專利名稱：確定一建筑物地震破壞度的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定一建筑物地震破壞度的方法和儀器。
通常，確定一建筑物地震破壞度所使用的方法為(1)通過(guò)使建筑物振動(dòng)而得到一建筑物自然頻率的方法；(2)利用表格對(duì)一建筑物的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；(3)通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)計(jì)算抗震指數(shù)的抗震診斷方法。
在方法(1)，即通過(guò)振動(dòng)該建筑物得到建筑物的自然頻率的方法中，用一個(gè)振動(dòng)發(fā)生器或用一重物沖擊使建筑物發(fā)生振動(dòng)，然后在這種生成的振動(dòng)的基礎(chǔ)上得到該建筑物的自然頻率。將這個(gè)自然頻率與一參考值進(jìn)行比較，以確定該建筑物的抗震性能。
在方法(2)，即用一個(gè)表格來(lái)評(píng)價(jià)一建筑物抗震性能的方法中，用一個(gè)包含預(yù)先確定的項(xiàng)目，如建筑物的地下條件、建筑物的建造年代以及結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)的表來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)建筑物。在該評(píng)價(jià)實(shí)例得到的總分的基礎(chǔ)上確定建筑物抗震性能。
在方法(3)，即通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)計(jì)算抗震指數(shù)的抗震診斷方法中，根據(jù)具體情況使用下述三種方法中的任何一個(gè)。在第一種方法中，根據(jù)墻和柱子的橫截面面積計(jì)算每一層的最終強(qiáng)度。在第二種方法中，在假設(shè)梁和樓板均為剛性以及計(jì)算的單個(gè)柱和墻的彎曲和層的最終剪切強(qiáng)度的基礎(chǔ)上得到每一層的彎曲強(qiáng)度，然后在該彎曲強(qiáng)度和最終剪切強(qiáng)度以及鋼筋數(shù)量等的關(guān)系的基礎(chǔ)上計(jì)算每層的剛度在第三種方法中，在考慮梁的強(qiáng)度和剛性時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的框架非線性分析。
上述的確定一建筑物地震破壞度的方法包括下述問(wèn)題。
在通過(guò)使一建筑物振動(dòng)而得到該建筑物自然頻率的方法中，需要一大型儀器使建筑物產(chǎn)生振動(dòng)，而當(dāng)安裝儀器或沖擊建筑物時(shí)，建筑物會(huì)被破壞。同時(shí)這種方法還需要一個(gè)參考自然頻率作為比較的基礎(chǔ)，如一個(gè)理論自然頻率，一個(gè)從經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出的自然頻率，或一個(gè)過(guò)去測(cè)量的自然頻率。
在用表格來(lái)評(píng)價(jià)一建筑物的抗震性能的方法中，評(píng)價(jià)是粗糙的，易受評(píng)價(jià)者主觀性的影響；不能定量得到建筑物的振動(dòng)特征。
在通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)計(jì)算抗震指數(shù)的抗震診斷方法中，為了得到結(jié)構(gòu)計(jì)算所用的數(shù)據(jù)而進(jìn)行的調(diào)研以及輸入得到的數(shù)據(jù)需要大量的時(shí)間和花費(fèi)。另外，診斷要求高水平的結(jié)構(gòu)計(jì)算知識(shí)，因而專家的參與是必不可少的。
本發(fā)明的目的是為了解決確定一建筑物的地震破壞度的普通方法中的上述問(wèn)題，并提供一種僅僅用安裝在建筑物上的振動(dòng)傳感器記錄的振動(dòng)，然后對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)定量評(píng)價(jià)建筑物的地震破壞度的方法和儀器。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種確定一建筑物的地震破壞度的方法包括以下步驟(a)將一振動(dòng)傳感器放在建筑物某一層的上表面和建筑物附近的地面，以記錄振動(dòng)；(b)在建筑物該層的上表面記錄的振動(dòng)與在建筑物附近地面記錄振動(dòng)間頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，因而得到建筑物該層上表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；(c)在所得到的建筑物該層上表面主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)以及建筑物該層高度的基礎(chǔ)上得到由于該層變形而產(chǎn)生的建筑物該層的地震破壞指數(shù)；(d)將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度，即得到建筑物該層經(jīng)受一次地震時(shí)的最大剪應(yīng)變。
優(yōu)選地，用在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量之間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度，即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
較好地，用在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到主頻率以及在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的放大系數(shù)得到地震破壞指數(shù)。計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)面層地震運(yùn)動(dòng)的放大。地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，確定一建筑物地震破壞度的方法包括以下步驟(a)將一振動(dòng)傳感器放在建筑物該層的上表面、下表面和建筑物附近的地面，以記錄振動(dòng)；(b)在建筑物該層上表面記錄的振動(dòng)與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)間頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；(c)在建筑物該層下表面記錄的振動(dòng)與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層下表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層下表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；(d)在得到的建筑物該層的上、下表面主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)以及該層高度的基礎(chǔ)上得到由于該層變形而產(chǎn)生的該建筑物層的地震破壞指數(shù)；(e)將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層剪應(yīng)變。
