防灾减灾复习概要.ppt

土木工程抗灾减灾与各种灾害之间的关系地震 提高烈度 隔震减震等措施洪水 防洪 泄洪滑坡 泥石流 锚索加固 挡土结构核泄露 安全壳战争 人防工程火灾 爆炸 建筑结构防火 防爆墙旱灾 渠灌引水 南水北调 东水西调工程 渡槽 渠道等 海啸飓风 防波坝等 结构抗风土木工程防灾减灾的主要内容土建工程防灾规划土木工程结构抗灾理论土木工程结构防灾 抗灾技术理论及其应用土木工程减灾技术结构灾后检测与加固 3结构减震控制的分类被动控制 不需要外部能源输入基础隔震耗能减震主动控制 需要外部能源输入提供控制力控制系统由传感器 运算器和作动器组成缺点 造价昂贵 所需巨大能源在地震时无法保证半主动控制 可调参数的被动控制装置不需要很大外部能源输入由最优控制策略调整参数智能控制 采用智能控制算法和智能驱动或智能阻尼装置为标志的控制方式混合控制 不同控制方式相结合的控制方法 第2章结构隔震2 1结构隔震的原理与隔震结构的特点2 1 1结构隔震原理及基本特性 设置隔震系统形成隔震层 延长结构的周期 增加结构阻尼 使结构的加速度反应减小 位移集中于隔震层 上部结构的振动接近于刚体 相对位移较小 结构基本处于弹性工作状态 不产生破坏或倒塌 隔震结构的基本特性 承载特性具有足够的竖向刚度和强度以支撑上部结构的重量 隔震特性具有足够的水平初始刚度 在风载和小震作用下 体系的水平位移极小 不影响使用要求 而中强地震时 其水平刚度较小 结构为柔性隔震结构体系 复位特性地震后 上部结构能回复到初始状态 满足正常使用要求 耗能特性隔震系统本身具有较大的阻尼 地震时能耗散足够的能量 从而降低上部结构吸收的地震能量 2 3基础隔震结构动力反应分析2 3 1单质点基础隔震体系结构动力分析隔震结构动力分析模型 加速度反应分析动力方程求结构体系的加速度反应 可采用转变函数的方法 设结构体系的动力反应转换函数为H 地震地面的场地特征频率为 地面地震加速度 则隔震结构地震加速度反应把及代入式 2 1 经过整理归纳 可得到隔震结构体系的动力反应转换函数为 2 1 2 2 Ra是设计计算和控制隔震结构的隔震效果的重要基本公式 将式 2 2 或 2 3 整理后可得到隔震结构阻尼比的计算公式 物理意义 地震时隔震结构的地震加速度反应与地面地震加速度之比值 反映隔震结构对地面地震加速度的衰减效果 定义 加速度反应衰减比Ra 2 3 2 4 隔震结构位移反应分析采用转换函数求得隔震结构体系的位移 设隔震结构体系的动力反应转换函数为G 地面地震加速度为 则隔震结构的地震位移反应为 经过整理归纳 可得到隔震结构体系的位移反应转换函数 式 2 7 是计算地震时隔震装置水平位移的最大绝对值的基本公式 2 5 2 6 2 7 Ds 值的大小与地面加速度反应 场地的特征频率 固有频率比 n 以及隔震装置的阻尼比 等参数密切有关 一般可通过调整隔震的阻尼比值来减少隔震结构的位移值 现定义Rd为隔震结构位移反应放大比 Rd 表征隔震装置位移放大效应的指标 当场地特性 与隔震装置的刚度特性 K或 n 已定时 可通过增大隔震装置的阻尼比 来减少隔震装置的水平变位 2 8 2 3 2多质点基础隔震体系结构动力分析多质点平动体系结构动力分析模型 多质点平动体系基础隔震结构地震反应方程设结构频率特征值矩阵 diag 12 22 32 n2 其相对应的振型特征向量矩阵为 并引入广义坐标 q 则结构位移反应为 xs q 2 10 将式 2 10 代入式 2 9 并于方程两边乘以 T 则公式可化为 2 9 多质点平摆动体系结构动力分析模型 2 3 3基础隔震体系隔震效果分析及控制控制参数 1 隔震结构加速度反应衰减比 2 隔震结构阻尼比 3 