抗震评估（精选九篇）
抗震评估 篇1
1 推倒分析方法的基本原理与假设
推倒分析方法是基于性能/位移评价现有结构和设计新结构的一种方法。推倒分析是结构分析模型在一个沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下,直至结构模型控制点达到目标位移或是结构倾覆为止的过程。推倒分析可用于建筑物的抗震鉴定和加固,以及对新建结构的抗震设计和性能评价。它可以对设计的地震运动作用在结构体系和它的组件上的抗震需求提供充足的信息。推倒分析方法基于以下两个基本假设:1)结构的响应受单一振型控制,因此,可以将多自由度体系的弹塑性反应用等效的单自由度体系的响应来表达。2)结构沿高度的变形由形状向量中表示。在整个地震反应过程中,不管结构变形大小,中始终保持不变。
从实际的情况出发,这种假设存在不合理性,但是大多数的研究表明,对于响应以第一振型为主的结构,该方法可以得到结构较为合理的最大地震反应。该方法首先假定结构的变形为:
u=utφ (1)
将式(1)代入结构地震运动方程,得到:
式(2)为单自由度体系的地震响应运动方程。若令:
并在式(3)两侧同乘中,最后得到如下的运动方程:
如果已知多自由度结构体系的变形形状向量切,结构的地震响应可从式(4)的单自由度体系振动方程计算得到。而单自由度结构的地震响应可以采用能量一定原则、位移一定原则等简略算法近似得到,所以整个计算过程将非常简单。
2 推倒分析方法的实施步骤
1)建立结构的计算模型,确定结构各单元的恢复力模型,对结构进行推倒分析,得到底部剪力与顶端位移关系曲线,具体操作过程为:a.建立结构的计算模型;b.对结构施加重力荷载,分析结构在自重作用下的内力情况;确定结构上施加的侧向力模式,通常采用结构基本振型形式作侧向力的分布模式;c.计算单元内力,并对横向荷载与垂直的重力荷载引起的内力进行组合;d.判断单元是否达到屈服(自定义或位移屈服准则);e.记录施加总的侧向力与结构控制点的水平位移,通常取最大水平位移的点为控制点;f.对于已经屈服的单元,将其刚度折减或置零,对结构施加新的侧向力增量,使得另一个或另一组单元屈服;g.迭加荷载增量和控制位置,直至结构顶点位移足够大或塑性铰足够多,或是达到预定的破坏极限状态;h.绘制基础剪力—顶部位移关系曲线,即推倒分析曲线。在现有的计算程序中,步骤e～步骤h都在程序内部直接运行了,分析时只需要确定荷载的模式、增量,逐级施加荷载即可。
2)由上一步分析得到的描述结构抵抗侧向力荷载能力的能力曲线,由得到的抵抗侧向力荷载能力曲线计算结构在相应地震荷载等级下的位移,即目标位移。
3)在目标位移下,评价结构的性能及抗震能力。
3 基于推倒分析的抗震能力评价准则
推倒方法本身包含两个方面的内容:计算结构的能力曲线,计算结构的目标位移及结果的评价。第一方面内容的中心问题是静力弹塑性分析中采用的结构模型和加载方式;第二方面内容的中心问题则是如何确定结构在预定水平地震作用下的反应,目前可分为以ATC-40为代表的能力谱法和以FEMA356为代表的非线性静力方法。CSM的表现形式是对弹性反应谱进行修正,而NSP则是直接利用各种系数对弹性反应谱的计算位移值进行调整,二者在理论上是一致的。
基于结构行为设计使用推倒分析包括形成结构近似需求和能力曲线并确定曲线交点。需求曲线基于反应谱曲线,能力曲线基于推倒分析。在推倒分析中,结构在逐渐增加的荷载作用下,其抗侧能力不断变化,这条曲线我们可以看作是表征结构抗侧能力的曲线。将需求曲线与抗侧能力曲线绘制在一张图表中,如果近似需求曲线与能力曲线有交点,则称此交点为性能点。利用性能点能够得到结构在用需求曲线表征的地震作用下结构底部剪力和位移。通过比较结构在性能点的行为与预先定义的容许准则,判断设计目标是否达到。
推倒分析基于ATC-40和FEMA356中对钢结构、钢筋混凝土结构、砌体结构及木结构建筑物以其性能表现为基准的抗震评价方法。它主要是依照不同的地震等级与不同的建筑物性能表现等级而制定出不同的修复目标。地震大小等级是指建筑物在使用年限中可能遇到的地震灾害,建筑物性能等级则代表建筑物在受地震作用后可维持的功能,共分四级:正常使用、可立即使用、生命安全、建筑物不倒塌,以达到大震不倒,中震可修,小震不坏的原则。
在利用推倒分析得到了结构荷载—位移曲线后,可以通过种方法进行结构抗震能力评价:1)用规范规定的容许层间位移角,检验结构承载力曲线上对应层剪力的位移角是否符合要求2)用层承载力曲线相应的恢复力模型,按时程分析校核非线性层间变形是否符合规范限值的要求。3)建立ADRS谱和能力谱将两条曲线放在同一个图上,得出交汇点的位移值,同目标位移进行比较,检验是否满足弹塑性变形验算要求。
摘要：对如何在桥梁抗震能力评估中运用推倒分析进行了介绍,指出推倒分析应用于桥梁结构的抗震能力评价,可以简化计算过程,从整体上把握结构各构件的破坏过程,了解桥梁结构抗震的薄弱环节并采取相应的工程措施加以改善。
关键词：桥梁,推倒分析,抗震能力评估
参考文献
[1]王东升,冯启民.桥梁震害预测方法[J].自然灾害学报,2001,110(4):16-17.
[2]章在墉.地震危险性分析及其应用[M].上海:同济大学出版社,1995.
[3]冯峻辉,闰贵平.地震工程中的静力弹塑性推倒分析法[J].贵州工业大学学报,2003,23(2):99-100.
