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大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)建筑物的地震減災摘 要最近的自然災害,暴露了可怕的后果,損害和影響了建筑環(huán)境。看來,最大的挑戰(zhàn)之一,是如何提高社區(qū)舊的建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施抵御自然災害的能力,以提高他們自然減災的表現(xiàn)。通過改善他們的表現(xiàn),建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施對自然災害相關(guān)的風險與可以緩解。建筑物抵抗地震危害的管理,一般的做法是遵循三個步驟的過程中,即篩選,評價和減災。篩查構(gòu)成了初步的評估過程,并將評估優(yōu)先詳細的列出。新的結(jié)構(gòu)根據(jù)規(guī)范進行評價比較建筑環(huán)境,并列出優(yōu)先緩解。改造或更換,可以達到的緩解目的。改造的用意是改善的建筑環(huán)境的性能要求。經(jīng)濟,技術(shù)和環(huán)境考慮資金時,重建可能是唯一可行的解決辦法。1 、概述地震,無可避免的自然災害,可對我們的建筑環(huán)境造成毀滅性的災難。近年中度至中強地震對有人居住的地區(qū)產(chǎn)生災難性的影響。這些地震,即在美國northridge( 1994年) ,日本神戶( 1995年) ,土耳其Golcuk-Izmit( 1999年) ,臺灣JiJi( 1999年) ,印度gunjarat( 2001年)和美國西雅圖nisqually 。在過去的幾年失去了數(shù)以千記的生命和損失了數(shù)十億的資金。最近發(fā)生的地震表明,會幸存下來的舊樓在大多數(shù)情況下有一個合理的翻新。最近的地震表明,通過加裝結(jié)構(gòu)來提升建筑物的老化和不足表現(xiàn)是令人滿意的,這似乎是最有效和高效率的地震危險性緩解措施。從吸取的經(jīng)驗教訓來看,其中減震區(qū)最大的挑戰(zhàn)是,如何改善性能較舊的建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施,以提高他們的能力足以承受地震危險。通過改善他們的表現(xiàn),相關(guān)的風險與建筑物及基礎(chǔ)設(shè)施對地震災害可以緩解。加拿大的做法給出了一個概念,將處理與地震危險性減輕建筑物和其潛在的應(yīng)用作為國家計劃,緩解自然災害對其他結(jié)構(gòu)的危害。3 、地震減災最近發(fā)生的地震,暴露了舊建筑物的脆弱性和失效的結(jié)果。一個有效的和有效率的方式,以減輕相關(guān)的風險與舊的和較脆弱的建筑物,是加裝構(gòu)件和翻新的舊式建筑,以至于與較新的建筑類似的性能水平。在加拿大,建設(shè),一般經(jīng)過三個步驟的程序來解決地震危害,即篩選,評價和緩解。篩選建筑物的優(yōu)先次序,例如建筑物風險分數(shù)最高的會進行更詳細的分析,而建筑物的風險分數(shù)最低的,可避免或推遲進一步的調(diào)查。這詳細的分析,決定是否和到什么程度的建設(shè)需要加強。圖1顯示了建筑物的地震危險緩解程序的篩選(第1步) ,評價(步驟2 )和緩解(第3步)。3.1 篩選由加拿大國家研究理事會制定了建筑物可以篩選使用的風險管理工具,即 Manual for Screening of Buildings for Seismic(1) 篩選(地震優(yōu)先索引,SPI)(2)存檔SPI10 優(yōu)先評估“低”10SPI20 優(yōu)先評估“高”高中是否需要減震?是否(3)為加固(或重建)設(shè)計和修建圖1 .減震程序的篩選,評價和升級Investigation (NRC, 1992)。建筑物被篩選根據(jù)建筑物位置,土壤條件,類型和使用結(jié)構(gòu),明顯的違規(guī)建設(shè),存在或沒有非結(jié)構(gòu)性的危害,樓齡,入住特點和建設(shè)的重要性(災害后或特殊的業(yè)務(wù)要求) 。篩選可用于數(shù)值建立一個地震優(yōu)先索引( SPI ),即排名,結(jié)果從另外一個結(jié)構(gòu)指數(shù)( SI )和非結(jié)構(gòu)性指數(shù)(NSI)。這個篩選的過程中,主要用于庫存的篩選和優(yōu)先為此目的,不是為了個別建筑物。不列顛哥倫比亞省最近通過了一項不同的篩選方法,這是類似美國的做法,從聯(lián)邦緊急管理機構(gòu),一個快速評價建筑物的基礎(chǔ)剪切的需求和能力(P. Lam, personal communication, 2001)。3.1.1 、篩選參數(shù)篩選規(guī)范是基于:( 1 )確定建筑物的主要特點,它的位置,和使用率等。 ( 2 )( 1 )中個別數(shù)值的相關(guān)因素與參數(shù)的確定和SEISMIC HAZARD MITIGATION FOR BUILDINGS。( 3 )結(jié)合風險指數(shù),本質(zhì)上是個別數(shù)值因素在數(shù)學上的產(chǎn)物。