建筑机电工程抗震的必要性

发布时间:2018-08-03阅读次数:594次

一、建筑机电工程抗震研究的动机与目的

 

随着社会的发展,人类的居住环境也产生改变。近些年来我国城市建设得到极大发展。我们的建筑物也正在走向大规模化、高楼化及用途复杂化。于此同时也使得建筑物发生火灾之危险性大为增加,相形之下消防灭火工作更加困难,一旦发生火警,往往会给人们的生命和财产造成巨大的威胁和损失。

 

建筑物在地震时常常由于燃气、电气管道破裂等诸多原因而酿成严重火灾;同时在大地震过后,以当地救灾部门有限的资源,要应付种种突发状况,难免会显得分身乏术。若建筑物此时能发挥自救的能力,将必定能减轻救灾单位的工作负荷,并大大降低建筑物自身的受害程度。而且,如果消防设备在地震中受到损坏,还可能造成漏水或淹水等严重的二次灾害。我国是多地震国家,特别是近年来我国地震灾害频发,尤其是汶川、玉树的高震级地震给人们的生命和财产造成了巨大损失。因此建筑物是否具有抗震性,能否抵御地震灾害对于防震减灾工作尤为重要。这其中如何提升建筑物消防系统的抗震能力,使其不会在地震中遭到严重破坏,对于地震时避免人员伤亡、降低经济损失、防止次生灾害方面及地震后恢复建筑使用功能方面都具有十分重要意义。

 

我们国家也越来越重视关于包括消防系统在内的建筑机电工程抗震方面的工作,新的国家规范《建筑机电工程抗震设计规范》GB50981-2014也即将颁布实施。由于我国关于在建筑机电工程抗震方面的统计资料相对比较少,下面通过一些国外相关震损经验的案例,来说明提高机电系统抗震性能的必要性。

 

二、国内外机电系统震损经验

 

抗震支吊架系统在国外的使用有几十年的历史了,故而也经历过许多地震的考验。从这些地震经验当中,人们更加清楚其被破坏的特性,同时也越来越积极的设法提升其抗震能力。以下分别就美国及台湾具有代表性的消防系统抗震经验,进行研究分析。

 

(一)、美国震损经验:

1、案例一:圣佛南多地震

此地震发生于1971年2月9日早上6点1分,震源位于洛杉矶北部,深度13公里,震级6.6级。共造成58人死亡,2543人受伤。

自动喷淋设备的受损状况

太平洋防火局针对受灾地域内的68栋建筑物进行了调查,当中有56%(38栋)建筑物的自动喷淋设备受损;另外有41%(28栋)的建筑物受到了水害。在这68栋建筑物的主体结构中,共有65%(44栋)的建筑物遭到不同程度的损害。因本地震而造成的自动喷淋设备损坏,以管道与喷淋头为主,主要原因有:管道的支吊架管夹安装方法不当;管道支吊架构件的螺栓松脱;管道连接处受损(特别是从供水主管至分流主管的分支部分);通过墙壁贯通部或建筑物伸缩缝结合部的管道受损;因与建筑结构撞击,造成自动喷淋头受损等。

 

2、案例二:加州LOMA PRIETA(旧金山)地震

在1989年11月17日,美国西岸的旧金山湾区发生了一场7.1级的地震,该地震共造成了100亿美元的重大损失。本地震的震源深度为11.5英里的断层,该断层在地表处延伸了3.7英里远。地震后地面被抬升了14英寸且往北移动了7英寸。在松软的土层上普遍发生的土壤液化及放大效应,让本地震所造成的损害更加严重。

 

但值得关注的是,此次地震关于自动喷淋系统的损坏情况,较前一案例来说是有明显减少的,在建筑及结构物的70处损害资料中,仅有极少数是关于喷淋系统的,此说明了NFPA13(美国消防喷淋规范)中的新型抗震方法确实能有效提高喷淋系统的抗震能力。

 

旧金山地震调查报告,促使NFPA13的抗震小组委员会提议在1991年修订版本的基础上再增列一些额外要求。包括在震区内的轻质混凝土墙上的抗震吊架及普通吊架上,禁止使用火药击钉;以及用来代替横向抗震吊架的U型吊钩需为全包型,且要满足抗震吊架的抗震要求等。