工程结构抗震抗震复习提纲 篇2
第1章地震基础知识、抗震设防 1.地震波有类型、各有特点。
2.地震常用术语，地震按震源深度分类。3.震级、地震烈度的概念！地震烈度如何分类 4.基本烈度区划与地震动参数区划。
5.建筑物的抗震设防类别划分、抗震设防标准。6.工程结构的抗震设防依据、抗震设防的目标、两阶段设计方法。
第2章场地、地基和基础
1.场地的概念、建筑物选择场地的原则。2.场地土类型、土层等效剪切波速、覆盖层厚度。3.场地类别划分的依据。
4.地基抗震承载力确定，地基和基础的抗震验算。5.可不进行天然地基基础的抗震承载力验算范围。6.液化的概念，液化产生的震害，影响场地土液化的因素。
7.液化判别方法，可液化地基的抗液化措施。第3章地震反应分析和结构抗震验算 1．结构的地震反应概念，结构抗震设计步骤。2．场地条件、震中距对地震反应谱的影响特点。3．动力系数、地震系数、地震影响系数的概念。4．多质点体系的简化计算简图，各层重力荷载代表值的求法。
5．振型分解反应谱法的计算公式和每个参数的含义。6．底部剪力法的适用范围、计算步骤、注意要点。7．结构构件截面抗震承载力验算、荷载效应组合。8．多遇地震作用的结构抗震变形验算目的、方法。9．罕遇地震烈度下弹塑性位移验算目的、范围、方法。
10．薄弱层弹塑性层间位移简化计算方法：楼层屈服强度系数、薄弱层（部位）。
11．薄弱层弹塑性层间变形计算方法。第4章建筑抗震概念设计
建筑的平立面布置；结构选型与结构布置；多道抗震防线；刚度、承载力、延性；结构整体性；非结构构件处理。
第5章多高层钢筋混凝土房屋抗震设计
1．了解钢筋混凝土结构常见的震害，分析其原因。
2．抗震设计的基本要求：适用高度、高宽比、抗震等级、结构布置。
3．框架结构抗震计算：抗震设计步骤。
4．房屋适用高度的概念、限制房屋的高宽比意义。5．钢筋混凝土结构划分抗震等级意义、划分依据。6．截面设计、延性设计原则、框架结构抗震构造措施。7．框架梁、框架柱的内力调整。8．框架梁、框架柱的截面承载力计算。9．节点核心区钢筋的锚固和搭接要求。
10．轴压比计算、限制钢筋混凝土柱的轴压比意义。11．框架结构要对梁柱端进行箍筋加密作用。第6章砌体结构抗震设计
1．震害、震害分析。砌体结构房屋的概念设计。2．限制砌体房屋抗震横墙最大间距目的。3．楼层剪力在各墙体间的分配原则。4．墙体截面抗震承载力的验算方法。5．墙体承载力验算位置选择。
6．各类砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度计算方法。
7．圈梁、构造柱作用及设置原则。8．楼梯间的构造要求。
9．底部框架—抗震墙房屋的抗震设计要点。第7章多、高层钢结构房屋抗震设计 1.高层钢结构结构体系 2.高层钢结构结构的布置原则
第8章单层钢筋混凝土柱厂房抗震设计 1.单层厂房结构的主要震害。2.单层厂房结构在平面布置要求。
3.单层厂房在屋盖系统、柱、柱间支撑和围护墙体等的要求。
4.单层厂房横向抗震计算有哪些基本假定、横向抗震计算方法、步骤。
5.单层厂房纵向计算的修正刚度法和拟能量法的基本原理及其应用范围。
框架结构抗震塑性屈曲安全性评估 篇3
关键词：框架结构 抗震塑性 安全性评估
随着科技进步，如今的建筑物大多采用框架结构体系，但是要求不仅能满足正常旅工和正常使用下的耐久性要求，还要满足框架结构抗震塑性屈曲安全性要求。这些要求就是结构设计的准则。文章通过分析框架结构体系在水平地震作用下的变形特点，并研究了框架结构体系震塑性屈曲安全性评估方法。
1 地震作用下的框架结构受力变形特点
框架结构体系建筑，它的受力点处于震区。一般根据对重力的垂直荷载控制的设计结构来设计较低的框架结构建筑。建筑物高度越高，长宽比越大，垂直载荷在结构设计上的影响就越重要。其次，作为即将成为一个重要的框架结构设计的控制因素，水平荷载的框架结构建筑的影响也会变得越来越大，甚至可能会起到决定性的作用。地震时，虽然框架结构体系受到的主要破坏时由水平振动引起的，但也不能忽略垂直振动。在设计过程中，我国目前采取的措施是只考虑水平振动的作用。假设下图中那个高度为H的竖向构件是一栋建筑物，那么它在地震中的受力变形特点如图1.1所示。
图中，横向力矩M=I/3qH2，水平荷载顶点侧向位移是：△=11qH4/120EI，竖向荷载产生的轴向力为N=WH，其中W代表结构的单位米质量，EI代表弯曲程度。轴向力与高度成正比是显而易见的，并且随着建筑物高度平方的增加，而弯矩是相应成正比的，而顶点位移是随着高度四次方增加而增加的。显然对于框架结构体系建筑来说，高度越高的建筑，水平振动的破坏程度越大，已经成为了框架结构体系设计的关键点了。当然，在轴力的作用下，框架柱也会产生竖向形变，这也是构成结构总变形的一部分，甚至会是结构出现整体变形的情况。图1.2很好地描述了多高层框架结构体系被水平振动破坏的情形。
2 地震灾害作用的效应分析
在受到地震作用时，框架结构体系由于其结构复杂，其效应分析的难度也变得很大。而一般建筑物的材料都有钢筋混凝土结构，它是由两种性能差别非常大的钢筋和混凝土这两种材料构成的，他们的弹塑性性能变化给研究框架体系在地震时的效应分析加大了难度。各个国家建筑界目前研究条件还不够，只能通过采用弹性理论和方法来进行研究，结果只能大概估计，这种研究成果的可靠性并不是很强，有待加强。
3 框架结构抗震塑性屈曲安全性评估方法研究现状
早在上个世纪九十年代，部分美国学者就提出了抗震屈曲安全性评估方法，这是一种基于性能的框架体系抗震安全性研究方法。为了找到科学的方法来提高框架结构体系的抗震能力，学者研究了结构从弹性变到弹塑性然后到破坏甚至倒塌的过程，研究在小震作用和大震作用时结构的弹塑性变化情况，并进行了分析。
在一般情况下，分析框架结构建筑物的震动响应和破坏现象通过利用动态时程来进行分析方法来是很理想的。但另一方面，这种方法对专业理论水平要求极高，并且数据繁冗，处理过程及其枯燥，而且建筑物结构构成复杂，地震本身随机性强，这种方法在工程中的运用并不十分广泛。
一种基于性能的框架结构体系抗震性能评估方法实用性很强，是一个强有力的工具，并且广为流传，即静态非线性分析方法，也称Pushover方法。目前全世界对这种方法在工程界的应用还处于起步阶段，我国虽然相关规范中有所提及，但是技术相当不成熟，对它的进一步研究尚在进行中，但是某些实用而且著名的结构分析软件都加入了静力非线性分析的功能，比如ETABS、SAP2000以及MIDAS等等。这种方法虽然应用不是很广泛，但是他结果精确又便于操作，以后必将在工程实践中得到广泛应用。
4 框架结构抗震塑性屈曲安全性评估方法-静力非线性分析评估方法
4.1 基本原理 用静态非线性分析方法来分析框架结构体系抗震塑性屈曲安全性的基本思路是通过建立框架结构体系在地震时的负载模型来模拟实际地震力水平作用情况时的真实框架结构体系建筑。具体操作方法是通过持续增加侧向力，是建筑物承受一定的压力而达到某个目标位移值，或者是依据建筑物倒塌来判定。并根据实验得到的数据进行处理，绘出载荷-位移曲线图，并结合已有的弹塑性反应图谱来进行综合理解，研究出框架体系抗震屈曲安全性性能快速评估的方法。总而言之，静态非线性分析的操作原理是是：在理想状况下，实际的框架结构体系相当于一个单自由度体系，要想知道框架体系在地震时的弹塑性反应的整个过程，就必须知道它的地震作用状态下的反应控制指标。这种方法是通过研究模型的弹塑性反应来反推它在地震时的控制指标，达到研究目的。
4.2 具体操作过程 以下三个环节构成了静力非线性分析方法的基本的三个部分：①建立地震水平振动时框架结构体系受力模型，并绘出其荷载-位移图；②再根据框架结构体系的弹塑性反应来反推其受水平地震时的反应控制目标值；③进行安全性评估。
4.2.1 荷载-位移图的绘制流程。①确定框架结构体系计算分析模型；②对框架结构体系模型加竖向荷载(一般是重力荷载)，再加某种水平荷载，让一个或一批构件都进入屈服状态；③对上一步已经屈服的构件，采取一定方法使其刚度矩阵改变，以及在它上面加载水平荷载直至它的形态破坏，形成新结构，如此往复，对其他的构件采取同样的操作方法；直到所有构件被改变和框架结构体系已经被破坏为止。记录这个过程中得到的所有不同荷载的反应数据，反推其弹塑性反应各过程的先后顺序；⑤绘制载荷-位移曲线。
4.2.2 模型的构建及其反推原理。要判断图上某一点是不是目标位移，就要通过上一步实验得出的荷载位移图，并转换处理框架结构体系的承载能力和外力作用来得出。查出规范设计规定的允许变形，将其与目标位移进行比较，就可以评估出框架结构体系建筑的抗震塑性屈曲安全性。这种方法的具体实施方法有目标位移法和承载力谱法两种，但它们的实质都在于用等价的单自由度来替换真实地震时的多自由度反应，来研究其在地震作用下的安全性。
目标位移发的基本过程是在修正有效刚度位移值的时候，要采取静力非线性分析法，并去一定的系数来确定目标位移。这是从美国联邦紧急救援事务署文件FEMA一273中使用过的方法，取框架结构体系顶层的最大位移作为目标位移，并进行下一步的分析。
承载力谱法是通过建立框架结构体系能力谱反应曲线和框架结构体系需求谱曲线，这是美国应用技术协会推荐使用的方法。其中框架结构体系需求曲线是用谱加速度谱位移来表示的，是由地震输入得到的标准加速度反应谱的来的，另外一条结构框架体系能力谱曲线也是用谱加速度-谱位移来表示的，但是是由荷载位移曲线进行推导。当它们处于同一坐标系下的时候，结构抗震性能点或者称为目标位移点就是两条曲线的交点。
4.2.3 对框架结构体系的安全性进行评估。框架结构体系抗震屈曲安全性评估方法有三种：①按时程分析非线性层间的位置变形，结合承载力所对应的恢复力模型，看这种位置变形是否符合设计规定；②查出框架结构体系承载力曲线上对应点的层剪力位移角，与规范规定的允许层间位移角进行比较，看是否符合设计规范；③在同一坐标下重新建立能力谱与需求谱两条曲线，根据规范规定位移允许值和其目标位移值的比较结果来验证其是否在允许变形范围内。
5 结论
本文中框架结构体系在地震作用下的安全性评估方法是不尽完善的。结构抗震是一种空间整体的行为，如今的建筑物都有填充墙，这点在本文中被忽略了。此外，框架结构体系建筑在实际的工程过程或者使用过程中除了受到水平地震的作用，还遭受着多线地震作用，而本文并没有考虑这一点，因此对框架结构体系的全面抗震性能研究还需要进一步加强。
参考文献：
[1]张文明，高大峰.基于性能的框架结构抗震安全评估方法研究 [J].西北地震学报.2007，29(4).