隔震结构位移反应放大比 令Ra值为 即隔震结构的加速度反应衰减比为 表示结构在任何阻尼比 的情况下均不发挥隔震作用 此时 n 此值即为隔震结构与不隔震结构 传统抗震结构 的分界线理论值 与左图中A点相对应 隔震结构与传统抗震结构的理论分界线 基础隔震结构的隔震效果分析采用夹层橡胶隔震垫的隔震结构 其阻尼比 0 1 0 3 n 2 5 4 5 由此计算Ra可得 对于传统抗震结构 一般为 对隔震结构 当发生地震时 隔震结构的地震反应仅为传统抗震结构的地震反应的1 33 1 6 相当于降低地震烈度约2 5 5度 基础隔震结构刚度与阻尼比的合理控制1 隔震结构的加速度反应衰减比Ra随着 n值的增大而降低 即隔震结构的水平刚度K越小 n越低 隔震效果越显著 2 隔震结构的加速度反应衰减比Ra随着隔震结构阻尼比 的增大而增大 即隔震结构阻尼比 太大 对隔震效果反而不利 3 隔震结构的位移反应放大比Rd随着阻尼比 的增大而降低 即提高隔震结构的阻尼比 能有效的减少隔震体系上部结构与基础间的相对位移 即有效地减少隔震装置的水平剪切变位值 4 综上所述 合理选取隔震结构的刚度和阻尼 即合理选取隔震装置的水平剪切刚度K和阻尼比 是对隔震结构进行合理减震控制的关键 5 夹层橡胶垫的水平剪切刚度K和阻尼比 的选取的合理范围如下 n 2 4 5 0 10 0 306 如果要控制隔震结构的加速度反应衰减比Ra为 因为 所以 隔震结构的地震反应与传统抗震结构的地震反应之比为 基础隔震体系对地面竖向震动的反应分析 2 4 2隔震结构的抗震计算 分步设计法 隔震设计的基本步骤 确定水平向减震系数 上部结构设计 隔震层设计 下部结构设计 基础设计 隔震结构的计算范围及计算方法 1 隔震体系的计算简图可采用剪切型结构模型 当上部结构的质心与隔震层刚度中心不重合时应计入扭转变形的影响 隔震层顶部的梁板结构 对钢筋混凝土结构应作为其上部结构的一部分进行计算和设计 2 一般情况下 宜采用时程分析法进行计算 输入地震波的反应谱特性和数量 应符合 抗震规范 的规定 计算结果宜取其平均值 当处于发震断层10km以内时 若输入地震波未计及近场影响 对甲 乙类建筑 计算结果尚应乘以下列近场影响系数 5km以内取1 5 5km以外取1 25 2 4 2隔震结构的抗震计算隔震结构的计算范围及计算方法 3 砌体结构及基本周期与其相当的结构可按底部剪力法简化计算 对水平向减震系数及隔震后体系的基本周期按相关计算公式确定 水平向减震系数叠层橡胶隔震支座只具有隔离或耗散水平地震的功能 对竖向地震隔震效果不明显 为了反应隔震建筑隔震层以上结构水平地震反应减小这一情况 引入 水平向减震系数 由于隔震层对竖向隔震效果不明显 故当设防烈度为9度和8度且水平向减震系数为0 25时 隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算 当设防烈度为8度且水平向减震系数小于0 5时 宜进行竖向地震作用的计算 确定水平向减震系数的比值划分 隔震层的设计隔震层的设置要求隔震层宜设置在结构第一层以下的部位 其橡胶隔震支座应设置在受力较大的位置 间距不宜过大 其规格 数量和分布应根据竖向承载力 侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定 隔震层在罕遇地震下应保持稳定 不宜出现不可恢复的变形 隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下 不宜出现拉应力 水平动刚度和等效粘滞阻尼比的计算橡胶隔震垫的水平刚度和阻尼比的试验确定 上部结构的抗震计算首先计算隔震结构的总水平地震作用 