信息,如今年建成和適用的確定建筑物在地震下危險性的關(guān)鍵參數(shù)nbcc。資料顯示,因為它涉及到設(shè)計和建造的做法,現(xiàn)有建筑物,是直接作為個別分數(shù)綁向其他參數(shù)。地震活動影響建筑物的位置是確定,并且作為適用nbcc給在表二。地震活動的位置是由有效的地震帶確定,這是界定在nbcc 1990。有效地震區(qū)等于zv (如果Za是相等于或小于zv )或zv + 1 (如果Za zv ) 。Za是法向加速度,zv為位置在加拿大的某一特定的法向速度。 地震參數(shù)(A)是1.0和4.0之間的一個值。影響結(jié)構(gòu)的類型,是由該類型該建筑物的結(jié)構(gòu)體系和適用的nbcc來決定,見于表三。建筑結(jié)構(gòu)的篩選同時要考慮材料和體系。木材,鋼材, 混凝土預制件,砌筑填充和砌體結(jié)構(gòu)是評價重點。結(jié)構(gòu)類型參數(shù)( c )取值范圍為1.0和3.5 。表二、地震活動性的影響(NRC, 1993年) 地震活動設(shè)計的有效地震帶( zv或zv + 1 ,如果Za zv ) nbcc 2 3 4 5 6 前65 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 65-85 1.0 1.0 1.3 1.5 2.0一= 后85 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 (一)地震活動(二)土壤條件(三)類型的結(jié)構(gòu)(四)建設(shè)違規(guī)行為(五)建設(shè)的重要性(入住) (六)非結(jié)構(gòu)性的危險(生命安全和運作的要求)影響建筑的重要性,是由建筑占用的類型和密度和所適用的nbcc在表四給出。建設(shè)的重要性參數(shù)表示,災難后的建筑物和特殊業(yè)務(wù)所需經(jīng)費。根據(jù)對建筑物的入住類型和密度,建筑物的重要性參數(shù)(五)取值范圍為0.7和3.0 。3.1.2 、地震優(yōu)先指數(shù)該評分系統(tǒng)是由一個結(jié)構(gòu)指數(shù)( SI )和非結(jié)構(gòu)性指數(shù)(NSI)組成 。SI是有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的風險,以NSI是有關(guān)建筑構(gòu)件非結(jié)構(gòu)性的風險。結(jié)構(gòu)指數(shù),SI,計算方法如下:SI = A B C D E影響A,B,C, D和E因素,地震活動性,土壤條件,結(jié)構(gòu)類型,建筑物重要性(表二 ) 。非結(jié)構(gòu)指數(shù)NSI,計算方法如下:NSI = B E FF是最總要的因素在F1:降低生命危害和F2 :危害的重要性之間。地震優(yōu)先指數(shù), SPI,等于結(jié)構(gòu)指數(shù)和非結(jié)構(gòu)性指數(shù)的和,即SPI=SI+NSI說明見表二 。地震優(yōu)先指數(shù),是關(guān)系到建筑物地震危險性按nbcc 1990 確定。篩選規(guī)范表明,潛在的地震危險性低為建筑物的SPI20 (圖1 ) 。優(yōu)先為一個更詳細的評估(步驟2 )是由SPI的決定順序??扇〉淖龇ㄊ沁M行詳細評價一個建筑物的SPI與15相比較 。建筑物與SPI30可視為高風險,并立即評估建筑的抗震性能是必要的。3.2、評價該建筑的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的缺陷應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行地震規(guī)范的要求下確定的評價步驟。NBCC1995 and “Guideline for Seismic Evaluation of Existing Buildings” (NRC, 1993)可以用來評估抗震性能的現(xiàn)有建筑物?!癎uidelines for seismic assessment of stone masonry structures”(PWGSC, 2000) 被使用在砌體結(jié)構(gòu)中。CSA-S832介紹了非結(jié)構(gòu)性的建筑構(gòu)件的風險評估方法,已被稱為“operationaland functional components for buildings” (Cheung et al., 1999)。 在評價過程中,建議確定不足和是否需要加裝,應(yīng)考慮到該大廈下過去的歷史地震事件的表現(xiàn),建筑物剩余使用壽命,財務(wù)和業(yè)務(wù)的要求,以及對文物的限制。 (NRC, 1993; PWGSC, 2000)作為技術(shù)指南和一個普遍接受的慣例建議,在正常情況下建筑物達到60 承載能力的要求,則建筑不須升級。4 、自然災害緩解造成這些事件(無論是地震或龍卷風或洪水)有很多不同,影響和緩解個別自然災害之間也有很多不同。觀察過去的自然災害事件,揭示了以下常見的確鑿事實:1 、在較新的和舊建筑之間預期表現(xiàn)的差別,后者通常不亞于前者。