地震对建筑物破坏的原理分析与监舍防震设计

地震对建筑物破坏的原理分析与监舍防震设计

论文通过地震破坏建筑物的原理和监舍特点分析,提出了监舍的防震设计目标和特点。

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0 引言

云南省是我国地震灾害的高发地区。1976年唐山大地震以来,我国共发生6级以上强破坏性地震56次,其中有15次發生在云南,占全国总数的五分之一以上。为保证在押犯人的生命安全,在监舍设计时必须对予以考虑。

1 建筑物破坏原理

地震对建筑物的破坏作用主要有三种因素:振动破坏、地基失效破坏、次生效应破坏。

1.1 振动破坏

地震波引起的地面振动通过基础传递到建筑物上,引起建筑物本身的振动。建筑物一般是按静力设计和建造的,耐受振动的强度有一定的限度,其破坏程度取决于地震力的大小;但地震波对建筑物的破坏作用很复杂,破坏程度常由许多因素综合决定,包括地震波频谱组成和延续时间,建筑物的材料性质,动力特性,以及地基条件和地形等环境因素。

1.2 地基失效破坏

当地基强度较小或加速度很大时,地表层或下垫层可能达到屈服极限;此时岩石或土层不再具有完全弹性,将产生永久变形,进而导致地基承载力下降甚至丧失,地基产生变位、移动。虽然地基破坏消耗了地震波的能量,减小了震动对建筑物的破坏;但地基失效同时又造成另一种灾害,如建筑物下沉、地基不均匀沉降和水平变位,进而导致建筑物结构破坏。

1.3 次生效应破坏

在特定的地质、环境条件下,地震可能引起崩塌、滑坡或泥石流等次生灾害。在陡峭的山区或丘陵地带,破碎的岩石和松散的表土可能由于地震所产生的振动与下卧的岩土层脱离,从而发生次生灾害;如果地震前发生大量、长时间降水,更易发生该类灾害。规模巨大的崩塌和滑坡灾害可能摧毁地面的建筑物,掩埋坡下的居民点,造成大规模的破坏和伤亡;如果滑坡或崩塌造成河道阻塞,还有可能引发水灾;而大型水体下及附近发生的大规模崩滑,也会对坝体及周边建筑造成毁灭性破坏。

2 监舍防震设计目标

建筑物防震设计是指对建筑结构进行抗震设防并采取一定的抗震构造措施,以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防必须贯彻执行《中国人民共和国建筑法》和《中国人民共和国防震减灾法》,并实行以预防为主的方针,减轻地震对建筑的破坏,避免人员伤亡,减少经济损失。根据建筑物结构遭到不同烈度地震的影响,确定结构、构建、使用功能、设备的损坏程度及人身安全总目标,分为以下三个层次:

2.1 小震不坏——遭遇本地区抗震设防烈度的多遇地震时,一般不损坏或不需修理即可继续使用。

2.2 中震可修——遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时,可能损坏,但一般修理或不需要修理仍可继续使用。

2.3 大震不倒——遭受高于本地区抗震设防烈度地震(预估的罕遇地震,50年超越概率2%～3%)影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

3 监舍的防震设计

监舍是监狱内部用于犯人住宿的建筑,一般为多层钢筋混能土建筑。由于其用途的特殊性,监舍的防震设计应遵循如下原则。

3.1 合理选择地基基础

监舍数人员密集型建筑,防震要求较高,地基和基础设计应符合下列要求:

3.1.1 同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上;

3.1.2 同一结构单元不宜采用不同的基础形式,如部分采用天然地基,部分采用桩基础;

3.1.3 地基为软弱黏土岩、液化土、新近填土或其他严重不均匀条件时,应估计地震时地基的不均匀沉降或其他不利影响,并采取相应措施;

3.1.4 合理选择建筑环境,避免地震时发生的次生灾害对建筑物构成伤害,如避免将监舍建在松软的山坡上或陡峭的坡脚下。

3.2 合理选择结构体系

建筑物的设计应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。对于较大的建筑结构,应布置多道抗震防线,且宜具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中

或塑性变形集中。

结构件方面,应合理选择尺寸、配置纵向受力钢筋和横筋,避免剪切破坏限于弯曲破坏、混凝土的压溃限于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结破坏限于构件破坏;对于预应力混凝土抗侧力构件,应配有足够的非预应力钢筋。构件间的连接也应保证足够的强度,要保证:节点的破坏不先于所连接的构件;预埋件的锚固破坏不先于所连接的构件;装配式结构构件的连接应保证结构的整体性。

3.3 建筑体型简单对称

建筑及其抗侧力结构的平面布置应规则、对称,并应具有良好的整体性,在两个主轴方向上的动力特性应接近。对于监舍,建筑的立面或竖向剖面应规则,结构的侧向刚度应均匀变化,竖向抗侧力构件的界面尺寸和材料强度应自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变;如果建筑平面不规则,其空间结构设计应满足如下要求:扭转不规则时,楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍。此外,可通过设置防震缝将复杂的建筑结构体划分为较规则的单元。

3.4 非结构件的安全

出于犯人的安全和管理需要,监舍设计时应尽量采用非结构件。必须使用非结构件应满足如下要求:

3.4.1 建筑非结构件和附属机电设备,自身及其与结构主体的连接应进行抗震设计;

3.4.2 附着于楼面结构的非结构构件必须与主体结构有可靠的连接或锚固,避免地震时倒塌伤人或破坏其他重要设备;

3.4.3 围墙或隔墙应考虑对结构抗震的不利影响,避免不合理设置导致的结构破坏(围墙破坏可能导致犯人大规模出逃等监狱安全事故)。

3.5 消能减震设计由于云南出于高强地震频发地区,而监舍又属于需重点保护的单位,因此有必要在建筑物设计过程中必须对消能减震予以考虑。消能减震设计时,应根据罕遇地震下的预期结构位移控制要求设置适当的消能部件。消能部件一般由消能器及斜撑、墙体、梁或节点等支撑构件组成。消能器有速度相关型、位移相关型或其他类型;消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置。

4 研究结论

论文研究得出如下结论:

4.1 地震对建筑物的破坏原理主要有振动破坏、地基失效破坏和地震次生效