土木工程概論第11章工程防災減災土木工程防災對策與抗災設計工程防災減災的前沿技術13本章內容土木工程結構檢測、鑒定與加固211.3工程防災減災的前沿技術1234地震震害與防震減災對策風災與抗風設計地質災害及防治火災及防治5爆炸及防治11.1.1地震震害與防震減災對策1．地震的基本概念地震是由地殼破壞引發的地面運動，是一種嚴重危及人們生命財產的突發性自然災害，由于具有不可預測性，地震對土木工程結構造成的破壞后果尤為嚴重。11.1.1地震震害與防震減災對策弱震：震級小于3級的地震；有感地震：震級等于或大于3級、小于或等于4.5級的地震；中強震：震級大于4.5級、小于6級的地震；強震：震級等于或大于6級的地震，其中震級大于或等于8級的叫巨大地震。地震按震級大小分為：11.1.1地震震害與防震減災對策1）直接災害破壞地震所造成的直接災害主要有：地面的破壞、建筑物與構筑物的破壞、山體等自然物的破壞（如滑坡、泥石流等）、海嘯以及地光燒傷等。2）次生災害地震次生災害是直接災害發生后，破壞了自然或社會原有的平衡或穩定狀態，從而引發出的災害，主要有：火災、水災、毒氣泄漏、瘟疫等。其中火災是次生災害中最常見、最嚴重的災害。2．地震災害11.1.1地震震害與防震減災對策1）唐山大地震1976年7月28日3時42分，中國唐山市發生了里氏7.8級地震。地震的震中位置位于唐山市區，持續時間約12秒。唐山地震造成242769人死亡，16.4萬人重傷，是中國歷史上一次罕見的城市地震，位列20世紀世界地震史死亡人數第二。此次有感范圍廣達14個省、市、自治區，其中北京市和天津市受到嚴重波及。整個唐山市頃刻間夷為平地，全市交通、通訊、供水、供電中斷。唐山地震沒有小規模前震，而且發生于凌晨人們熟睡之時，使得絕大部分人毫無防備。3．地震實例11.1.1地震震害與防震減災對策2）汶川地震5·12汶川地震發生于2008年5月12日14時28分04秒，震中位于中國四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣映秀鎮與漩口鎮交界處。5·12汶川地震嚴重破壞地區超過10萬km2，其中，極重災區共10個縣（市）、較重災區共41個縣（市）、一般災區共186個縣（市）。截至2008年9月18日12時，5·12汶川地震共造成69227人死亡，374643人受傷，17923人失蹤，是唐山大地震后傷亡最嚴重的一次地震。11.1.1地震震害與防震減災對策4．地震災害的防治對策在《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）中明確提出了建筑物“三水準”的抗震設防目標。所謂的“三水準”具體內容如下：第一水準：當建筑物遭遇低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理即可繼續使用；第二水準：當建筑物遭受相當于本地區抗震設防烈度的影響時，可能損壞，經一般修理或不修理仍可繼續使用；第三水準：當建筑物遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不至倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。11.1.1地震震害與防震減災對策上述三個水準的抗震設防目標可簡述為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。為了實現三水準抗震設防目標，抗震設計采取兩階段方法。第一階段為結構設計階段，在初步設計及技術設計時，就要按有利于抗震的做法去確定結構方案和結構布置，然后進行抗震計算及抗震構造設計。