2 、建筑環(huán)境的影響,不僅表現(xiàn)在設(shè)計要求,但同時也受施工質(zhì)量(建造方法,品質(zhì)材料及施工)對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件的影響。3 、存在技術(shù)知識的差距:(a)較新的和舊建筑之間的表現(xiàn)-如何改善舊樓性能的達到較新的建筑物表現(xiàn)。(b)規(guī)范之間細化為新的建設(shè)和發(fā)展,針對現(xiàn)有的建設(shè)-更多的努力是需要規(guī)范的發(fā)展和保護地震作用下現(xiàn)有的建筑物。(c)科學研究和實際之間需要有必要建立一個更完整的方法,研究的實際需要和要求。4 、缺乏一個慣例(法律和溯及既往的規(guī)定)和一貫的和持續(xù)的合作關(guān)系的各級政府和其他利益相關(guān)者來保護和改善性能的建筑環(huán)境。表三。效果類型的結(jié)構(gòu)(NRC, 1993年) 機構(gòu)類型 NBCC 構(gòu)件類型和符號設(shè)計 木結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu) 混凝土 預應(yīng)力砼 MI Masonry WLF WPB SLF SMF SBF SCW CMF CSW PCF PCW SIW RML URM CIW RMC 90 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 - MIO =砌體填充wlf =木材輕型木結(jié)構(gòu)wpb =木材,郵政和梁slf =鋼輕型木結(jié)構(gòu)SMF=鋼框架的時刻SBF中=鋼支撐框架scw =鋼架與混凝土剪力墻CMF =具體時刻框架CSW=混凝土剪力墻PCF=預制混凝土框架pcw =預制的鋼筋混凝土墻SIW=鋼框架與填充砌體剪力墻CIW=混凝土框架與填充砌體剪力墻rml =配筋砌體軸承墻壁與木材或金屬甲板樓層或屋頂RMC=配筋砌體軸承墻壁混凝土隔板urm =無砌體承重墻建設(shè)4.1、用地震的放法緩解其他自然災害地震的篩選-評估-升級的做法用于其他自然災害是可行的。特別是篩選的方法,可能會獲得通過,為篩選高層建筑物的結(jié)構(gòu)按照他們個別自然災害(如洪水,暴雨, 高風,旋風式和暴風雪)的潛在風險水平具體修改的。篩選參數(shù)包括建設(shè)的地點,土壤條件,結(jié)構(gòu)使用的類型,樓齡,建設(shè)的重要性,入住的特點和非結(jié)構(gòu)的危險,同樣適用于地震和其他自然危害與適當?shù)男U?。表四。?gòu)建的重要性, (NRC, 1993年) E Building Design Low Normal School, or Post disaster SpecialImportance NBC occupancy occupancy High occup. very high occ. operationalN 3000 requirementto 300 to 3000 70 0.7 1.0 1.2 1.5 2.0 E =N=占地x入住密度x時間因素* 主要用途: 入住密度 平均每周工作小時大會 1 5至50 商品,個人服務(wù) 0.2 50至80 辦事處,體制,制造業(yè) 0.1 50至60 住宅 0.05 100 存儲 0.01至0.02 100 *時間的因素是平等的,以每周平均工時人力入住除以100 ,而不是大于1.0 。結(jié)構(gòu)評價,地震的方法的第2步,應(yīng)該承認較新及較舊建筑之間表現(xiàn)的差異。應(yīng)考慮到過去的結(jié)構(gòu)表現(xiàn),其余服務(wù)生活的結(jié)構(gòu),財務(wù)和業(yè)務(wù)的要求和遺產(chǎn)限制??拐?0 的要求,可以做為加固其他不同的自然災害。 結(jié)構(gòu)加裝或升級是旨在減少潛在的破壞性自然災害對建筑物的影響,橋梁和通訊,公用事業(yè),水塔。加強結(jié)構(gòu)性的組成部分,一個大廈在發(fā)生自然災害建設(shè)與相關(guān)潛在的危險最小風險。這是值得注意,一場自然災害為某一特定的危險(例如,加強墻的地震危險性)有緩解的效果,對其他災害往往有有利影響(例如, 強風或龍卷風)。而從一種自然災害到另一種,需要的程度和緩解工作可能會有所不同,主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件加以考慮和升級是相當常見的和可以給出下面定義。外墻/外包層-載荷可以是橫向的(風,地震)作用在外墻和縱向的(雪,雨) 。特別應(yīng)考慮到接口(錨碇)之間的墻壁或包層和其他結(jié)構(gòu)性因素, 如梁柱框架和樓層。砌體墻,尤其是如果沒有橫向框架依靠,可能會承載力不足,在強風或地震的地面振動的非結(jié)構(gòu)性的危害下,有很大可能全面崩潰。承載力不足的外墻或包層應(yīng)予以刪除,更換或加裝。圖3和圖4說明潛在危害的緩解措施,可用于砌體加強防護和預制面板連接。橫向框架和柱-不論潛在的自然災害,框架可被視為建筑物的骨干柱,框筒結(jié)構(gòu)。避免同時倒塌,并且強柱弱梁標準必須得到滿足。