 

3、案例三:加州北岭地震

1994年1月17日,早上4点31分,在洛杉矶北方发生了6.6级的地震,接下来的几天内,亦陆陆续续的发生了数起规模在4-5级的余震,有记录可知这些余震的地表加速度超当时建筑法规4倍之多。由于震中发生在人口稠密区,所以这场地震也提供给人们一个观察消防喷淋系统抗震能力的机会。

 

在以前的地震经验中,观察结果普遍认为喷淋系统的抗震能力是不会高于建筑物的抗震能力的。然而在这次造成数以千计房屋损坏的地震中,人们惊讶的发现,喷淋系统的损坏层面不再那么广大。当然,若一栋建筑物发生重大的结构损坏时,其内部的喷淋系统当然难以维持其机能。如某博物馆大楼的顶层部分被剪裂时,其内部的喷淋系统也一并被扯下,但在这个建筑的底层部分,喷淋系统却基本上是完好如初。

 

北岭地震让人们第一次了解住宅喷淋系统在地震中的行为特征。有一些依据NFPA13的而装置的住宅铜质管路,尽管此住宅的仿大理石材质的外墙出现几条小裂纹,但其喷淋系统却毫无损伤。又如在加州大学北岭分校,尽管有些建筑物基础被抬升,造成石膏板及屋瓦的破裂,但其低矮公寓的符合NFPA13的薄壁钢管却没有遭遇到任何的损害。不过其他没有采取抗震措施的管道,表现就不那么理想了,如一栋建于1992年的建筑物就有四间盥洗间及若干条铜质HVAC(暖通空调)管损坏。

 

本次地震中人们总结出一条重要的经验:有依照最新NFPA13的要求而设置抗震措施的喷淋系统,在地震中的表现要比按照旧规范而施作的要好,纵向主管抗震吊架就是一个非常明显的例子。

 

(二)、台湾的震损经验

台湾南投县某停车场,在台湾九二一地震之前便已完工,但因重重原因而未正式启用。九二一地震后,该停车场受到局部的结构损害,但其内的消防管道则受到严重破坏。由于修复工程一直没法顺利进行,因此正好提供一个极佳的管道地震破坏研究案例。

 

该建物结构破坏介绍:

停车场结构上破坏并不算严重,每一楼层平面上计有47根柱子,而仅有在四楼处有一根明显可见到内部钢筋之柱破坏。其余的梁柱破坏,则以龟裂的情形较多。墙面部分亦有受剪力所造成的破坏龟裂,可以灌注环氧树脂方式加固。

 

管道系统破坏资料:

通过调查发现本停车场管道系统的破坏情况,有随着楼层数增高而加剧的趋势。破坏多集中在八楼、九楼及十楼等三个楼层,且以吊杆变形乃至拔出的破坏数目最多。

在调查中发现,管道系统的损害在沟槽接头处以及管道与阀门连接处有发现一些破坏。而立管部分,经试水后证实没有损坏,在地震以后仍能发挥正常的功能。

 

台湾地震经验总结:

1、管道支吊架吊杆的破坏主要有:

(1) 膨胀螺栓及预埋方式吊杆的破坏不尽相同,膨胀螺栓主要为拔出的破坏,而预埋主要为剪断的破坏。因此若能增加膨胀螺栓与楼板之间的摩擦力,即可减少其被拔出的机率,在施工上也较预埋吊杆更方便。

 

(2) 由调查结果发现:远离建筑物钢心(楼梯间)的区域,其处吊杆较易产生破坏。原因应是愈远离建筑物钢心,地震力所造成的扭矩愈大的关系。

 

2、管道的破坏主要有:

管道的破坏除了因悬吊杆件断裂或拔出,导致管道功能损坏外,管道连接的断裂亦是主要破坏原因之一,其主要断裂形式有两种:

(1) 管道与阀门连接处的破坏。这种破坏主要为地震力作用下,因悬吊管无法抵抗惯性加速度而产生较大振动,但手动启动却固定于墙上,以致造成螺纹连接处到手动启动阀L型处剪断。

 

(2) 泡沫放射区域单元局部断裂。这种破坏主要为受水平、垂直地震力摇动拉扯,导致悬吊杆件断裂或拔出,致使配管无重力支撑而在螺纹处断裂。

 

