6工程灾害与防治

土木工程概论第六大讲工程灾害与防治、工程加固在人类历史中，伴随人类社会的，不仅仅只有人类文明、科学技术的进步，还有各种各样的灾难，它们为人类历史留下的是一页页触目惊心的篇章。在刚刚过去的一个世纪里，自然的或人为的灾害给全球人类造成了不可估量的损失。联合国公布了二十世纪全球十项最具危害性的战争外灾难。它们分别是“地震灾害”、“风灾”、“水灾”、“火灾”、“火山喷发”、“海洋灾难”、“生物灾难”、“地质灾难”、“交通灾难”、“环境污染”。第一节工程灾害与防治最常发生的工程灾害有：地震风灾火灾地质灾害1.1地震灾害之历史上大地震1556年(明朝嘉靖三十四年)陕西关中大地震，遭受这次地震破坏共计101个县,分布在陕西、山西、河南、甘肃、宁夏等省区,面积约28万平方公里，人口伤亡有名者八十三万有奇。1906年美国旧金山大地震:地震规模约8.1，早期的报告中死亡人数约700人，但是最近的报告估计约3到4倍之多。此次地震出现了大断层断层长度超过400公里，断层两侧上下落差约为0.6公尺，最大水平相对位移达7公尺之多。1923年日本关东大地震：规模为8.2。地震发生刚好在中午，房屋多为木造，且自来水管破裂，以致引起极严重的火灾，在相模湾沿岸还有海啸侵袭，海啸高度达11公尺，灾情相当严重。关东地区南部的地盘隆起1至2公尺。东京地区有68,000人死亡，大部分死于火灾；横滨地区死亡人数约33,000人；房屋受震倒毁约25,000栋，烧掉约45,000栋。•1960年智利大地震:规模约9.5，为本世纪最大的地震。此次地震所引起的海啸，曾侵袭日本东北地方太平洋岸，其海啸高度高达6公尺，造成一千多人死伤或失踪。1976年中国唐山大地震:规模7.8，官方估计约250,000人死亡，在北京约有100人死于泥墙及砖房的倒塌。超过500,000人受伤。由于唐山是工业大城，所以灾后对中国经济的影响甚剧。1995年日本阪神大地震:发生在1995年1月17日，当地时间上午5时46分，规模为7.2。这次地震还引起火灾以及土壤液化、地盘下陷等。共计有5502人死亡，约41500人受伤，住家房屋全毁将近10万栋，半毁约107,0002栋，由于火灾而烧毁的房屋数目为7608栋，灾情相当严重。•2008年中国汶川大地震:发生在2008年5月12日，当地时间下午2时28分，规模为8.0。汶川大地震图片之废墟下被困人员汶川大地震图片之被压车辆汶川大地震图片之被毁房屋汶川大地震图片之山体滑坡引起唐家山堰塞湖1.2地震灾害之地震原因地球内部由表及里可分为地壳、地幔、地核三个圈层。据统计约有92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部。由于引起地壳震动的原因不同，可以把地震分为构造地震、火山地震和陷落地震。构造地震是由于岩层断裂，发生变位错动，在地质构造上发生巨大变化而产生的地震，所以叫做构造地震，也叫断裂地震。目前世界上发生的地震90%以上属于构造地震。构造地震的震源深度通常多在60公里以内。1.3地震灾害之地震带分布环太平洋地震带：地中海-印度尼西亚地震带、洋脊地震带我国强震及地震带分布情况1.4震级与烈度•震级：表征一次地震震源释施能量的大小。•震级由距震中100km处Wood-Anderson式标准地震仪所记录的最大水平地动位移A（μs）计算出。•M=logA•一个6级地震释放的能量相当于美国投掷在日本广岛的原子弹所具有的能量。震级每相差1.0级，能量相差大约32倍；每相差2.0级，能量相差约1000倍。