[2]张沛伟.钢筋混凝土框架结构体系抗震可靠性分析方法研究[J].科技信息.2009(7).
[3]傅华风.钢结构基本构件的抗震延性分析[J].中国土木工程学会.2006.
[4]游大江，乔聚甫.巨型框架结构体系超高层钢结构施工技术[J].施工技术.2006，35(12).
平面不规则结构的抗震性能评估 篇4
近年来, 各种不规则结构逐渐增多, 这些结构往往具有层间缩进、质量和刚度突变等特点。历次大地震各类不规则结构往往遭受较严重的破坏甚至倒塌。大量的震害表明, 不规则结构尤其是高层不规则结构极易发生结构扭转脆性破坏, 严重者甚至会发生整个结构倒塌。如何简便而有效地得到不规则结构的抗震性能, 成为抗震性能评估的研究问题之一。静力弹塑性分析方法在应用于不规则结构时有较大的误差, 因此, 本文应用模态Pushover方法对不规则结构进行计算, 并通过对此方法的改进, 以求得到较为准确的结果。
1 模态Pushover方法
Chopra A.K.与其他研究人员基于结构动力学基本理论提出了模态Pushover方法[1,2,3]。该方法考虑结构的高阶振型影响, 对每一阶振型进行分析并简化为不同的等效单自由度体系, 对得到的结果进行组合, 从而得到结构的顶点位移、层间位移等评估指标, 其结果较为准确, 概念清晰, 有较为广泛的应用前景。模态Pushover方法的原理及相关公式推导可详细查阅文献[1]。
对于建立的单自由度体系, 可以进行弹塑性时程分析、弹性反应谱或者弹塑性反应谱分析。本文采用弹塑性时程分析方法计算位移, 由式urn=ΓnφrnDn计算原结构的顶点位移, 最后经过一定方式的组合, 得到结构的位移。本文采用弹塑性时程分析计算得到等效单自由度体系的最大位移。
2 MPA基本步骤
在Chopra的两个假设之上, 本文在后述各章、节中采用的关于多自由度平面框架的MPA方法基本步骤如下:
1) 计算结构的模态, 包括振型及自振周期, 并按照质量参与系数满足95%的条件选取足够的振型参与以下的MPA;
2) 对于第n阶模态, 建立基底剪力和顶点位移的关系, 在两个方向的Pushover分析中, 应选择振型位移占主要作用的方向, 在竖向荷载作用下的反应urg;
3) 将所得到的Pushover曲线进行双折线简化;
4) 将简化的Pushover曲线转化为Fsn/Ln-Dn的关系。其中, ;φrn为第n阶振型所选择方向的振型位移;
5) 计算得到的单自由度的最大位移Dn, 其中的本构关系为由第4步得到的结果。此过程可以由弹塑性时程分析, 弹塑性反应谱或者弹性设计谱方法计算得到;
6) 计算元结构所选方向的顶点最大位移urg, 计算公式为urg=ΓnφrnDn;
7) 计算得到位移等性能指标, 这位移中已经加载了竖向荷载;
8) 重复上边的过程, 直到振型达到精度;
9) 计算第n阶振型的位移rn=rn+g-rg;
10) 计算结构的反应, 其中:
式中的相关系数为:
其中βin由βin=ωi/ωn计算得到;ωi、ωn是相关振型的自振频率, ζi、ζn为相关振型的阻尼系数。
3 算例
3.1 计算模型与地震波的选取
为说明平面不规则结构在地震作用下的变形情况以及高振型所产生的影响, 本文建立计算模型, 如图1所示, 为4层的钢筋混凝土结构, 跨间距均为3 m。结构的梁柱截面情况如表1所示, 截面配筋由SAP2000程序自动配筋。按照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中的相关规定, 两个结构均视为平面不规则结构。
为研究结构的动力特性, 本文选取4条地震波对此结构进行弹塑性动力时程分析。这4条地震波分别为Northridge地震波和两条来自不同测站的San Fernando地震波, 以及1条兰州人工波1, 分别编号1#~4#。如图2所示为3条自然地震波的弹性反应谱。
3.2 计算过程
在进行结构分析中, 本文选取振型质量参与系数较多的模态进行分析, 这样可以选取对振动影响大的振型进行分析。结构的振型质量参与系数如表2所示。选取1~5阶振型。
注:UX代表平动X方向, UY代表平动Y方向, UZ代表绕Z轴旋转方向, 下同。
首先对结构进行分析, 分别输入4条地震波, 得到结构的单自由度体系的反应, 表3所示为各阶模态所对应的单自由度的地震反应分析的位移最大值。
mm
由上述分析得到每一阶单自由度的位移, 可以发现有些单自由度体系已经进入塑性阶段, 而有些仍然处在弹性阶段, 表4列出了每一阶振型的响应状态和延性系数, 从表中可以发现, 结构的前几阶振型都已进入塑性阶段。
3.3 考虑屈服后位移对模态Pushover的结果进行改进
由于在强烈地震作用下, 结构一般会进入弹塑性阶段, 此时采用弹性阶段的振型组合表示屈服后的结构变形会产生一定误差。因此在进行位移组合时, 以结构屈服后的变形关系代替结构振型分析得到的位移关系, 这样更加接近于实际情况。图3所示为结构模态Pushover分析中, 模态1分析的弹塑性变形与它的模态位移的对比关系。从图3可以发现, 弹塑性变形与弹性阶段的变形状况有明显的不同, 因此, 本文采用弹塑性变形的位移关系计算结构的位移响应, 对模态Pushover方法进行改进。
基于上面的讨论, 本文提出在计算原结构位移时, 应采用塑性阶段的变形位移关系来代替弹性阶段的位移变形关系, 即对于发生屈服的单自由度的体系, 应采用屈服后的位移比计算位移并进行组合。在弹塑性时程分析中, 已经得到每一阶振型所对应单自由度体系所处的反应状态, 某些单自由度体系已经进入了弹塑性阶段, 有些还处在弹性阶段, 并且每一阶振型所对应的顶点位移已经得到。本文以此位移为顶点位移计算得到每一阶振型所处的状态, 从而得到各个结点在此时刻的位移变形关系, 并将得到的结果进行组合。图4所示为结构的模态Pushover分析与改进模态Pushover分析以及与时程分析的对比关系。
从图4的分析中可以得到, 改进的模态Pushover方法所得到的结果能够反映出结构的变形趋势。其中层间位移的误差减小较多, 能够对上部几层的层间位移作出较好的预测。
4 结论
本文采用模态Pushover分析方法, 考虑不规则结构的高振型影响, 以及刚度和质量的突变。通过算例, 与时程分析对比, 证明此方法能够得到结构的变形响应趋势。本文提出的考虑屈服后位移的模态Pushover方法, 以结构屈服后变形的实际情况进行位移组合, 并通过算例比较证明此方法能够反映出结构的变形趋势, 误差较未改进的方法小, 能够对结构进行较为准确的评估, 从而扩展了该方法的应用范围, 为工程实际应用提供参考。