底部剪力法水平向减震系数与总水平地震作用乘积为上部结构的地震作用 水平地震沿高度呈矩形分布竖向地震作用计算同非隔震结构隔震层以下结构计算隔震层以下结构 包括地下室 的地震作用和抗震验算 应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力 水平力和力矩进行计算 3 2结构消能减震机理结构消能减震的实质是 在结构内设置消能构件 或消能装置 它们能为结构提供较大的阻尼 在地震时大量消耗输入结构的振动能量 衰减结构的地震反应 3 2 1结构体系自由振动消能减震 令 为合成矢量 为相位角 3 2 2消能减震结构体系的强迫振动M为结构动力作用放大系数 即质点的振动反应x等于静力反应 F0 K 乘以结构动力作用放大系数M M值是决定结构体系振动反应的关键函数 如果M 1 则结构强迫振动为 放大 效应 M 1 则结构强迫振动为 衰减 效应 其分界线为M 1 3 2 2结构体系强迫振动消能减震M 结构动力作用放大系数 1 在 n 1 5的范围内 若结构体系阻尼 越小 则M值越大 结构振动为 放大 效应 若结构体系阻尼比 越大 则M值越小 结构振动为 衰减 效应 所以 在结构体系中设置消能构件 或消能装置 提供较大的阻尼 能有效地衰减结构的振动反应 2 当结构体系阻尼比 0 7时 在 n 的所有数值范围内 结构动力作用放大系数 M永远小于1 这意味着 若在结构体系中装设消能构件 或装置 使其阻尼比达到一定数值 则在任何外力 地震 风等 冲击下 都能确保有效地衰减结构的振动反应 3 3结构消能减震体系设计3 3 1耗能减震结构的设计要求耗能构件的设置根据罕遇地震下的预期结构位移控制要求 设置适当的耗能部件耗能部件应沿结构两个主轴方向分别设置 宜设置在层间变形较大的位置 数量和分布由综合分析确定 耗能构件的性能要求具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和适当的阻尼具有足够的初始刚度具有优良的耐久性构造简单 宜施工 宜维修 3 3 2耗能减震结构的抗震计算介绍结构消能减震体系三种实用设计计算方法 即循环设计法 时程分析法和能量分析法 循环设计法根据设计目标进行循环多次的设计计算 不断调整消能构件 或消能装置 的设计和布置 直到满足设计要求而完成设计的方法 称 循环设计法 基本假定 1 装设有消能构件 或消能装置 的结构 在设定的强地震中处于弹性状态 2 消能构件 或消能装置 的刚度 ka 和阻尼比 a 必须通过消能构件 或消能装置 的足尺试验测定 3 消能减震结构的层间刚度 k 等于主体结构的层间弹性刚度 ks 与实际布置在该层的消能构件 或消能装置 在相应层间位移状态下的刚度 ka 之和 4 消能减震结构的等效阻尼比 等于消能构件 或消能装置 在相应层间位移状态下的阻尼比 a i ai 4 1结构被动调谐减震控制概述4 1 1结构被动调谐减震控制的基本概念和分类概念结构被动调谐减震控制体系 由结构和附加在主结构上的子结构组成 附加的子结构具有质量 刚度和阻尼 因而可以调整子结构的自振频率 使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率 这样 当主结构受激励而振动时 子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上 使主结构的振动反应衰减并受到控制 由于这种减震控制不是通过提供外部能量 只是通过调整结构的频率特性来实现的 故称为 被动调谐减震控制 也称 动力消震 在结构中的机器振动 主结构直接受简谐激励 采用被动调谐减振 主结构为单质点的被动调谐减震控制体系计算模型如图所示 