較好地，用在建筑物該層的上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)得出建筑物該層的地震破壞指數(shù)。該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
較好地，用在建筑物該層的上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率、以及在建筑物該層的上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)垂直分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大。地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到該建筑物層的剪應(yīng)變。
該振動(dòng)最好為微震。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，確定一建筑物的地震破壞度的儀器包括(a)一記錄振動(dòng)的第一振動(dòng)傳感器，放在一建筑物某一層的上表面；(b)一記錄振動(dòng)的第二振動(dòng)傳感器，放在建筑物附近的地面；(c)一地震破壞數(shù)據(jù)處理器，與振動(dòng)傳感器連接，在記錄振動(dòng)的基礎(chǔ)上確定該建筑物的地震破壞度。地震破壞數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理以在第一和第二振動(dòng)傳感器記錄振動(dòng)之間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層上表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；在得到的建筑物該層主頻率和放大系數(shù)以及建筑物該層高度的基礎(chǔ)上得到該層變形產(chǎn)生的建筑物該層的地震破壞指數(shù)；將此地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層經(jīng)受一次地震時(shí)的最大剪應(yīng)變。
較好地，地震破壞數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行如下過(guò)程。用在建筑物該層的上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)力。
建議地震破壞數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行如下過(guò)程。用在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率以及在建筑物該層的上表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。計(jì)算中考慮了表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大。地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明確定一建筑物地震破壞度的儀器包括(a)一記錄振動(dòng)的第一振動(dòng)傳感器，放在建筑物一層的上表面，(b)一記錄振動(dòng)的第二振動(dòng)傳感器，放在建筑物該層的下表面，(c)一記錄振動(dòng)的第三振動(dòng)傳感器，放在建筑物附近的地面，(d)一地震破壞數(shù)據(jù)處理器，與振動(dòng)處理器連接，并在記錄振動(dòng)的基礎(chǔ)上確定建筑物的地震破壞度。地震破壞數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理；在第一和第三振動(dòng)傳感器記錄的振動(dòng)間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，因而得到建筑物該層上表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；在第二和第三振動(dòng)傳感器記錄的振動(dòng)間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層下表面的振動(dòng)傳導(dǎo)方程，因而得到建筑物該層下表面的主頻率和振動(dòng)放大倍數(shù)；在所得到的建筑物該層的上、下表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)以及建筑物該層高度的基礎(chǔ)上求出建筑物該層的地震破壞指數(shù)；將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度就得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
建議地震破壞數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行以下過(guò)程用在該建筑物層上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)求出該建筑物層的地震破壞指數(shù)。該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度，即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
較好地，地震破壞數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行以下過(guò)程用在建筑物該層上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率以及在建筑物的上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的振動(dòng)放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。計(jì)算中考慮了一表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大。該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的地基地震加速度就得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