摘要：大量的震害表明, 不规则结构尤其是高层不规则结构极易发生破坏, 严重者甚至会发生整个结构倒塌。为对平面不规则结构进行抗震性能评估, 本文给出了一种改进的模态Pushover方法。利用模态Pushover方法, 将结构简化为不同的等效单自由度体系。考虑对结构振动有较大影响的振型, 对其等效的单自由度体系进行弹塑性时程分析, 得到最大位移, 并通过一定的组合方式得到原结构的楼层位移和层间位移等性能指标。由于结构在屈服后的各节点变形关系与弹性振型分析时各节点变形关系并不相同, 因此, 本文提出按照该振型所处状态的各个节点变形关系, 将得到的位移进行组合。通过算例分析并与弹塑性时程分析对比, 表明该方法能够得到更合理的结果, 能够有效应用于竖向不规则结构的计算。
关键词：平面不规则结构,性能评估,模态Pushover方法,高振型影响,屈服后位移
参考文献
[1]Chopra A.K., Goel R.K.A modal pushover analysis procedure to estimate seismic demands for buildings:Theory and Preliminary Evaluation[R].PEER Report 2001/03, Pacific Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering University of California Berkeley, 2001.
[2]Erol Kalkan, Sashi K.Kunnath.Adaptive Modal Combination Procedure for Nonlinear Static Analysis of Building Structures[J].Journal of Structural Engineering, 2006, 132 (11) .
[3]Chopra A.K., Goel R.K.A modal pushover analysis procedure to estimate seismic demands for unsymmetric-plan buildings:theory and preliminary evaluation[R].PEER Report 2003, 8, Pacific Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering University of California Berkeley, 2003.
[4]毛建猛, 谢礼立, 翟长海.模态pushover分析方法的研究和改进[J].地震工程与工程振动, 2006, 26 (6) :50-55.
抗震评估 篇5
(1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，
(2)宜有多道抗震设防，一般来说超静定次数越高对抗震越有利，避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力，
(3)应具备必要的承载力，良好变形能力和耗能能力。
抗震救灾卫生防疫评估体系的建立 篇6
1灾区建立卫生防疫评估体系的意义
在灾区建立卫生防疫评估体系, 目的是合理安排有限的人力和物力资源, 使其发挥最大的功能。
1.1 评价灾区受灾情况, 掌握当地卫生防病需求
全面了解受灾情况是开展救灾工作的基础, 通过了解受灾地区人员、环境、物资状况, 可以评价当地受灾的严重程度, 估算救灾所需要的物资、人力、技术等资源, 避免卫生防疫救灾工作的盲目性。
1.2 制订针对性防疫工作方案
根据掌握的灾区情况, 制定相应的卫生防疫救灾方案, 如水源受到损坏, 必须重点做好水的安全卫生工作;当地文化水平较低, 必须做好人群卫生防病的健康教育工作;环境恶劣, 可能引起疫情流行, 必须做好环境的消杀和居民的疾病监测工作等。卫生防疫救援工作可以同时开展, 也可以有重点地进行。一个方案完成, 达到工作目标以后, 通过评估可以制订下一个工作方案进行实施, 确保工作的成效, 使救灾工作具有针对性。
1.3 评价防疫工作效果, 合理配置防疫资源
随着卫生防疫救灾工作的进行, 灾区的卫生状况处于不断改善的过程中, 通过及时开展评估工作, 可以了解防疫工作的效果。尤其是灾害发生初期, 大量的物资、人员集中到交通便捷的地区, 交通不便的地区则物资稀少, 造成救援物资和人员分布不均。通过评估, 可以决定物资、救援人员的分布, 为灾区群众提供更好的救援, 避免救灾工作中的重复性。
2评估体系的特点
2.1 时效性
灾后的状况是一个变化的过程, 外界救援的干预、当地群众的自救、灾害的后继作用等, 都使灾害存在诸多变数, 因此评估结果具有时效性。在灾害、群众生活稳定之前, 需要不断地对灾区进行评估, 掌握灾区的卫生防疫需求的实时状况, 以便明确下一步的工作重点和要求。
2.2 区域性
评估体系按照范围可以分为整体评估、局部评估。作为整个卫生救援队伍来说, 需要对整个灾区进行评估。而对抗震救灾小队来讲, 则以对救援区域进行局部评估为主, 评估结果是其开展工作的依据。局部评估可以生产队、村为单位, 最大不超过乡镇为单位进行评估。该评估结果也可以作为整个卫生救援评估的一部分。
2.3 简便性
开展评估目的是为了在短时间内明确工作目的和重点, 因此评估体系的建立是为卫生防疫救灾工作服务。高效、快捷的评估方式和内容能促使卫生防疫工作迅速的开展。
3防疫评估工作的开展
3.1 建立评估体系
应预先建立灾害评估体系, 卫生防疫救灾小队到灾区后, 可以按照体系立即开展评估工作。评估体系的核心内容是保障灾区居民基本生活的卫生需求。评估体系尽量简洁明了, 重点突出, 以便在现场实施。该体系可以由防疫专家、具体工作人员商讨后制订预案, 并且根据实际工作效果进行完善和修订, 最后在卫生防疫工作人员中推广实施。
3.2 收集相关信息资料
在灾害现场, 评估体系需要收集相应基础资料。基础资料分两类:一类为损坏情况资料, 包括受灾人数、受灾范围、灾害引起的人员伤亡等;另一类是卫生防疫需求的基本资料, 如防疫人员数量、物资数量, 包括消毒药物、杀虫药物、器械、基本防疫用疫苗等的数量, 当地居民饮水, 食品安全, 卫生条件如垃圾处理、厕所状况等。资料的来源主要依靠当地防疫医生、乡村干部以及当地群众。如果收集不到相关信息, 可以在开展基本卫生防疫救援工作的同时建立小组, 开展专项的摸底调查。
3.3 初步评估当地的防疫需求
相关专业人员根据收集的信息资料, 对传染病防治、饮水卫生、食品卫生、环境卫生、健康教育等领域进行现况评估, 计算灾区卫生防疫的需求, 并根据当时的人力、物力资源, 结合具体情况提出切实可行的救援方案。同时为救援领导协调组提供工作建议和意见。
3.4 评估工作成效
抗震评估 篇7
关键词：pushover分析,层间位移角,抗震评估
1绪论
1.1工程概况