三、分析

 

评估一套复杂设备系统之抗震能力,通常逻辑树的观念可以提供一个可靠且简易的方法。此法的主要观点为:整体系统抗震力的强弱,取决于其组成子项目中抗震能力最薄弱的一项。通过以上实例进行分析,造成管道系统破坏的可能因素可以整理成以下的树状图:

 

根据以上国内外震损资料,并依据逻辑树的观念可以得知:建筑机电工程是否具有抗震性能,管道系统是一个很重要的因素。由上图我们可以判断,管道系统中最脆弱的部分就是管道支吊架(悬吊)系统,最容易遭到地震破坏。因此在管道的支吊系统采用合理适当的抗震支撑措施,使建筑机电设备及管道的支架具有足够的刚度和强度;其与建筑结构建立可靠的连接和锚固,可将地震时管道产生的地震作用传导到结构体上,在减少和尽可能防止次生灾害发生的同时,还可以使机电系统在遭遇设防烈度地震影响后能比较迅速的恢复运转。

 

每次地震发生,可能很多人都会有类似的问题。有时候,我们自己也会在这里犯一些错误,被大家诟病为「不专业」。当然,这些东西也挺复杂的...

 

一、 地震震级

地震震级是某次地震的属性,某个地震只会有一个震级。比如1995年阪神大地震是矩震级6.8,2008年汶川大地震是矩震级是7.9。

注意到,可能对于某次地震,不同媒体的报道有所不同,那是因为他们采用了不同的震级标准。由于历史原因,不同的专家学者发明过不同的震级标准,比如里氏震级、面波震级、体波震级等等。比如说,有些国内官方媒体采用的就是面波震级,所以2008年汶川大地震的震级为面波震级8.0。目前大家认为比较合理的、应用较广泛的是矩震级。

震级是什么意思呢?简单说,震级衡量的是地震的大小,或者严谨一点,地震所释放的能量的大小。某次地震所释放的总能量是固定的,所以它的震级也是唯一的。

绝大多数地震是由断层引起的,地震所释放的能量的大小,取决于引发地震的断层的大小、断层两边相对运动的距离、断层处的岩石强度。断层的面积乘以断层移动的距离再乘以岩石的剪切模量,得到的就是Seismic Moment,也就是所谓的地震矩。这个地震矩的数值,直接反映了地震释放能量的大小。

而矩震级就是对地震矩的衡量,这两者之间的关系是 ,简单说,8级地震释放的能量,是7级的31.6倍,6级的1000倍,5级的31623倍,4级的1000000倍。

 

二、 地震烈度

地震烈度衡量的是某次地震发生之后对某个地区的影响。比如说,1976年唐山大地震,震中唐山的烈度为11度,天津的烈度为8度,北京为6度,石家庄为5度。通常情况下,越靠近震中最大,越远离震中越小。这也很好理解,越靠近震中受影响越大,越远离震中受影响越小。

你可以想象成一个靶子,震中就是靶心10环,外边一点9环,再靠外8环。同样的地震,震中烈度可能是9度,往外50公里可能降低到8度,再往外150公里可能降低到7度。由于地形地质的不同,所以烈度的分布并不是个完美的同心圆,只是大致上遵循着越靠近震中越大的规律。

烈度的大小与地震震级相关,但并没有明确的数值关系,而是因为其它条件的不同而不同。简单说,烈度是一个主观性比较强的参数,跟震源深浅、地震类型、地质条件等等都有关系,不同的地震会有不同的情况。正如世界上没有两片相同的叶子,世界上也没有两次相同的地震。同样都是6级地震,一个震中烈度可能是7度,另一个可能会达到8度。

 

三 、抗震设防烈度

抗震设防烈度是某个地区的属性。比如说北京的抗震设防烈度是 8 度,上海的抗震设防烈度是 7 度。

这个是怎么确定的呢?一定程度上,设防烈度的制定跟设防目标相关。就拿北京来说,先统计一下历史上一定时期之内影响到北京的历次地震,看一下这些地震引起的北京地区的烈度分别是多少。比如说1976年唐山地震是6度,某某年某次地震是4度,某某年某次地震是5度……然后再利用统计学知识,根据既定的可靠度目标,比如说,让设防烈度大于这些已经发生过的地震烈度的90%,继而确定出一个设防烈度。换句话说,这种情况下,所有可能发生的地震里,我能保证有90%的实际地震烈度都小于我的这个设防烈度。