•地震烈度(Intensity):是指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。对同一个地震，不同的地区，烈度大小是不一样的。距离震源近，破坏就大，烈度就高；距离震源远，破坏就小，烈度就低。•中国地震烈度表•中国地震加速度总图•在地质条件和距离相同的情况下，震级越大，烈度越大。•震级M与震中烈度I的关系M23456788以上I1~234~56~77~89~1011121.5地震灾害之地震防治（1）结构措施；2002年实施的《建筑抗震设计规范》，我国城镇建筑必须做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。从结构抗震设计角度提出的一个结构概念---“强柱弱梁，强剪弱弯”。(2)隔震；被隔振设备和支承结构之间，设置如钢弹簧、橡胶制品、软木或乳胶海绵等减振器或减振材料，使干扰力的频率与隔振体系的自振频率之比大于2,以便得到66％以上的隔振效果。（3）设置粘滞阻尼器；粘滞阻尼器能有效地消耗地震输入能，减小结构地震响应。2.1风灾之灾害损失从19世纪末期开始，世界上共有11座悬索桥在风致振动下毁坏。第一个有记载的是1818年坠毁的苏格兰的Oryburgh-Abbeg悬索桥。1879年，英国的Tay桥事故不仅造成桥梁结构的破坏，而且还使75人丧生。1940年秋，美国华盛顿州刚建成四个月的一座跨度为853m的塔科马（Tacoma）悬索桥在18m/s的风速下发生了强烈的振动。1970年11月，孟加拉国遭受强风暴及其带来的风暴潮和暴雨袭击，竟然造成30万人丧生。风暴潮的威力之大，能把巨轮搁到半山腰上去。“中国沿海容易遭受风暴潮影响的脆弱地带，往往又是经济发达、人口稠密的地区。全国70%以上的大城市、55%的国民经济收入都分布在东部和南部沿海地区。从1988年到2004年，中国每年因台风造成的直接经济损失高达233.5亿元，死亡人数达440人，农作物受灾面积达4323.8万亩，倒塌房屋30.7万间。2.2风灾之风荷载空气在结构物附近的流动2.2风灾之风荷载气流绕过建筑物侧面2.2风灾之风荷载风压分布的基本特点：◆在正面风力作用下，迎风面一般均有正压力，此正压力在迎风面的中间偏上最大，两边及底下最小;◆背风面承受全部负压力（吸力），一般两边略大，中间较小，分布比较均匀;◆当风平行于建筑物侧面时，两侧一般也同时受吸力作用。迎风侧较大，背风侧小;2.3风灾之风灾防治（1）基本风压大的地区应控制建筑物高度;一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐渐加大。（2）建筑物体型设计成圆形与接近圆形;圆形能有效地避免了涡流区出现，减小负压。（3）尽可能采用坡屋面，特别是四坡屋面。总的来说坡屋面比普通人字形屋面具有更好的抗风性能，这是由于四坡屋面转角处的结构形式可有效地降低峰值吸力。上海环球金融中心3.1火灾之灾害损失2003年11月3日，湖南省衡阳市衡州大厦失火。2004年2月15日，吉林市中百商厦特大火灾。2007年12月12日，温州市温富大厦起火。2001年9月11日9：40许纽约世贸大厦在大火中倒塌。