在這一階段，用相應于該地區設防烈度的小震作用計算結構的彈性位移和構件內力，并進行結構變形驗算，用極限狀態方法進行截面承載力驗算，按延性和耗能要求進行截面配筋及構造設計，采取相應的抗震構造措施。11.1.1地震震害與防震減災對策第二階段為驗算階段，一些重要的或特殊的結構，經過第一階段設計后，要求用與該地區設防烈度相應的大震作用進行彈塑性變形驗算，以檢驗是否達到了大震不倒的目標。11.1.2風災與抗風設計風是由空氣流動引起的一種自然現象，適度的風對人類的生產和生活起到積極的作用，但是當風速和風力超過一定限度時，它就會給人類帶來巨大災害。對建筑結構和生命線工程能產生不良影響的風主要有臺風和龍卷風等強風。1．主要風災11.1.2風災與抗風設計臺風是指發生在太平洋西部海洋和南海海上的熱帶空氣旋渦，是一種極猛烈的風暴，風力常達十級以上，同時伴有暴雨，如圖11-1所示。臺風不但給沿海城市帶來風災，還會引起洪水、引發滑坡和泥石流等地質災害。1）臺風圖11-1臺風11.1.2風災與抗風設計龍卷風是指風力極強而范圍不大的旋風，形狀象一個大漏斗，軸線一般垂直于地面，在后期因上下層風速相差較大可成傾斜狀或彎曲狀，如圖11-2所示。2）龍卷風圖11-2龍卷風11.1.2風災與抗風設計內陸地區的強風雖然遜于臺風和龍卷風，影響范圍較小，但也可能給工程結構帶來嚴重的損壞，因為風對結構的作用不僅與風速有關，還受結構形體、所處環境的影響。對于高層建筑、大跨度橋梁結構、輸電塔和渡槽等受風面積大的柔性結構受風的影響尤為明顯。3）內陸強風11.1.2風災與抗風設計①首先要加強工程結構的抗風設計，針對生命線工程、非主體但易損構件開展風災易損性分析，及時加固并進行防風設計。②積極開展針對各地區的風荷載特性研究，如地區風壓分布、地面粗糙度劃分、高層建筑風效應、大跨結構的風振分析等。2．抗風設計11.1.2風災與抗風設計③對于風災嚴重的地區還要有防風災害的對策，如在北方大陸內建造防風固沙林，在沿海地區建造防風護岸植被，以減小風力及大風對城市或海岸的破壞。④在經常受風災危害的地區，建立預報、預警體制。以目前的氣象預報水平，提前幾小時到幾十小時進行大風預報是完全可能的。接到預報后采取緊急的防災措施，可以大大減小風的災害。⑤城市應編制風災害影響區劃，建立合理有效的應對策略，如避風疏散應急預案等。11.1.3地質災害及防治滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現象，如圖11-3所示。1．滑坡及其防治圖11-3山體滑坡11.1.3地質災害及防治滑坡常常給工農業生產以及人民生命財產造成巨大損失，有的甚至是毀滅性的災難。滑坡對鄉村最主要的危害是摧毀農田、房舍、傷害人畜、毀壞森林、道路以及農業機械設施和水利水電設施等，有時甚至給鄉村造成毀滅性災害。位于城鎮的滑坡常常砸埋房屋，傷亡人畜，毀壞田地，摧毀工廠、學校、機關單位等，并毀壞各種設施，造成停電、停水、停工，有時甚至毀滅整個城鎮。發生在工礦區的滑坡，可摧毀礦山設施、傷亡職工、毀壞廠房、使礦山停工停產，常常造成重大損失。11.1.3地質災害及防治我國防治滑坡的工程措施很多，歸納起來可分為三類：一是消除或減輕水的危害，排除地表水、地下水以及河水對滑坡體的影響；二是改變滑坡體的外形，重心降低，從而提高滑坡體的穩定性；三是改善滑動帶的土石性質，采用焙燒法、爆破灌漿法等物理化學方法對滑坡進行整治。11.1.3地質災害及防治泥石流是指在山區或者其他溝谷深壑等地形險峻的地區，由暴雨、暴雪或其他自然災害引發并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流，如圖11-4所示。泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物質容量大和破壞力強等特點。2．