1.1.1该项目是广东汕头一幢6层的沁园行政办公楼, 采用钢筋混凝土框架结构。建筑总面积为4943.04m2;底层层高为3.6 m, 其余层高为3.3m, 建筑总高度为20.1m;基本风压为0.80k N/m2, 地面粗糙度为B类。其抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 设计分组为第一组, 场地类别为Ⅰ类;结构设计使用年限为50年。该楼的平面尺寸是54.2×15.2m, 楼板的厚度为130mm。其标准层结构平面图如图1所示。
1.1.2荷载统计:屋面 (不上人) 恒荷载标准值及活荷载标准值分别为5.98k N/m2, 0.5k N/m2;楼面恒荷载标准值及楼面活荷载标准值为3.96 k N/m2, 2.5 k N/m2;1层的重力荷载代表值为9261k N/m, 2~4层为8953k N/m, 6层为8840.2k N/m。内外墙体梁间荷载均为8.84k N/m。结构自振周期T为0.35s。
1.2 pushover分析方法
使用pushover分析主要用来检查或评估建筑结构的抗震性能, 预测结构和构件的最不利影响。可通过结构的pushover曲线来描述在侧向力的作用下, 结构变形从弹性到弹塑性发展的不同阶段, 如图2所示, 经历了弹性变形OA阶段, 稳定的非弹性变形ABC阶段及失稳直至倒塌CDE阶段[1]。此曲线是总剪力和顶点侧向位移的关系。位置不同性能点也不同, 通过性能点所在位置, 来判断结构的抗震能力是否满足要求。因此, 通过pushover分析可以查看结构的非线性状态, 找出其薄弱部位, 预测构件能力需求, 从而评估出抗震性能。
本文运用能力谱法进行分析, 能力谱法的分析流程见图3。
1.3 pushover分析目标
以广东汕头沁园行政办公楼项目为对象, 对其进行在多遇地震作用下抗震性能评估, 为抗震加固设计提供依据。
2工程实例分析
2.1 pushover分析思路
本文的思路:依据原沁园行政办公楼提供的基本设计资料及检测鉴定报告, 采用pushover分析方法来评估其抗震性能, 然后得出结论是否需要加固还是只需要简单维修, 为加固设计提供参考意义。流程图可见图4。
注1) R (X, Y, Z) 为振型绕X、Y、Z三个轴的质量参与比, 全部质量为1;U (X, Y, Z) 为振型X、Y、Z三个方向的质量参与比, 全部质量为1。
2.2 pushover分析具体步骤
2.2.1模型的建立。在软件Sap2000中建立框架结构模型, 建模是以提供的检测数据按数理统计取样平均值为依据而进行的, 见表1。第一步, 先定义梁柱截面形状及尺寸并布置;第二步, 再输入荷载, 梁间荷载按8.84k N/m的线荷载输入;假定楼板为刚性, 模态分析时采用的是Ritz向量法, 模态分析后得出结构的前5阶的振型信息, 然后对构件单元指定塑性铰。此处梁单元将设定为默认的M3铰, 柱单元设定为PMM铰[2], 塑性铰的施加见图5。在Sap2000分析中单位均一致:力单位为KN;长度单位为mm。
2.2.2模态分析。本文对结构进行模态分析选择Ritz向量分析法, 荷载工况设为初始的Ritz向量, 考虑5个阵型 (不考虑偏心影响) , 获得前5阶的振型质量参与系数等信息 (如表2) , 用以断定结构的振动形式。
在该结构的平面布局图中, 可看出横向尺寸远小于纵向尺寸, 根据模态分析获得的信息表2得知, 因第一阵型中RZ
根据表2数据可知, 该结构周期比T3/T1分别为0.8944, 满足周期比要求。
2.2.3 pushover分析。根据模态分析结果得知, 此结构第一振型是沿着Y方向的平动, 采用2种侧向加载方式的工况进行Pushover静力分析:
工况一:重力结合Y方向地震加速度, 即为Y方向的均布的侧向加载方式;
工况二:重力结合第一振型 (Y方向) , 即为Y方向的倒三角形的侧向加载方式
由于假定整个结构楼板是刚性的, 所以在同一标高处, 每个点在地震作用下的位移均相同, 则取任意一点为代表均可。运行上述分析工况可得到相应工况下此框架结构的基底剪力与顶点位移曲线, 就是Pushover曲线, 见图7。性能点的确定如图8。
由图可得到, 结构分别在遭遇8度多遇和罕遇地震时的性能点具体数值见表3。
3结论
因0.1s
由上可知, 结构在8度多遇地震时, 在横向上第三楼层的层间位移角数值最大, 最大层间位移角为0.001015228 (即1/985) , 不超过性能水平一限值1/550[3], 则说明能达到性能水平一的要求。
对该框架结构在多遇地震下进行性能评估, 并遵循抗震变形验算有关内容, 该框架结构可以达到8度多遇地震下的抗震要求。即得出的结论见表5。
参考文献
[1]北京金土木软件技术有限公司编著.pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2]北京金土木软件技术有限公司等编著.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社, 2006, 450-48.
抗震评估 篇8
关键词：仿古石塔,石斗拱,结构安全性,抗震性能
0 引言
我国是一个历史悠久、幅员辽阔、山水众多的国家, 随着我国经济文化和旅游事业的发展和提高, 在我国大江南北, 都新建和开发了不少的园林景点。在这些园林景点中, 存在着各种各样的仿古建筑。园林景点中的这些仿古建筑主体多为石混或钢筋混凝土结构, 主要是利用钢筋混凝土梁柱的刚性节点代替木结构的各式榫卯结合, 能获得较大的刚度、强度及整体性, 提高了其承载力与抗震性能, 而后在外部装修装饰上采用传统古建筑的造型, 从而达到建筑上的仿古目的。
1 石塔概况
本塔矗立于县城北山之巅, 外围轮廓呈八角形, 现为7 层7 廊石砌体与钢筋混凝土混合结构的仿古建筑, 石砌墙体、现浇混凝土楼板、屋盖; 塔身承重墙体采用外墙面铺浆砌筑较为平整的细料石、内墙面铺浆砌筑表面稍加修整的平毛石, 并在内外墙面中空浇筑细石混凝土; 每层在塔身西侧沿内壁布置弧状旋转式现浇钢筋混凝土楼梯。经现场测绘, 塔身各层高度如下: 室外地面至室内地面高为1. 5 m, 1 层~ 7 层层高为3. 2 m, 5 层楼板到塔顶高为6. 0 m ( 未包括塔尖) , 该塔室外地面至塔顶 ( 未包括塔尖) 的总高度为25. 2 m。该塔身平面内径为一直径6. 5 m的圆筒, 外围轮廓为正八面体, 底层塔宽8. 0 m, 顶层塔宽为7. 2 m, 层层缩进; 1 层墙体厚1. 4 m, 2 层墙体厚1. 3 m, 3 层墙体厚1. 2 m, 4 层墙体厚1. 1 m, 5 层墙体厚1. 0 m, 6 层墙体厚0. 9 m, 7 层墙体厚0. 8 m, 每层墙体外边均向内缩近0. 1 m。石塔立面见图1, 石塔标准层建筑平面见图2。
