建筑结构地震倒塌及存活空间分布规律研究

国内外历次大地震表明,建筑物的破坏倒塌是造成人员伤亡的主要原因,提高结构的抗倒塌能力、震时采取有效的避难策略和震后安全快速的救援则是减少人员伤亡的重要途径。本文通过地震废墟现场调查、地震模拟倒塌试验、结构倒塌的有限元数值模拟和理论分析相结合的手段,研究了3类典型建筑结构在地震中的倒塌机理与倒塌规律,并对废墟结构特点及其内部存活空间的类型和分布规律做出总结,结合实际地震情况,对震时人员的应急避难方法和搜索救援策略提出了建议。本论文主要完成了以下6个方面的工作:(1)基于实际震害分析,初步给出了3类典型建筑结构地震倒塌模式及建筑废墟类型划分原则、存活空间分布规律。收集查阅了大量实际震害资料,并在汶川特大地震造成的北川地震遗址详细调查的基础上,从北川老县城大量建筑废墟中筛选出28个典型案例,对其体型尺寸、格局布置、倒塌方向、支撑构件及可能的存活空间分布规律进行了详细研究,总结给出了建筑废墟类型的划分原则,初步揭示了废墟中存活空间的分布规律。(2)设计完成了RC框架结构、底框砌体结构、砖混砌体结构3类8个代表性结构缩尺模型的地震模拟倒塌试验,获得了上述3类结构地震作用下动力特性变化、破坏性裂缝产生、发展及最终倒塌全过程的系统认识,在与实际震害交互验证对比分析的基础上,进一步总结了3类房屋结构的倒塌机制及其废墟中可能的存活空间分布规律。(3)以RC框架结构振动台倒塌试验结果为基准,总结建议了一套利用显式动力有限元软件对结构地震倒塌进行数值模拟的高效分析方法。采用ANSYS软件中的非线性显式有限元动力分析模块,通过对RC框架结构进行大量的倒塌模拟分析并与试验结果进行对比,给出了倒塌数值模拟过程中需要注意的"重力预应力化"、"沙漏控制"、"应变率效应"、"侵蚀接触"、"材料选择"等关键问题的处理方法,指出了采用不同模拟方法之间的优缺点,建议了一套高效模拟方法。(4)通过10组不同频谱特性、不同输入方向的地震动作用下典型RC框架结构的倒塌数值模拟分析对比,总结给出了地震动输入对典型RC框架结构倒塌模式的影响规律;通过对典型砌体结构、底框砌体结构两类不同形式建筑的倒塌数值模拟分析,进一步验证了由RC框架结构倒塌分析得到的地震动对倒塌模式的影响规律;通过对内廊式RC框架结构、多跨外廊式RC框架结构两类不同布置形式结构的倒塌数值模拟,分析了这两类结构与双跨外廊式RC框架结构在倒塌特点上的异同;对倒塌模拟过程中发现的RC框架结构的"扭转异常"和"小跨倒塌"及多跨RC框架结构的"上部楼层扭转"和"上部倾斜方向改变"4类特殊倒塌模式进行了深入分析,并揭示了其产生机制。(5)基于本研究大量的倒塌试验与倒塌模拟分析结果,提出了"地震动致塌方向"的概念,并建立了用于判别结构倒塌模式的新方法——"M值"法。通过分析8个模型倒塌试验以及倒塌数值模拟过程中地震动作用方向与倒塌模式之间的关系,证明了水平地震动分量在对结构倒塌的方向影响上具有定向性,由此提出了"地震动致塌方向"的概念,深入探讨了其产生机理及影响因素;以此为基础,结合对结构倒塌全过程的理论分析,提出了结构倒塌模式的"M值"判别法,并通过倒塌试验及倒塌数值模拟结果验证了方法的合理性及可行性。(6)结合实际震害、典型结构地震模拟试验以及数值模拟分析结果,对3类典型建筑废墟的结构特征进行了深入剖析,进一步给出了地震致塌的建筑废墟中存活空间的分布规律。基于建筑倒塌模式及存活空间分布规律研究结果,对实际地震中人员逃生路径、应急避难位置以及震后应急搜索、救援中的安全应对措施提出了原则性建议。     