泥石流及其防治圖11-4泥石流11.1.3地質災害及防治減輕或預防泥石流的工程措施主要有以下幾種：①跨越工程：是指修建橋梁、涵洞，從泥石流溝的上方跨越通過，讓泥石流在其下方排泄，用以避防泥石流。這是鐵道和公路交通部門為了保障交通安全常用的措施。②穿過工程：指修隧道、明硐或渡槽，從泥石流的下方通過，而讓泥石流從其上方排泄。這也是鐵路和公路通過泥石流地區的主要工程形式之一。11.1.3地質災害及防治③防護工程：指對泥石流地區的橋梁、隧道、路基及泥石流集中的山區變遷型河流的沿河線路或其他主要工程措施，做一定的防護建筑物，用以抵御或消除泥石流對主體建筑物的沖刷、沖擊、側蝕和淤埋等危害。防護工程主要有：護坡、擋墻、順壩和丁壩等。④排導工程：其作用是改善泥石流流勢、增大橋梁等建筑物的排泄能力、使泥石流按設計意圖順利排泄。排導工程包括導流堤、急流槽以及束流堤。11.1.3地質災害及防治⑤攔擋工程：用以控制泥石流的固體物質和暴雨、洪水徑流，削弱泥石流的流量、下泄量和能量，以減少泥石流對下游建筑工程的沖刷、撞擊和淤埋等危害的工程措施。攔擋措施主要有：欄渣壩、儲淤場、支擋工程以及截洪工程。11.1.4火災及防治①火勢蔓延迅速：由于煙氣流的流動和風力的作用，建筑火災的火勢蔓延速度非常快。發生火災時產生的大量煙和熱會形成熾熱的煙氣流，煙氣流的流動方向往往就是火勢蔓延的方向，煙氣流的流動速度往往就是火勢蔓延速度。1．火災的特點11.1.4火災及防治②火災撲救困難：由于建筑物的面積較大，垂直高度較高，一旦著火，撲救難度較大。③容易造成人員傷亡事故：建筑物一旦著火，火災現場就會產生大量的煙塵和各種有毒有害的氣體，這些煙塵和有毒有害的氣體對人體危害很大，而且流動的速度很快，一旦充滿安全出口，就會嚴重阻礙人們的疏散，進而造成人員傷亡事故。11.1.3地質災害及防治2．火災的防范①在設計階段要做好建筑防火設計。例如，在建筑總平面設計中考慮建筑物防火間距、消防通道和防火分區等。②在建筑構造設計中設置防火墻、排煙道、卷簾門以及緊急疏散通道等。③在建筑物內部裝修設計中選用耐火性好的材料。④按照消防設計，配備消防系統。⑤在建筑物日常使用中，落實防火責任制度，防患于未然。11.1.5爆炸及防治爆炸是指大量能量在瞬間迅速釋放或急劇轉化為功、光和熱的現象，按照類型可分為物理爆炸和化學爆炸。由于液體變成蒸氣或者氣體迅速膨脹，壓力急速增加，并大大超過容器的極限壓力而發生的爆炸稱為物理爆炸，如蒸汽鍋爐、液化氣鋼瓶等壓力容器的爆炸。因物質本身起化學反應，產生大量氣體和高溫而發生的爆炸稱為化學爆炸，如炸藥的爆炸、可燃氣體或液體的爆炸等。11.1.5爆炸及防治如果在建筑物附近或者內部發生破壞性爆炸，將會對建筑結構產生重大的危害。因此，對于有發生爆炸可能性的建筑物，如化工廠生產車間、倉庫等，需要進行防爆設計和采取防爆、泄爆的構造措施。例如，采取合理的建筑平面布置格局（敞開或半敞開式的建筑布局），以利于爆炸性氣體的疏散；與周圍建筑物、構筑物應保持一定的防火間距；選用耐火性能好、抗爆能力強的框架結構等。11.2土木工程結構檢測、鑒定與加固12土木工程結構檢測與鑒定土木工程結構的加固11.2.1土木工程結構檢測與鑒定①混凝土結構檢測：常見的方法有結構性能實荷檢測、混凝土強度回彈法、超聲波法、超聲回彈綜合法、取芯法、拉拔法等。②砌體結構檢測：包括軸壓法、扁頂法、原位單剪法、原位單磚雙剪法、推出法、筒壓法、砂漿片剪切法、回彈法、點荷法、射釘法等。③鋼結構檢測：包括結構性能實荷檢測與動測、超聲波無損檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測、涂層厚度檢測、鋼材銹蝕檢測等。1．土木工程結構檢測按所檢測結構種類的不同，可將建筑結構檢測方法分為以下幾種：11.2.1土木工程結構檢測與鑒定①性檢測：包括針對建筑結構或構件的各類破損性實驗。