该塔建于1988 年, 在使用过程中于2012 年3 月份期间3 层、4 层外廊石斗拱挑梁局部断裂, 共坠落4 处, 产生安全隐患。为确切的了解该塔的结构安全性能及斗拱的坠落原因, 我院相关技术人员对石塔进行上部结构安全性分析及抗震性能评估。
2 石塔结构安全性分析
2. 1 挑廊板结构分析评估
现场分别对转角石柱斗拱梁处挑檐结构做法、转角石柱左右两侧斗拱梁处挑檐结构做法、门洞处挑檐结构做法、外挑走廊结构做法进行全面检查, 主要斗拱挑檐做法大样见图3。
现场检查该塔外廊采用挑板结构, 外廊挑板采用不截断的连续配筋方式与室内楼板相连; 现场采用非金属板测试仪检测挑板平均厚度为150 mm, 采用钢筋扫描仪检测挑板板面受力钢筋平均间距为150 mm; 现场采用剔凿法检测到的挑板板面受力钢筋规格为14。挑板外挑结构分为外挑走廊及挑檐两部分, 其中外挑走廊宽度约0. 9 m, 外挑走廊外侧设置挑檐, 宽度为0. 6 m, 做成坡屋面形式, 上铺红色琉璃瓦, 使自然排水及建筑美观巧妙地融合在一起; 在挑板上距外墙700 mm处布置与外墙平行的走廊挡板, 在每段走廊挡板上设置3 根截面尺寸为250 mm ×200 mm、高度为500 mm的钢筋混凝土短柱, 短柱上平铺一道截面尺寸150 mm × 200 mm的钢筋混凝土拉梁, 拉梁与挑檐斜板相连。
根据现场挑板检测的截面尺寸、挑板混凝土强度等级并考虑挑檐上各种装修、装饰荷载的作用, 对挑板承载能力进行计算分析, 挑板实测截面配筋满足结构承载能力及正常使用的要求。
2. 2 石斗拱梁结构分析评估
斗拱作为华丽的象征, 是中国古建筑中最赋有地方民族特色的一种装饰构件, 广泛用于亭、台、楼、阁等木结构建筑上; 石斗拱是由若干根石梁及拱件, 相互搭交而成的既具有悬挑作用, 又具有装饰效果的支撑构架, 它在古建筑中的作用, 可以归纳为以下四点:1) 它可以增加屋檐宽度、延长滴水距离; 2) 它能将檐口荷载进行均匀传布; 3) 它能丰富檐口造型, 增添装饰效果; 4) 它能增强抗震能力, 提高建筑安全度。
该塔正八面体转角立倚柱, 柱顶置栌斗, 斗上出华拱, 层层托出, 既缩小了上部石梁的跨度, 又使石斗拱变化的梯度能够满足脆性材料对刚性角的要求, 这样不但减少了石斗拱上梁、板的跨度和弯矩, 而且改变了石梁的受力形式, 克服了石梁抗弯性能差易被折断的不足之处, 同时又充分发挥了石结构材料抗压性能好的特点;石斗拱梁根部及石斗拱梁下的石榫均稳固地嵌入墙体, 石斗拱梁上外端与混凝土梁连接处石榫嵌入钢筋混凝土板, 而采用榫卯连接, 则增加结构阻尼, 在地震作用时起到耗能作用。石斗拱梁做法见图4 ~ 图6。
现场检查斗拱的实际做法表明, 斗拱梁为自承重结构, 并不承受上部挑板传来的荷载, 该塔共有6 处位置的外檐石斗拱梁出现齐根部断裂现象, 见图7, 主要是斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板的连接处均无足够的耗能空隙, 混凝土挑板在长期的使用中, 产生一定的向下挠曲变形后, 板上荷载直接传递至斗拱梁上, 而斗拱梁石材具抗压强度高、抗弯性能差、易折断的特性, 故在荷载作用下, 斗拱梁根部产生较大弯矩, 最终折断、脱落, 产生安全隐患, 建议对该塔斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板连接处做法无足够的耗能空隙的节点进行处理, 为混凝土挑板的挠曲变形留有余地, 消除安全隐患。
2. 3 承重墙体结构分析评估
现场测绘石塔平面内筒直径为6. 5 m, 外边为正八面体, 1 层塔宽度为8. 0 m, 塔顶 ( 未包括塔尖) 总高度为25. 2 m, 该塔结构平面密度接近60% , 塔高与塔宽的比值为3. 2。1 层塔身墙体厚度为1. 4 m, 塔身墙体厚度随塔高而逐渐变薄, 7 层塔身墙体厚度减至0. 8 m, 1 层塔身墙体高厚比为2. 3, 5 层高厚比为4. 0, 远小于《砌体结构设计规范》中对无筋砌体墙体的最小容许高厚比的限值要求。
2. 4 塔体结构抗震性能评估
1) 该塔显著的特点是采用石斗拱和榫卯连接, 塔梁支座采用仿木石斗拱, 沿外筒壁对称排列, 层层托出, 既缩小了上部石梁的跨度, 又使石斗拱变化的梯度能够满足脆性材料对刚性角的要求, 这样不但减少了石斗拱上梁的跨度和弯矩, 而且改变了石梁的受力形式, 克服了石梁抗弯性能差易被折断的不足之处, 同时又充分发挥了石结构材料抗压性能好的特点; 而采用榫卯连接, 则增加结构阻尼, 在地震作用时起到耗能; 现场检查部分斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板的连接处均无足够的耗能空隙, 应采取处理措施。2) 该塔现为7 层7 廊石砌体与钢筋混凝土混合楼阁式仿古建筑, 建筑平面外边为正八边形, 内为等直径塔筒, 在立面上, 塔体自下而上内筒保持等直径、外筒半径逐层减小, 形成7 级阶梯, 每阶截面不变的阶形建筑; 塔体每层每边设一门或一龛, 门龛位置逐层、逐边互换, 这种布局不但立面壮观, 而且避免结构在某一侧面引起应力过于集中, 同时使得结构的质量和刚度沿任一对角线都是对称分布, 塔体的质量中心和刚度中心能较好地重合, 在水平地震力作用下不易产生扭转振动; 塔体结构类似筒体, 有较好的抗震性能。3) 塔体采用现浇钢筋混凝土楼板、屋面板, 在每一层的楼板、屋面板标高处均设置钢筋混凝土圈梁, 环形圈梁对塔筒墙体起到了侧向约束作用, 加强了塔体结构的整体性, 保证了水平地震作用下结构的均匀受力和同时抗御外力的作用, 对该塔抗震性能有利。
3 结语
1) 由于该石塔当初建造时的设计资料缺失, 又由于现场检测条件的限制, 检测手段和检测仪器的局限, 本文识别了石斗拱的受力属性, 仅对挑板承载力进行了验算, 未能对塔体主体结构建立力学模型进行抗震承载力验算分析, 未能对塔基结构安全性进行分析评估。2) 该塔为高耸结构, 高耸结构的动力特性直接关系其抗震性能和破坏形式。通常动力特性的研究有两种途径, 一种途径是采用脉动法通过现场实测的方法获得, 第二种途径是近似按变截面悬臂杆力学模型采用结构动力学的方法获得。本工程由于客观原因未能对该塔进行结构动力特性测试, 有待后续建立力学模型利用数学求解的方法或通过实测的方法补充和完善该塔的抗震性能评估。
参考文献
[1]姚道平, 张艺峰, 谢志招, 等.石结构古塔抗震性能研究[J].世界地震工程, 2009, 25 (1) :111-116.
[2]袁建力, 李胜才, 刘大奇, 等.砖石古塔抗震鉴定方法的研究与应用[J].扬州大学学报 (自然科学版) , 1998, 2 (3) :54-58.
[3]GB 50292—1999, 民用建筑可靠性鉴定标准[S].
[4]GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S].