3.2火灾之灾害防治提高钢筋混凝土构件耐火极限的主要措施有：（1）增加钢筋混凝土构件的截面尺寸（30×30cm的钢筋混泥土柱，耐火极限3.00h；37×37cm的钢筋混泥土柱，耐火极限5.00h）；（2）增加钢筋混泥土构件的钢筋保护层厚度（简支钢筋混泥土梁，非预应力钢筋，当保护层厚度分别为2.0、2.5、3.0cm时，耐火极限分别为1.75、2.00、2.30h；简支钢筋混泥土圆孔空心板，非预应力钢筋，当保护层厚度分别为1.0、2、3.0cm时，耐火极限分别为0.9、1.25、1.5h），可采取增加抹灰层厚度；（3）预应力钢筋混泥土圆孔楼板下面喷涂防火涂料，预应力钢筋混泥土圆孔楼板的耐火极限较差，当保护层厚度1cm时，耐火极限0.4h；保护层厚度3cm时，耐火极限0.85h，若在该预应力钢筋混泥土圆孔楼板下喷涂0.5cm厚的106防火涂料，可提高耐火极限到1.8h。4.1地质灾害之灾害损失地质灾害主要包括：滑坡、泥石流。南昆铁路八渡滑坡4.1地质灾害之灾害损失１９８２年７月１７日至１８日，云阳县城东的鸡扒子发生滑坡。１９８５年６月１２日凌晨，湖北秭归县新滩滑坡。２００１年５月１日２０时３０分左右，武隆县县城仙女路西段发生山体滑坡。2007年7月18日，全国著名旅游景点渣滓洞被泥石流冲得面目全非。被泥石流冲得面目全非的渣滓洞监狱2008年9月8日山西临汾市襄汾县陶寺乡塔山矿区废弃尾矿库垮坝事故4.2地质灾害之灾害防治滑坡防治措施主要有：抗滑桩支挡、削坡减载、截水排水、坡脚反压抗滑桩施工4.2地质灾害之灾害防治泥石流防治措施主要有：(1)跨越工程。修建桥梁、涵洞，从泥石流沟上方跨越通过;（2）穿过工程。修建隧道、渡槽，从泥石流下方通过;（3）防护工程。修建护坡、挡墙、顺坝、丁坝等;（4）排导工程。修建导堤、急流槽、束流堤等。某丁坝照片第二节工程加固国内外工程加固现状在发达国家或地区，人们常常对重要建筑物进行抗震加固，或对桥梁、简仓等构筑物及局部损坏认为拆除又不合算的结构进行加固。有人预计美、英等国的改造维护业到2000年要超过新建筑业。在我国，旧房改造、受灾房屋加固等工程项目已越来越多，同时加固产生的社会效益和经济效益也越来越大，但实际操作上只仅仅是在加固时就事论事，很少对工程结构加固的效果作理论上的细致分析和试验论证。1990年，我国成立了全国建筑物鉴定和加固标准技术委员会，并开始编制建筑物鉴定和加固规程。同济大学也为建筑改造加固建立了专门的研究学科，从而对工程结构加固是一种有力的扶持和推动。工程加固实例：北京全国农业展览馆综合馆，1976年唐山地震，综合馆遭到严重损坏，抗震加固措施:1.层面大、小亭子都有震害，将八角亭的外柱和内柱分布组成开洞钢筋混凝土墙，使强度和刚度都提高。2.开裂墙体用5cm厚钢筋网水泥砂浆面层单面加固，以提高墙体抗剪强度。3.底层大厅的加固考虑减少砖墙的震害，加固时用28cm厚L型截面剪力墙与原砖墙结合一起，部分墙体用6cm厚钢筋网水泥砂浆面层单面加固。4.主体结构两侧单层部分分别采用外墙钢筋水泥砂浆面层单面加固，在原伸缩缝处增加10cm厚钢筋混凝土剪力墙使刚度中心与质量中心尽量接近。经过加固以后，结构的刚度和强度分布比较合理，按照8度地震设防要求输入地震记录计算后，结构各层的反应大大减小，加固效果十分明显。工程加固材料：目前主要是用钢材作为加固介质。钢筋砼结构加固的方法有很多种，20世纪90年代以来主要是置换法、绕丝法，粘钢等方法。因为复合材料自重轻、厚度小；任意长度，免搭接；材料不用预加工；板材允许交叉；具有钢所不具有的抗腐蚀性，较高的强重比和抗疲劳能力，在加强钢砼结构时，不增加梁的高度和柱的截面，不影响使用和美观，所以越来越得到普遍的重视，现在已较多地开始研究粘贴复合材料来加固梁柱等结构。在对复合材料作为加固介质进行力学特性研究的同时，也同时开展了加固技术的研究。