余震)。另外,对单一因素作用下结构(或构件)来说,还有按平面分析时的二维损伤累积问题和按空间分析时的多维损伤累积问题。只有弄清结构的损伤机理,才能较准确地模拟结构在各种环境下的反应。
3 结论与展望
剪力墙结构正在被广泛的应用于民用建筑中,因此对剪力墙结构体系在强震作用下的破坏机理的研究具有现实意义。虽然国内外对RC剪力墙在地震下的倒塌破坏分析进行了大量研究,但目前对于整体结构的研究甚少,仍需进一步研究。非线性静力弹塑性分析(Pushover)方法是近年来在国外广泛应用的一种结构抗震能力评价方法[43],该方法比时程分析方法简单,不需要输入地震波和使用恢复力模型,计算量小,而且可以清晰地反映结构在强震作用下各方面的性能,尤其是对反应以第一振型为主的结构,并且还能够很好的反映出结构的整体变形和局部的塑性变形机制[44]。静力弹塑性(pushover) 分析作为对结构抗震能力评估的一种新方法,尽管不能考虑地震动力效应,但它可以满足工程要求,避免了同一结构在不同地震波作用下响应差别悬殊的矛盾[45,46]。尽管静力弹塑性分析在一步一步地侵占动力弹塑性分析的应用领域,但对于高阶振型影响较大的结构、不规则结构以及需考虑的强震特征较多的情形下,实施静力弹塑性分析仍然是当前研究的热点和难点,有待进一步研究。