②半破損性檢測：包括取芯法、拉拔法等。③無損檢測方法：包括回彈法、超聲法等。按檢測過程中對建筑物造成的損壞程度不同，建筑結構檢測方法可分為以下幾種：11.2.1土木工程結構檢測與鑒定2．工程結構鑒定1）診斷建筑物的損傷程度通過現場調查和檢測，確定結構的現有技術狀態，進而結合結構的受損分析，綜合評定結構的損傷程度，即給出診斷結論。調查的內容主要是建筑物的現狀和已有資料。包括建筑物的一些技術指標是否已超過規范要求，建筑物的損壞時間、損壞過程，設計圖紙資料的復查與驗算，施工情況調查與技術資料檢查，建筑物的使用情況與荷載情況等。11.2.1土木工程結構檢測與鑒定2）結構可靠性的鑒定可靠性鑒定是結構是否進行維修加固及加固到什么程度的重要依據。由于影響結構的各種因素如荷載情況、材料強度、截面幾何特征等帶有隨機性，因而研究結構的可靠性具有復雜性、可變性及嚴重性的特點。常見的建筑結構鑒定方法有傳統經驗法、使用鑒定法、概率法以及概率極限狀態鑒定法等，現階段主要采用的方法為概率極限狀態鑒定法。11.2.2土木工程結構的加固

為了使結構的維修、加固最終取得良好的綜合效益，應遵循下列原則：①盡可能使加固措施發揮綜合效應，提高加固效率。②盡可能保留和利用原結構構件，發揮原結構的潛力，避免不必要的拆除和更換。③盡可能減小對建筑物使用功能的影響。④加固后結構的力學分析和校核除了應遵守結構設計的基本原則外，還應考慮結構在加固時的工作應力、加固部分應變滯后的特點、新舊材料協同工作的程度、加固后構件截面形心和剛度的變化等。增大截面法是一種用與原結構相同的材料增大構件截面面積從而提高構件性能的加固方法。例如，通過外包混凝土或增設混凝土面層加固混凝土梁、板、柱的方法；通過焊縫、螺栓連接增設型鋼、鋼板加固鋼栓、鋼梁、鋼格架、鋼屋架的方法；通過增設磚扶壁加固磚墻的方法等。11.2.2土木工程結構的加固下面列舉目前土木工程結構主要的幾種加固方法。1．增大截面法外包型鋼加固法是在鋼筋混凝土梁、柱四周包以型鋼的一種加固方法，如圖11-5（a）所示。例如，在構件截面的四角沿構件通長或沿某一段設置角鋼，橫向用箍板或螺栓套箍將角鋼連接成整體，成為外包于構件的鋼構架。外包型鋼加固法的優點是在基本不增大構件截面尺寸的情況下，提高構件承載力，增大延性和剛度，適用于混凝土柱、梁、屋架和磚窗間墻以及煙囪等結構構件和構筑物的加固。11.2.2土木工程結構的加固2．外包型鋼加固法11.2.2土木工程結構的加固（a）黏貼碳纖維加固法是將碳纖維布采用高性能的環氧類結構膠粘貼于混凝土構件的表面，利用抗拉強度大的碳纖維材料達到增強構件承載能力和剛度的目的，如圖11-5（b）所示。碳纖維材料的拉伸強度約為普通鋼材強度的10倍，自重輕、耐高溫、耐酸堿腐蝕，并且施工簡便、施工工期短，施工質量易保證。黏貼碳纖維加固法適用范圍極為廣泛，且具有良好的加固效果，目前已成為國內外研究與應用的熱點。11.2.2土木工程結構的加固3．黏貼碳纖維加固法11.2.2土木工程結構的加固（b）外加預應力加固法是一種采用外加預應力鋼拉桿或撐桿，對結構進行加固的方法，如圖11-5（c）所示。11.2.2土木工程結構的加固4．外加預應力加固法（c）圖11-5幾類加固法改變受力體系加固法是通過增設支點（柱或托架）或采用托架拔柱的方法以改變結構的受力體系。增設支點可以減小結構構件的計算跨度，使得結構受力體系和受力狀況發生改變，降低計算彎矩，大幅度地提高結構構件的承載能力及剛度，同時縮小裂縫寬度。當對增設的支點施加預應力時，效果更佳。該方法多用于大跨度結構，但會減小使用空間。11.2.2土木工程結構的加固5．改變受力體系加固法11.3工程防災減災的前沿技術123振動臺試驗與建筑風洞試驗結構振動控制技術結構健康監測技術11.3.1振動臺試驗與建筑風洞試驗電液伺服地震模擬振動臺是抗震試驗研究領域中重要的試驗設備之一。