抗震评估 篇9
金属非金属矿山是工业生产的高危行业, 其事故发生起数和死亡人数在全国工业安全生产领域占较大的比重。尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要环节, 据美国克拉克大学公害评定小组研究表明, 在世界93种事故、公害的隐患中, 尾矿库事故危害名列第18位[1]。目前我国尾矿库总数约为1.26万多座, 其中正常库占61.20%, 危库占4.84%, 险库占10%, 病库占23.96%[6]。从调查尾矿库库容的数据来看看, 库容≤1000万m3的尾矿库占填报的98%, 其中≤100万m3为88.6%, 而这些小型尾矿库普遍未经正规设计、管理不规范、尾矿库安全度较差[2]。随着矿山企业的服务年限的延长, 尾矿堆存体积越来越大, 其所存在的安全问题日益凸显, 尾矿库所存在的安全问题就越来越受到社会的关注[3]。
根据统计数据, 20世纪, 地球上发生了多次大地震, 例如, 智利Barahon尾矿坝 (坝高63m) , 在1928年10月l日的大地震中, 几分钟内就破坏了。1965年3月28日, 智利中部发生了震级为7.25级的地震, 导致距离震中40km内的埃尔科布雷新旧两座尾矿坝200万吨尾矿泻入山谷, 导致200多人死亡。日本IZuPeninsula海东南部于1978年1月14日发生7级地震, 导致Mochikoshi金矿两座尾矿坝破坏[4,5]。在我国, 1966年的邢台地震、1975年辽宁海城地震, 1976年的唐山地震, 引起了不同程度的喷砂冒水、地面液化、地裂缝和大规模滑坡。2008年“5·12”汶川大地震中, 四川、陕西和甘肃三省尾矿库均受到不同程度的破坏和影响。
目前国外有关溃坝风险分析研究, 主要关注点包括溃坝原因、溃坝模式、风险评价有关法规、定量的风险评价方法等几个方面, 地震液化问题的研究多采用经验判断法, 但是没有形成可以广泛应用的、可为设计部门开展尾矿库设计采用的研究成果, 也没有形成有关尾矿坝抗震能力的评价方法和评判准则。因此, 加强对尾矿库稳定性和地震引起溃坝风险评价进行研究, 对提高尾矿库的安全状态和安全管理水平, 减少和控制尾矿库运行中事故发生, 具有重要的社会意义和现实意义。
2动力条件下溃坝机理理论分析
2.1地震作用机理分析
由于地震惯性力作用使滑动力或力矩增加而引起的地震时坝坡滑移, 其滑动形式表现为一部分土体沿一滑动面滑动。含有饱和尾细砂、尾粉砂和尾粉土的坝体在地震时的滑移主要是由于孔隙水压力的增加, 抗剪强度降低引起的, 其滑动形式为流滑。因此, 地震作用引起主要的溃决模式如下:如渗流破坏、液化、漫顶、结构破坏 (裂缝、滑动) 。地震时震动能量是从震源以地震波的形式通过岩土介质向外传播和扩散的, 在这过程中, 地震波的作用导致介质质点能量状态改变, 使之产生位移变动, 从而表现为震动与震动破坏, 地震烈度不同, 介质内分布的能量密度不同, 所引起的振动及破坏的程度亦有所不同[6]。
在实际使用时, 由于实际地震动荷载为幅值和频率都是不规则的波形, 为了使用室内试验结果, 可以采用等效的方法将地震不规则荷载换算为等效的破坏周期振动荷载, 按照Seed的研究成果, 在等效均匀剪应力取0.65倍最大值时, 等效振次N与震级M有如表1所示的对应关系。
2.2尾矿坝地震液化影响因素
饱和砂土或尾矿泥受到水平方向地震运动的反复剪切或竖直向地震运动的反复振动, 坝体发生反复变形, 因而颗粒重新排列, 孔隙率减小, 坝体被压密, 饱和砂土或尾矿颗粒的接触应力一部分转移给孔隙水承担, 孔隙水压力超过原有静水压力, 与坝体的有效应力相等时动力抗剪强度完全丧失变成粘滞液体, 饱和砂土或尾矿发生振动液化破坏。饱和砂土或尾矿泥液化是一种相当复杂的现象, 它的产生、发展和消散主要由土的物理性质、受力状态和边界条件所制约。影响因素概括起来主要有以下几方面[7,8]:
(1) 尾矿物理性质条件。主要指尾矿颗粒的组成、颗粒形状、颗粒大小、颗粒排列状况、尾矿密度等。相对密度Dr越大, 抗液化强度越高, 排列结构稳定和胶结状况良好的尾矿同样具有较高的抗液化能力, 粒径大的尾矿比粒径小的尾矿也较难发生液化。根据我国的水工建筑物抗震设计规范, 当相对密度在0.3-0.7之间时, 砂土发生液化时的剪应力比大致与相对密度成正比。在地震烈度为7度时, 饱和砂土的相对密度小于0.7时可能发生液化;在地震烈度为8度时, 相对密度小于0.75可能发生液化;在地震烈度为9度时, 相对密度小于0.80-0.85时可能发生液化。
(2) 埋藏条件。主要指上覆土层厚度、应力历史、砂土的渗透系数、排渗路径、排渗边界条件、地下水位等。覆盖有效压力越大, 排水条件越好, 液化的可能性越小。震前土的初始应力状态对抗液化能力有十分显著的影响。
(3) 动荷条件。主要指动荷载的频率、波型、振幅、持续时间和多向振动等。震动的频率越高, 震动持续的时间越长, 越容易引起液化。对于液化的抵抗能力在正弦波作用时最小, 而且, 震动方向接近尾矿的内摩擦角时抗剪强度最低, 最容易引起液化。地震应力引起的坝体内部剪应力增大是影响尾矿坝稳定性的重要因素。不考虑水对边坡稳定性的影响, 将地震看成影响和控制边坡稳定的主要动力因素, 由此产生的位移、位移速度和位移加速度与地震过程中地震加速度的变化有着密切的联系。
(4) 排水条件。当土体的渗透性好时, 排水就快, 不易发生液化;当渗透性较差时, 如粘粒含量大, 也可不发生液化, 如粘粒含量较少, 就可能发生液化。
3地震溃坝风险指标体系研究
3.1地震溃坝风险指标体系的初步建立
影响坝坡稳定、渗透稳定、坝体沉降、水平滑动稳定等坝体稳定性的因素很多, 很多是非确定性的[9,10]。本文通过采用理论分析和唐山地震、汶川地震中发生溃坝的事故案例分析方法, 初步建立起用于评估尾矿库抗震能力和地震溃坝可能性的指标体系。
(1) 尾矿库所处地震烈度区的大小是外部荷载和能量输入大小的主要反应。不同地震作用下, 地震加速度峰值不同, 是地震强度的主要反映指标之一。而汶川地震中发生了许多余震, 也对金属非金属矿山企业特别是尾矿库带来一定危害, 所以用主震地震峰值加速度和余震积累破坏效应两个指标来反映地震能量的输入大小。
(2) 尾矿库的排洪能力和安全超高、干滩长度的大小, 关系到尾矿库的防洪水平, 特别是地震过程中地震液化区域通常发生在尾砂饱和区或饱和度相对较大的区域。尾矿库运行水位越高, 在地震中由于局部垮塌、裂缝等造成库内水从垮塌和裂缝区首先泄出的可能性越大。因此, 在尾矿库防洪能力分项中引入排洪设施能力系数、滩顶至正常库水位高差两个指标。
(3) 尾矿库抗滑安全储备不仅与静力条件下坝坡失稳有关, 还同地震作用下发生垮坝破坏有直接关系。尾砂颗粒越细越容易液化, 颗粒越细抗剪强度越低。尾矿坝结构的外形尺寸对于尾矿库抗震能力也是息息相关的, 特别是尾矿坝的下游坡比是影响尾矿坝坝坡稳定性的重要指标。故在尾矿库抗滑安全储备分项中, 将中值粒径、尾矿坝下游坡比作为衡量指标。