钢筋混凝土建筑结构的抗地震破坏倒塌能力评估研究

在地震作用下钢筋混凝土建筑结构出现破坏倒塌为地震灾害中的关键,有效评估建筑结构抗地震破坏倒塌能力是建筑结构设计的前提,也是当前建筑结构提高抗震性能与加固的依据。提出变形指标极值、失效判断标准以及钢筋混凝土建筑结构倒塌极限状态判断标准,据此获取倒塌储备系数、倒塌易损性、结构整体超强系数、结构整体延性系数等评估标准。采用Pushover分析法选择相应地震波。依据梁柱线刚比对建筑结构抗倒塌能力的影响,以及柱端弯矩增加系数对建筑结构抗地震破坏倒塌能力的影响,对建筑结构易损性进行分析。结果表明:等跨建筑结构抗地震破坏倒塌能力更强;建筑结构底层是薄弱层,COF值越高,结构越容易倒塌。     

多维地震作用下钢筋混凝土建筑结构的抗连续倒塌仿真分析

为了提高钢筋混凝土建筑结构的抗震性能,分析多维地震作用下钢筋混凝土建筑结构的抗连续倒塌能力,结合钢筋混凝土建筑结构特性、节点构造特点以及其在多维地震作用下的破坏机理,采用离散单元法建立结构连续倒塌的理论模型,对建筑结构连续倒塌过程进行数值模拟。基于数值模拟化结果,通过备用荷载路径法,实现建筑结构的抗连续倒塌分析。仿真实验结果得出,所提方法能实现对建筑结构抗连续倒塌的准确分析,且在多维地震作用下建筑结构扭转的幅度明显变大,结构顶层位移发散状态显著,不同楼层会产生不同的层间位移以及薄弱部位,建筑结构的抗连续倒塌性能随着失效构件位置的提升而增强。     

对引起地震重力异常原因的一些认识

本文利用流动重力测量和大地形变测量资料,对努尔等提出的DD模式的某些阶段对重力的影响进行了较深入的讨论。同时用数理方法进行运算得出:孕震过程如象DD模式那样,在震前震源体膨胀阶段只能引起很小的异常。远达不到流动重力所测得的异常值。从而提出一些可能造成重力异常的原因。     

地震作用下空间网格结构倒塌模式分析

以显式动力分析方法为基础,模拟了强震作用下3种跨度网格结构的倒塌全过程,通过数值分析发现:水平地震作用下网格的倒塌形式以强度破坏为主,竖向地震作用下以动力失稳破坏为主,三向地震作用下为水平与竖向地震作用倒塌形式的耦合。对比分析了3种跨度网格结构倒塌形式和倒塌时地震波幅值,结果表明:平板网格结构倒塌形式与跨度关系不大,但易倒塌程度与跨度直接相关。得到了网格结构的倒塌形式和倒塌时构件首先失效的位置,可为实际工程结构的倒塌预防与控制提供一定的参考。     

地震作用下结构连续性倒塌研究进展与展望

近年来,地震灾害频发,导致结构倒塌事故时有发生,造成重大的人员伤亡和经济损失。针对地震作用下结构倒塌破坏,国内外学者进行了诸多的研究工作。从倒塌破坏准则、结构倒塌与抗倒塌试验、结构倒塌数值模拟和结构抗倒塌措施四个方面,对结构连续性倒塌的研究现状进行了归纳和总结,并对未来的研究热点进行了展望。     

公共建筑结构的抗地震倒塌能力优化评估分析

以往基于模态增量动力方法对公共建筑进行抗地震倒塌能力评估时是单纯地从总体角度进行考察的,其得到的结果较为粗糙,无法准确反映出公共建筑的抗地震倒塌能力,导致其经济效益较差。提出新的公共建筑结构抗地震倒塌能力优化评估方法以分析公共建筑整体的抗地震倒塌能力,总结出其与子结构以及构件三者间的关系,进而研究构件的损毁情况,以实现对建筑抗地震倒塌能力的整体评估。基于公共建筑的倒塌破坏区间,采用其结构抗震倒塌能力评估方法,对公共建筑结构的抗地震倒塌能力实施优化评估分析,得到其具体破坏指数,实现对其进行准确评估。实验结果说明,所提方法可准确描述公共建筑结构的抗地震倒塌能力,提高建筑结构抗地震倒塌能力和经济效益。     

玉树地震高倒塌率建筑物及诱因:遥感认识

2010年4月14日7时49分,我国青海省玉树藏族自治州玉树县发生里氏7.1级大地震,给人们的生命财产带来极大损失,迄今已造成2200多人死亡或失踪,12000多人受伤.地震造成人员重大伤亡的最     

粘弹性阻尼器对建筑结构非线性地震反应的控制

粘弹性阻尼器是抗震被动控制中一十分有效的耗能减震装置,本文４推导了粘弹性阻尼器和斜支撑的组合间单元刚度矩阵,并建立了在罕遇地震作用下,设置粘弹性阻尼器斜支撑的钢筋混凝土框架结构非线性地震反应时程分析的方法。     