m1 K1 C1为主结构质量 刚度和阻尼 md Kd Cd为子结构质量 刚度和阻尼 P t 为外激励 简谐激励时P t P0sin t x1为主结构的位移反应 xd为子结构的位移反应 4 2 1主结构直接受简谐激励的调谐减震控制 4 2 1主结构直接受简谐激励的调谐减震控制 忽略主结构的阻尼 即C1 0 体系的动力方程 同理用转换函数的方法进行求解可得主体结构位移反应及动力放大系数 4 2 3基底受地震激励的结构的调谐减震控制 动力方程 为了使主结构第一振型的位移反应得到明显的减震控制 设计时必须选取最优频率比和最优阻尼比 从图可知 在子结构质量比 相同的情况下 为了达到最优的减震效果 调谐结构体系的最优频率比fopt d 1和子结构最优阻尼比 opt Cd 随着结构自由度的增多 前者随之提高 后者降低 5 1结构主动减震控制概述5 1 1结构主动减震控制的基本概念和分类概念结构主动控制是利用外部能源 计算机控制系统或智能材料 在结构物受激励振动过程中 瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性 以迅速衰减和控制结构动力响应的一种减震 振 技术 分类 1 按主动控制的利用程度分类 结构 全 主动控制 ActiveControl 结构半主动控制 SemiActiveControl 结构混合控制 HybridControl 2 按实现控制的手段型式分类 施加外力控制型 改变结构参数型 智能材料自控型 5 2结构主动控制的减震机理和系统组成以主动控制系统的典型型式 主动质量阻尼器AMD为例 介绍其系统组成及减震机理 5 2 1结构主动控制的减震机理有n个自由度的线性结构 采用主动减震控制结构体系 在地震激励下 结构体系的运动方程为 地震力激励下主动控制结构体系的运动方程为 主动控制结构体系 由于主动控制力的施加 改变了结构体系的阻尼 刚度和激励荷载 如果选用合理的控制算法 确定最优的控制力 则可以达到衰减和控制结构地震反应的目的 6 1 4 建筑火灾对结构的破坏 耐火极限建筑构件的耐火性能构件的燃烧性能和抵抗火焰燃烧的时间 耐火极限 耐火极限 对任一建筑构件按照标准时间 温度曲线进行耐火试验 从受到火起作用时起 到失去稳定性或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的时间耐火极限判定条件非承重结构丧失完整性 失去绝热性承重结构是否失去承载能力和抗变形能力墙 发生坍塌 失去承载能力梁或板 坍塌 失去承载能力 最大挠度超过L 20cm 失去抗变形能力柱 坍塌 失去承载能力 轴向收缩变形速度超过3Hmm min 失去抗变形能力 H为受火高度耐火极限的意义直接明了地给人们一个构件耐火能力的度量 耐火极限值取决于 建筑物用途 重要程度 灾害后可修复程度 我国混凝土现有耐火水平 结构抗火设计流程 钢筋混凝土结构抗火设计混凝土结构抗火设计要求 火灾下 结构达到承载力极限状态时的温度Td应不小于耐火极限时间内结构的最高温度TmTd Tm或 在结构耐火设计极限时间内 结构的承载力应不小于各种作用产生的组合效应 即 Rd Sm混凝土结构抗火设计计算流程火灾荷载的确定 热量Q 受火面积A 火灾荷载指火空间内所以可燃物燃烧时产生的总热量值 分为固定性荷载 活动性荷载和随机性荷载 6 4结构抗火设计 钢筋混凝土结构抗火设计混凝土结构抗火设计方法基本假定 截面温度分布忽略截面初始裂缝和应力状况平截面假定钢筋与混凝土之间无相对滑移作用忽略混凝土的高温抗拉作用近似计算方法假设低于500 时混凝土的高温抗压强度同常温抗压强度 高于500 时强度为零 