(4) 尾矿坝坝体内部的渗流状况决定了尾矿坝内尾砂的固结程度。尾砂透水能力、山谷纵坡比、不同堆坝型式及不同长度的渗流路径等都对砂土液化和坝体动力稳定产生影响, 可将这些因素组合成尾矿坝渗透能力系数。此外, 不均匀系数越小, 抗液化能力越差, 粘性土含量越高, 越不容易液化, 所以颗粒级配对于尾矿坝地震液化和抗震有影响。故在抗渗透能力分项的评估中, 引入尾矿坝渗透能力系数和颗粒级配两个衡量指标。
(5) 尾矿库安全管理是衡量抗震能力的重要因素之一。同一尾矿库, 安全管理水平不同的企业来管理, 尾矿库安全的结果可能截然不同。尾矿库日常管理主要包括水边线控制、坝体均匀上升程度控制水平、坝面维护水平、排水设施维护水平和排洪系统维护水平等。尾矿库企业的应急能力也是至关重要的, 体现在尾矿库应急预案的编写水平、应急演练的效果和应急物资的储备。因此, 总结出尾矿库日常管理衡量系数和应急水平衡量系数, 用于体现尾矿库安全管理水平。
根据动力条件下溃坝机理和四川省尾矿库受灾情况, 考虑了尾矿库抗震标准, 余震活动的影响[11], 利用理论分析和事故案例分析等手段, 建立了针对地震灾区尾矿库溃坝风险评判的尾矿库地震溃坝风险指标体系, 如图1所示。本指标体系中包括尾矿库地震风险评估的5个分项, 共包含10个风险指标。
3.2指标值设定
尾矿库地震溃坝风险指标体系中, 各个指标的设定如下:
(1) 渗透能力系数:
浸润线是反映坝体渗流的特征线, 浸润线的位置是坝体排水性能的综合反映。对于浸润面高低的控制主要从渗透系数、干滩长度、坝体分块材料的各向异性以及排渗设施等要素进行控制。渗透系数表示坝体的渗透性强弱的一个重要力学性质指标, 也是渗流计算的一个基本参数。对于由不同渗透系数的矿渣填筑的尾矿坝, 对浸润线的影响是有所差异。渗透系数的确定如表2所示。
初期坝渗透系数越小, 浸润线会抬高, 对受坝体的不透水性影响, 易造成渗流沿坝顶逸出, 对坝体造成严重破坏。对于坝体入渗区, 渗透系数越大, 浸润线越高。上下层渗透系数之比越大, 下层阻水能力加强, 浸润线就会有抬高趋势, 且由上向下延伸, 使得下层的阻水作用在上游发展。在尾矿坝出口区, 浸润线会随渗透系数的降低而明显抬高。 该指标综合反映尾砂透水能力、山谷纵坡比、不同堆坝型式及不同长度的渗流路径, 因此该渗透系数为综合考虑了上述影响因素的渗透能力系数, 并非单纯尾砂材料的渗透系数, 该系数除可由经验判断外, 也可从二维和三维渗流计算得到。
(2) 颗粒级配系数
砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒搭配比例。国际给出了根据土的细粒含量PC来判别是可能发生流土还是发生管涌的判据, 即当PC≥1/4 (1-n) ×100时, 流土, 否则发生管涌。式中n为孔隙率。
砂土的粒径级配累计曲线是土工上最常用的曲线, 从这曲线可以直接了解砂土的粗细、粒径分布的均匀程度和级配的优劣, 定义如表3所示。
(3) 排洪设施能力系数:
从设计角度, 衡量排洪设施排洪能力的指标。将排洪设施能力系数分为四个等级, 如表4所示。
(4) 滩顶与正常库水位高差:
该数值可用于衡量尾矿库运行期现状是否满足最小安全超高和最小干滩长度的要求。当然, 前提条件是从设计单位得知, 当前堆坝高程下, 设计洪水到来时, 库水位的上升高度。
(5) 中值粒径:
砂土的粗细常用平均粒径来表示, 它指土中大于此粒径和小于此粒径的砂土的含量均含50%。
(6) 下游坡比:
是尾矿坝轮廓尺寸的重要指标之一, 下游坡比的大小与尾矿坝抗滑稳定和渗流稳定具有紧密联系。
(7) 峰值加速度衡量系数:
在以烈度为基础作出坝体抗震设防标准时, 往往对相应的烈度给出相应的峰值加速度。参照《关于统一抗震设计规范地面运动加速度设计取值的通知》规定的加速度值, 借助水坝的相关经验, 得出峰值加速度衡量系数, 定义如表5所示。
(8) 余震积累破坏效应系数
尾矿坝在遭受到强地震动时, 由于余震作用, 产生的“积累破坏效应”使尾矿材料发生液化的程度加深, 定义如表6所示。
(9) 日常管理衡量系数:
用于衡量企业尾矿库日常管理水平, 定义如表7所示。
(10) 应急水平衡量系数:
用于衡量尾矿坝应急水平, 定义如表8所示。
3.3地震风险指标体系中指标相关性分析
上述初步建立的地震风险指标体系是否能够有效且客观地反映尾矿库的地震风险, 需要对指标的物理意义及指标相关性进行分析。
(1) 颗粒级配和中值粒径之间无相关性。
从颗粒级配系数的分级方法可知, 颗粒级配系数是根据级配曲线中d60和d10的比值的范围确定的, 其指标反映的是某尾矿库尾砂级配的好坏或不均匀程度, 比值越高说明尾砂级配良好, 与尾矿库在地震过程中发生渗流破坏的可能性密切相关。而中值粒径为尾砂的平均粒径, 反映的是尾矿库尾砂整体粒径粗细, 与尾矿坝在地震作用下的抗剪强度相关, 因此两个指标尽管都是尾砂物理性质的衡量指标, 但反映的尾矿库破坏类型不同, 不具有明显相关性。
(2) 峰值加速度和余震累计破坏效应之间无明显相关性。
峰值加速度为地震主震的强度的衡量指标。余震累计破坏效应反应了主震后余震累计能量释放程度和对尾矿库破坏程度。
(3) 渗透能力系数和中值粒径之间无明显相关性。
渗透能力系数综合反映尾砂透水能力、山谷纵坡比、不同堆坝型式及不同长度的渗流路径, 因此该渗透系数为综合考虑了上述影响因素的渗透能力系数, 并非单纯尾砂材料的渗透系数, 该系数除可由经验判断外, 也可从二维和三维渗流计算得到, 可认为是尾矿坝结构的渗透能力的反映指标。而中值粒径仅于尾砂材料本身的渗透系数有些关系, 与本溃坝风险指标体系中的渗透能力系数无明显相关性。
4总结
本文在总结国内外因地震引起尾矿库溃坝案例的基础上, 系统综合分析了影响坝体稳定性的各项因素, 分析地震条件下溃坝机理提出了尾矿库地震溃坝风险指标体系, 指标体系考虑了地震强度、防洪、抗滑、抗渗透和安全管理五个方面, 能够较为全面的分析和评估尾矿库在抗震方面的基本特性, 并通过研究给出了各个指标的分级方法。
通过理论分析和指标间比较, 分析了该指标体系中各个指标之间相关性, 得到了该指标体系能够适用于尾矿库抗震能力评估的结论, 能够涵盖尾矿库涉及地震影响的软硬件条件, 对尾矿库的风险评估一定的参考意义。
摘要：2008年“5.12”汶川大地震中, 四川、陕西和甘肃三省尾矿库均受到不同程度的破坏和影响。本文针对四川汶川地震造成灾区尾矿库排洪系统失效, 坝基沉降, 坝体滑坡、垮塌、开裂等现状, 对尾矿库地震溃坝机理进行了分析, 研究了地震作用机理和地震液化的影响因素;在此基础上, 建立起用于评估尾矿库抗震能力和地震溃坝可能性的指标体系, 指标体系考虑了地震强度、防洪、抗滑、抗渗透和安全管理五个方面, 能够较为全面的分析和评估尾矿库在抗震方面的基本特性, 并通过研究给出了各个指标的分级方法。该体系的建立为尾矿库抗震能力评估、避免特殊工况下尾矿库溃坝事故的发生具有一定应用价值, 可为尾矿库运行期的安全管理提供依据。
关键词：尾矿库,地震,抗震能力,指标体系
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