现在的抗震规范,采用的是 50 年内超越概率为 10% 的地震烈度作为抗震设防烈度。也就是说,50年之内,发生比这个设防烈度还大的地震烈度的可能性是10%。折算下来,也就是俗称的「475年一遇」。

什么意思呢?475年一遇的地震,今年发生的概率是475分之一,也就是0.211%,今年不发生的概率是1减去0.211%,也就是99.789%。50年之内都不发生这样的地震,这个概率是 99.789% 的 50次方,也就是90%。而50年之内发生这样的地震的概率,则是 1 减去 90%,等于 10%。

也就是说,我们的目标是 475 年一遇的地震。100年一遇的地震,小意思,都在我们的设防范围之内,也就是俗称的「小震不坏」;500年一遇的地震,刚刚好跟我们的设防目标差不多,次要结构可能会有小范围破坏,但是主体结构不会发生大的破坏,也就是俗称的「中震可修」;1000年一遇的地震,已经超过了我们的设防目标,但是尽量通过合理的构造措施,保证结构足够的延性和塑性变形能力,争取做到房子虽然变形很大,但不会整体垮塌,保证逃生通道和逃生时间,这也就是俗称的「大震不倒」。

 

四 、抗震等级

抗震等级是建筑结构的属性。比如说,这栋楼的抗震等级是一级,那栋楼的抗震等级是二级。抗震等级也可以在局部调整,比如这栋楼的抗震等级是三级,但是某一层或者某一个柱子的抗震等级是二级。

抗震等级当然跟抗震能力相关,但并不是说一级的就一定比二级的好。举个类似的例子,汽车的碰撞试验,有五星的,也有三星的,但是并不是说五星的就一定比三星的更好。一个五星的微型车,跟一个三星的大皮卡相比,孰高孰低还很难说。

抗震等级也是如此,它取决于抗震设防烈度、结构重要性、结构类型、结构高度。对于普通的钢筋混凝土结构,可以参见抗震规范里的这张表格。

 

比如说,上海的一栋高层住宅楼,采用剪力墙结构,高度为100米。我们就去查表,上海设防烈度为7度,抗震墙结构高度大于80米,所以是二级。再比如说,济南的一栋高层写字楼,框架核心筒。我们继续查表,济南是6度区,所以框架核心筒的框架部分是三级,核心筒部分是二级。

注意到,我们说这张表适用于「普通的钢筋混凝土结构」,也就是所谓的「丙类建筑」。目前的抗震规范,已经把中小学校舍提高到了「乙类建筑」。换言之,医院、中小学校舍等等非常重要的建筑物,需要在这张表的基础上进一步提高,一般是查表的时候提高一个烈度。

比如说,以上海为例,同样是小于24米的框架结构,如果是菜市场,那就按7度查表,也就是三级,如果是小学教学楼,那就要按7+1=8度查表,抗震等级为二级。也就是说,同一个地区、同一个结构类型、差不多高度的建筑物,中小学、医院等等通常要比菜市场、普通办公楼、住宅楼高一个抗震等级。

抗震等级有什么用呢?主要体现在结构的各种内力调整和构造措施上。

 

比如一级框架结构的角柱,最小配筋率需要到达1.1%,而四级的角柱,最小配筋率达到0.7%就可以了。也就是说,在计算允许的前提下,抗震等级低的结构可以用更少的钢筋。

 

再比如说,一级和二级框架结构的角柱,箍筋必须全高加密,而三级和四级的角柱就不需要特殊处理。

 

五 、总结

地震震级是地震的属性,一次地震只有一个震级。

地震烈度是地震对某个地区的影响,震中高,越往外越低。震中烈度和震级有关。

设防烈度可以简单理解成某个地区475年内所能发生的最强烈的地震烈度。如果实际发生的地震引起的烈度不大于设防烈度,建筑结构应该要做到不发生永久性的、不可修复的的破坏。

抗震等级是建筑物的属性,越重要、越容易受地震袭击、越需要保护的建筑物,抗震等级越高,对抗震能力的要求也越高。