将原截面简化为与常温混凝土强度相等 面积较小的匀质截面 然后按普通混凝土构件进行设计 6 4结构抗火设计 钢结构抗火设计基于实验的传统抗火设计方法基于计算的构件抗火设计方法基于性能的抗火设计方法 1 以性能为基础的防火设计方法是运用消防安全工程学的原理和方法 考虑火灾本身发生 发展和蔓延的基本规律 结合实际火灾中积累的经验 通过对建筑物及其内部可燃物的火灾危险性进行综合分析和计算 从而确定性能指标和设计指标 2 预设各种可能起火的条件和由此所造成的火 烟蔓延途径以及人员疏散情况 选择相应的消防安全工程措施 并评估消防安全目标是否已达到要求 特点 在消防设计过程中提出满足消防安全的性能指标 具体采用什么样的工程措施由设计人员自己确定 最终设计人员向审核人员证明其选择的工程解决方法是可靠有效的 安全目标的确定性 设计方法的灵活性和评估验证的必要性 3 一般爆炸对结构的作用 冲击波的破坏作用冲击波的破坏作用主要是由冲击波的超压引起的 在爆炸中心附近 空气冲击波的超压可达几个甚至十几个大气压 在这样的超高压作用下 建筑物将被摧毁 机械设备 管道等也会受到严重破坏 主要荷载振动破坏作用冲击波将直接或通过地基间接引起周围结构振动 进而造成结构损伤或破坏 次要荷载碎片冲击作用结构破坏产生碎片飞出 碎片在一定范围内飞散伤人 爆炸引起的火灾 受爆炸冲击时结构的受力特点荷载为偶然性的瞬间作用 荷载值特别大 不确定 设计时可以降低安全度 允许结构在达到设计荷载时进入塑性状态 出现大变形甚至局部破坏 但防止倒塌 冲击波作用在结构上的压力 时间曲线为一次脉冲动力荷载 需要进行动力响应分析 爆炸作用下构件的应变速率比常规荷载作用下的材料应变速率大得多 应考虑应变速度变化对材料力学性能的影响 7 2结构防爆设计 二 大气边界层的平均风特性 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 三 平均风剖面 8 1风的区分 1 顺风向力 与风向一致的风力作用 2 横风向力 结构物背后的旋涡引起结构物的横风向 与风向垂直 力 3 风力扭矩 由横风向力 顺风向力引起 结构的风效应 由风力产生的结构位移 速度 加速度响应 扭转响应 一 结构的风力和风效应 8 3风对结构作用的计算 二 顺风向平均风与脉动风 顺风向风速时程曲线 平均风 忽略其对结构的动力影响 等效为静力作用 风的长周期 结构的自振周期 脉动风 引起结构动力响应 风的短周期接近结构自振周期 顺风向的风效应 平均风效应 脉动风效应 脉动风速vf 短周期成分 周期一般只有几秒钟 vf v t t 8 3风对结构作用的计算 顺风向脉动风效应 脉动风 随机动力作用 按随机振动理论进行分析1 主要承重结构 顺风向总风效应 顺风向平均风效应 顺风向脉动风效应 二 顺风向平均风与脉动风 8 3风对结构作用的计算 三 结构横向风力和风效应 结构横向风作用具有周期性 结构横向风作用按确定性荷载进行计算 结构横风向作用具有随机性 结构横向风作用按随机振动理论进行计算 8 3风对结构作用的计算 四 结构总效应 考虑顺风向动力作用效应 脉动效应 与横风向动力作用效应 风振效应 的最大值不一定在同一时刻发生 采用平方和开方近似估算总的风动力效应 结构总风效应 结构顺风向静力效应 结构顺风向脉动效应 结构横风向风振效应 8 3风对结构作用的计算 第三节结构上的平均风压 一 风载体型系数 1 基本风压 根据一般空旷平坦地面 离地10m高 统计所得的重现期为50年的10分钟平均最大风速为标准 并未考虑建筑体型的影响 2 风载体型系数 s 气流未被房屋干扰前的流速v0 压力p0 房屋表面某点的流速v 压力p伯努里方程 p0 v02 2