我國近期建設的一批重要的建筑都進行了抗震試驗，如上海東方明珠電視塔、上海世貿國際購物中心、上海環球國際金融中心等。如圖11-6所示為高聳結構的振動臺試驗。1．振動臺試驗11.3.1振動臺試驗與建筑風洞試驗圖11-6高聳結構的振動臺試驗11.3.1振動臺試驗與建筑風洞試驗風荷載會引起高層建筑、高聳結構以及大跨度空間結構較大的結構反應，使得結構剛度和舒適度的要求越來越難以滿足，有時甚至會威脅到建筑物的安全。當氣流流經非流線型的大型建筑物時，將在結構上產生氣動力，呈現出復雜的流固耦合作用效應，主要表現為氣流的分離、再附、旋渦的形成和脫落以及尾流的發展，因此，在建筑林立的地區，風效應十分復雜。2．建筑風洞試驗11.3.1振動臺試驗與建筑風洞試驗另外，高大的建筑物和建筑群建成后也會顯著改變城市近地面層風場結構，出現過去沒有的局地強風現象，從而引發建筑物的門窗和建筑外裝飾物等破損、脫落等事故。在一些建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區域，則可能使行人感到不舒適，甚至產生傷害。鑒于以上原因，我國的《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）中規定，當多個建筑，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應，一般可將單獨建筑物的體型系數乘以互相干擾增大系數，體型系數必要時宜通過風洞試驗得出。11.3.1振動臺試驗與建筑風洞試驗因此，通過風洞試驗來確定大型建筑物的風荷載，測定其動力參數和動力響應，檢驗其氣動穩定性，分析其抗風安全性、適用性與可靠性對于該類建筑物的抗風安全具有十分重要的意義，北京SOHO中心的風洞試驗如圖11-7所示。圖11-7北京SOHO中心的風洞試驗11.3.2結構振動控制技術1）基礎隔振基礎隔振是在結構的上部與基部之間設置一種隔振消能裝置的控制技術，是被動控制的一種，它主要通過減小地震時向地表傳輸的能量，來減小結構的振動，如圖11-8所示。基礎隔振能明顯降低結構的自身振動頻率，非常適用于中低層建筑，但隔振只對高頻率的地震波有效用，對高層建筑并不適用。1．被動控制11.3.2結構振動控制技術圖11-8建筑結構隔震11.3.2結構振動控制技術2）吸能耗能減震吸能減振是通過附加子結構，使結構的振動位移、能量重新分配，從而減小結構振動。耗能減振是在結構體的某些部位（如節點和支撐部等設置）耗能阻尼機構，繼而通過這種機構對結構施加控制力，快速減小結構振動。耗能減振和吸能減振的裝置主要有摩擦阻尼器、黏性液體阻器、調諧質量阻尼器、金屬屈服阻尼器、質量泵和液壓質量控制系統等。11.3.2結構振動控制技術主動控制通過傳感器將監測得到的信息導入計算機內，由計算機根據設定好的計算公式算出應施加的力的具體信息，最后，由外部能源提供能量，施加給結構其所需控制力，進而快速起到減小結構振動的效果。主動控制是一種需要外部能量供給的控制技術。是否具有能量耗損和完整的反饋控制回路是其與被動控制技術的主要區別。盡管主動控制技術更為復雜、造價昂貴并且難以維護，但對于高層建筑建筑而言。主動控制應用了現代尖端的結構控制技術，對結構振動情況實施實時追蹤和預測，令結構設計與系統性能達到最佳，防震效果十分明顯。2．主動控制11.3.2結構振動控制技術半主動控制通過用小功率能源調整結構的動力參數來減少結構的振動，屬于參數控制，控制過程依賴于結構的反應情況和外部的激勵信息。半主動控制由于具有所需外部能量較小、維護要求不太高、更為經濟等優勢，因此具有較大的研究和應用開發價值。磁流變液態阻尼器和電流變液態阻尼器是半主動控制系統未