邻近建筑对地铁结构地震反应的影响研究

本文从中国地铁交通系统大规模建设的背景出发,考虑到地铁地下结构邻近存在地面建筑的实际情况,在以往地铁地下结构地震反应分析的基础上,对比研究了邻近建筑对地铁地下结构地震反应的影响。结合地下结构与地面结构动力反应的特点,阐述了地铁邻近建筑通过所在场地对地铁地下结构地震反应产生影响的物理机制。应用有限元法和粘弹性人工边界,建立了地下结构．邻近地上结构．地基系统二维散射问题的计算体系。分析不同形式的地上结构对地铁地下结构地震反应的影响,并对其规律进行总结。论文的主要研究工作如下：     

建筑结构地震反应观测系统

建筑结构地震反应观测是获取不同建筑结构在地震中的反应状态与特征的有效手段。河北省唐山古冶5.1级地震触发北京地区既有的建筑结构观测台阵,获得了丰富的建筑结构地震反应记录。开展台阵记录的初步分析,确定结构动力放大倍数和仪器烈度分布。分析发现,不同类型结构的动力放大倍数差异较大,钢结构较砌体结构的动力放大倍数更大。震中距较小的台阵的仪器烈度较大,最大达到2.5度。以第十九中学教学楼为例,开展单个观测台阵的地震记录分析,得到结构各楼层的水平向加速度分布,互功率谱分析得到结构振动的卓越频率。初步分析表明,基于观测记录数据分析能得到地震动特性和建筑结构动力特性参数,为了解区域建筑结构特性奠定有效数据基础。     

建筑结构地震反应观测系统

建筑结构上获取的地震反应记录有助于促进建筑抗震设计规范的改进,从而减轻地震引起的生命财产损失．本文对建筑结构地震反应观测系统布设的目的进行了简要论述,并就观测系统的构成及测点布设原则作了详细介绍．此外,以防灾楼结构地震反应观测系统作为典型实例进行了介绍．     

建筑结构地震损伤评估的研究进展

如何衡量地震作用下结构遭受的损伤程度，一直是地震工程研究领域的一个关键而又难以解决的问题。在1995年日本大阪（Kobe)地震使许多建筑物遭受严重损伤之后，人们对建筑物地震损伤评估的研究显得更为迫切。本文从材料、构件和结构3个层次对国内外建筑结构地震损伤评估的研究成果进行了系统总结和综合评述。     

钢筋混凝土建筑抗倒塌设计

建筑抗倒塌问题近年来在欧美国家得到广泛关注，并颁布了相关的设计规范和标准。我国还没有制定有关建筑抗倒塌方面的规范和标准。本文提出一种基于建筑危险性的钢筋混凝土建筑抗倒塌设计方法。该方法将钢筋混凝土建筑分为四类，通过设置拉杆连接系统和Alternate Path设计提高建筑抗倒塌能力。     

对黄海—东海研究区深部结构的一些新认识

综合地震层析成像与重磁数据的处理结果,选择26°N～36°N,120°E～130°E的范围作为研究区,讨论了黄、东海研究区的深部结构特点及其与周边各地质单元的相互关系,完成了研究区两条剖面的密度结构反演,认为东海陆架地区地壳厚度变化与大陆地区相比并不明显,显著减薄开始于冲绳海槽地区,中地壳消失;琉球岛弧处地壳厚度明显再度增加,特别是上地壳的厚度增加最大,推断其原因应与俯冲作用及俯冲带附近板块与地幔的运动速率之差有关.地球物理场“东西分带”是黄海—东海地区壳内结构从西向东变化的反映,但随着深度的增加,研究区的岩石层结构出现以近EW向为优势的构造格局.因此推断深部近EW向的异常是三叠纪时期南北板块碰撞、挤压所致,浅部的NE向条带异常是后期构造运动在岩石层较浅部位构造效应的反映.黄海—东海地区岩石层结构存在浅部与深部优势构造方向不协调的现象.层析成像结果证实了南黄海东缘断层的存在,还勾绘出绍兴—十万大山碰撞带为以40°左右的倾角向NW方向倾斜的高速带,另一条倾向基本相同的高速带则是南、北扬子块体结合带在深部的反映.     

对成都市在汶川特大地震期间应急工作的一些介绍和认识

本文作者从一个普通地震工作者的角度,介绍了成都市在汶川特大地震发生后应急工作的基本情况,探讨了其应急工作的一些特点和取得成效的原因。文章认为,作为一个特大城市,在遭遇汶川地震这样一次特大自然灾害时,成都市这次史无前例的大规模应急行动是比较成功的。