這些準則確保有富裕的設(shè)計,因此如果一個關(guān)鍵的構(gòu)件失效,它不會導致全部或部分結(jié)構(gòu)的崩潰。柱可以用鋼護套加強或由施工手段與先進復合材料如碳纖維增強塑料。除了加強個別橫梁和柱,橫向框架也可以加強與補充框架或減振裝置(Naumoski and Foo, 2000年) 。地震或風致建筑結(jié)構(gòu)負荷后,橫向框架是可以的減少阻尼的裝置。阻尼裝置吸收部分負荷,使現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)從而避免超載,否則超過的建筑結(jié)構(gòu)的承載力。類似的在通過該建筑結(jié)構(gòu)的基地安裝相應(yīng)的隔離器減少地震荷載,建筑結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與地面隔離從地面(地面運動)。屋頂框架-主要裝載在屋頂上是抵抗向下的雪, 冰或雨。這也是一個重要構(gòu)架,提供一個完整的結(jié)構(gòu)負載路徑從屋頂橫梁,柱,最后轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)。為適當讓負荷從屋頂梁/柱/框架轉(zhuǎn)移,屋頂?shù)牟蛔憧梢缘玫郊訌?,或提供額外支持。樓板骨架-其功能類似屋頂?shù)难b置,樓板加強,通常不是必需的,除了其下調(diào)負載是由于住戶和用途,而不是由于外部荷載,如在雪地或冰上。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件-維護非結(jié)構(gòu)構(gòu)件減少生命危險,保護財產(chǎn),最大限度地減少財政的影響,協(xié)助業(yè)務(wù)迅速恢復,增強快速搜索和研究活動。關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施的繼續(xù)運作保護非結(jié)構(gòu)組件是非常重要的如緊急及健康中心,生命線和事業(yè)。結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件地震的緩解措施,為可以在文獻中發(fā)現(xiàn)(Cheung et al., 1999; NRC 1995; PWGSC 1995; PWGSC2000b).5 、結(jié)論一確定個具有挑戰(zhàn)性的方面是給地震荷載定義適當?shù)恼鸺壓褪褂蔑L險。減少嚴重地震的破壞危險,需要增加很強的抵抗構(gòu)件。這會導致更大的成本結(jié)構(gòu),但通常相比,不會超過整體計劃的總成本。在另一方面,它降低災害損失。最低成本的地震荷載,取決于災害的邊際成本與抵抗的邊際成本的最佳比例。這個比例對預計使用年限有很大的影響,初步(結(jié)構(gòu))和第二步(非結(jié)構(gòu)性)與結(jié)構(gòu)的重要性損害的比例。更深入的方面是適當運用其他災害的危害來評估地震災害的等級,如風災。需要進行平衡這些風險。由于加拿大廣闊的土地面積,自然災害,例如地震, 洪水,風/雪暴和龍卷風是區(qū)域化。舉例來說,西海岸更容易被地震破壞,Manitoba部分更是有洪水災害,Alberta和Ontario南部更容易受龍卷風襲擊,Quebec和東部海岸更關(guān)注與雪/冰風暴或颶風的襲擊。往往,為一危險,如地震的減災程序和措施,可以有利于減少其他危害的影響,如風暴。社會,包括各級政府和私營部門面臨的挑戰(zhàn),就是要整合一切措施,針對個別減少危害到一個國家綜合計劃的災害,旨在最有效的減少自然災害后的建筑環(huán)境的影響。在國家計劃內(nèi)制定和實施這樣一個減震的方法,在建筑物抗震減災的處理與結(jié)構(gòu)考慮可以考慮其潛在的推廣和應(yīng)用到其他自然災害和結(jié)構(gòu)。參考文獻Cheung, M., Foo, S., and McClure, G.: 1999, Guideline for seismic risk reduction of functionaland operational components of buildings, In: Proceedings of the 8th Canadian Conference onEarthquake Engineering, Vancouver, B.C., pp. 167172.Chidiac, S., Foo, S., and Cheung, M.: 2000, Seismic guidelines for stone-masonry componentsand structures, International Conference on The Seismic Performance of Traditional Buildings,Istanbul, Turkey, November 1618.(ENR) Engineering News Record: 2001, Seismic Requirements: HospitalsMust Spend Billions, April16, pp. 20.Filiatrault, A., Uang, C. 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