泥石流作用下建筑物易损性评价方法

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泥石流作用下建筑物易损性研究作为灾害风险分析的必要环节,既可直接指导城镇建筑物规划,也能为城镇泥石流风险的定量预测及减灾措施的实施提供依据。论文以调查获取的建筑物破坏样本为基础,采用量纲分析和回归统计的手段建立了单沟和单体尺度建筑物易损性评价经验模型,实现了泥石流扇形地易损性区划。为深入研究建筑物受泥石流作用的动态响应,阐释易损性力学机理。采用结构有限元方法分析了建筑物受冲后连续倒塌过程,实现了损失的定量化;并通过水槽实验,揭示了泥石流浆体和大颗粒冲击力随时间变化和垂向分布规律,为动力学计算提供参数;最后结合冲击力与建筑物结构强度参数,采用塑性力学理论计算了砖混和框架结构建筑物承重构件受泥石流冲击破坏的临界条件,为形成建筑物易损性动力学模型提供基础。主要研究结果如下:  ⑴通过灾史记录、实地调查、遥感调查和文献查阅收集了典型泥石流灾害事件中建筑物破坏样本270余份。依据野外调查经验和样本数据,提出了较为实用和科学的泥石流灾害建筑物调查流程,归纳了泥石流对建筑物破坏方式与模式。  ⑵以建筑物破坏样本数据为基础,选取近似冲击能量的泥石流强度指标IDFF(v2h),统计了5种强度条件下建筑物产生完全破坏到淤埋损坏的可能性,形成了单沟泥石流易损性评价方法。结果表明:当IDF大于1000 m3· s-2,建筑物必完全破坏;其值为100-1000 m3·s-2时,完全破坏可能性为70%,29%可能为结构破坏;为10-100 m3·s-2时,结构破坏的可能性达67%,完全破坏仍占24%;为1-10m3·s-2,以淤埋和部分结构破坏为主,占78%;小于1 m3·s-2后,水淹的可能性达86%。单沟泥石流扇形地内:r/R为0-0.65且η/θ为0-0.43范围内为建筑物重度易损区;r/R为0.65-0.8且η/θ为0.43-0.78范围为中度易损区;r/R为0.8-0.92且η/θ为0.78-1范围为轻度易损区;r/R为0.92-1.1且η/θ为1-1.2范围为微小易损区。  ⑶针对前人易损性曲线指标选取单一、适用性差且无物理意义的问题。通过分析泥石流动力学指标与单个建筑物抵抗力因子的关系,建立了具有物理意义的砖混和框架结构建筑物易损性定量评价模型。对于砖混结构:当泥石流动压力超过25kPa或流速超过4m/s,建筑物完全破坏,小于上述值时,以流深和开口(门窗)比组合的强度指标与易损度呈二次函数关系;对框架结构建筑,采用泥石流冲击力(F)、柱体极限抗剪力(Tu)及建筑长短轴比值(L/W)作为强度指标,统计结果显示各指标与易损度间关系满足Weibull和Exponential分布函数。  ⑷泥石流浆体和大颗粒冲击频率的临界值为2Hz,浆体连续冲击过程可采用3个阶段的线性函数描述,大颗粒冲击因其具有随机性而采用冲击频率表达。浆体垂向分布可分为两层,底层为泥石流直接冲击,可采用指数分布函数拟合,上层为雍高导致的压力,可采用线性函数拟合。水动力学公式中待定系数α与流体Fr数关系呈幂函数关系,得到弱化尺寸效应的浆体动压力计算公式。  ⑸建筑物支撑构件的破坏数量可表征其损坏程度,当其失去1根构件时,其损失比例为0.17;丧失2-3根时,损失比为0.42-0.81;破坏构件超过4根,建筑物将失去支撑而倒塌。其主要支撑构件(梁和柱)的破坏可采用塑性铰描述,计算得到不同强度构件破坏临界泥石流流速为4.2-10.4 m/s(固端2点塑性铰)、8.3-24.9 m/s(固端-跨中3点塑性铰)及7.3-15.7 m/s(剪切破坏)。  ⑹将建筑物易损性经验模型与破坏力学模型应用于七盘沟“7.10”特大泥石流灾害事件的计算。通过对比显示,易损度经验模型、力学计算与野外调查得出的结果具有较高的一致性,这也佐证了本研究的精度与适用性。
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