較好地，振動(dòng)傳感器為檢測(cè)微震的振動(dòng)傳感器。
因此，本發(fā)明具有如下效果。
地震破壞度可以很容易地確定，而不需要使用使建筑物振動(dòng)的儀器。另外，由于可以得到經(jīng)受一次地震時(shí)的剪應(yīng)變，因而可以定量確定一建筑物的地震破壞度。
只進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算即可確定地震破壞度，不需要對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。另外，沒(méi)有專家參與確定地震破壞度。這樣，能在更短的時(shí)間內(nèi)，并在更低的成本下確定一建筑物的地震破壞度。
由于使用了有關(guān)一建筑物的實(shí)際振動(dòng)，因而考慮一建筑物損壞、低劣的建筑質(zhì)量以及其它類似因素的絕對(duì)評(píng)價(jià)是可能的。
以本發(fā)明為依據(jù)的確定一建筑物地震破壞程度的方法和儀器的結(jié)構(gòu)和特征將參照附圖得到更好的理解，附圖如下

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的解釋圖，該實(shí)施例中測(cè)量了振動(dòng)，以確定一建筑物第一層(與地面接觸層)的地震破壞度；圖2是以第一實(shí)施例為依據(jù)確定地震破壞度方法的框圖。
圖3為以第一實(shí)施例為依據(jù)的確定地震破壞度方法中用的振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)的視圖。
圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例的解釋圖，該實(shí)施例中測(cè)量了振動(dòng)，以確定一建筑物任意層的地震破壞度。
圖5為本發(fā)明第三實(shí)施例的解釋圖，該例中測(cè)量了一棟2層木房子中的微震。
圖6為根據(jù)第三實(shí)施例，圖5房子第二層記錄微震的水平分量和圖5地面記錄的微震的水平分量間的頻譜比(一測(cè)定的從地面?zhèn)髦恋诙拥恼駝?dòng)傳導(dǎo)函數(shù))。
圖7為根據(jù)第三實(shí)施例，圖5房子第二層記錄微震的水平分量和圖5地面記錄微震的垂直分量間的頻譜比(一測(cè)定的從地基傳向第二層的振動(dòng)傳導(dǎo)方程)。
圖8是解釋本發(fā)明第四實(shí)施例的高層建筑示意圖。
下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
首先描述得到一建筑物第一層(與地面接觸的)的地震破壞度的方法。
圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例，本例中用以本發(fā)明第一實(shí)施例為依據(jù)的方法測(cè)量振動(dòng)，以確定建筑物第一層(與地面接觸層)的地震破壞度。圖2為說(shuō)明確定地震破壞度方法的框圖。圖3表明一振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，當(dāng)要確定一建筑物1的地震破壞度時(shí)，將一振動(dòng)傳感器7放在建筑物1某一層2的上表面3，一振動(dòng)傳感器8放在靠近建筑物1的地面4。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3描述振動(dòng)傳感器7的結(jié)構(gòu)。振動(dòng)傳感器8與振動(dòng)傳感器7結(jié)構(gòu)相同并且可以得到振動(dòng)數(shù)據(jù)(例如關(guān)于微震的數(shù)據(jù))。
振動(dòng)傳感器7由接頭7a、電纜7b、水平儀7c、把手7d、極性標(biāo)志7e、垂直振動(dòng)(Z方向)檢測(cè)器7f、水平振動(dòng)(X方向)檢測(cè)器7g和水平振動(dòng)(Y方向)檢測(cè)器7h和外殼7i所組成，接頭7a用于供電及輸出振動(dòng)數(shù)據(jù)，電纜7b與接頭7a連接，水平儀7c裝在外殼7i上。
振動(dòng)傳感器7的方向?yàn)槭箼z測(cè)到的振動(dòng)的水平分量在確定地震破壞度所用振動(dòng)的方向中。
在圖2所示的確定地震破壞度的方法中，振動(dòng)傳感器7(或8)得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)被讀入地震破壞數(shù)據(jù)處理器9。地震破壞數(shù)據(jù)處理器9由濾波放大器9a、A/D轉(zhuǎn)換器9b、波形存貯部分9c、分析部分9d和輸出部分9e組成。
如圖1所示，在置于上表面3的振動(dòng)傳感器7記錄振動(dòng)的水平分量10和置于地面4的振動(dòng)傳感器8記錄振動(dòng)的水平分量11間頻譜比的基礎(chǔ)上求出從地面4傳至上表面3的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)。在求出的傳導(dǎo)函數(shù)峰值的基礎(chǔ)上得到主頻率Fs和從地面4傳至上表面3的振動(dòng)放大指數(shù)As。
由于地基5的振動(dòng)水平分量實(shí)際上與垂直分量相等并且垂直分量沒(méi)有被地表層放大很多，地基5處的振動(dòng)水平分量的頻譜可以用地面4記錄振動(dòng)的垂直分量12的頻譜來(lái)近似。
因此，從地基5傳至上表面3的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)可在上表面3記錄振動(dòng)的水平分量10和地面4記錄振動(dòng)的垂直分量12間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出。從地基5傳至上表面3的振動(dòng)放大系數(shù)Asg可在求出的傳導(dǎo)函數(shù)峰值的基礎(chǔ)上得出。參考數(shù)字6表示基礎(chǔ)面層。
最大地面地震加速度Xs(Gal)、最大地基地震加速度αb以及預(yù)計(jì)上表面3受到一次地震時(shí)產(chǎn)生的最大地震加速度α之間的關(guān)系用下面的式(1)來(lái)表示α＝As×αs＝Asg×αb(1)當(dāng)一具有最大地基地震加速度αs(Gal)的地震波進(jìn)入建筑物1附近的地面4時(shí)，上表面3的水平位移，即第一層的層內(nèi)位移δ(cm)用下面的式(2)得到δ＝I/k＝M×α/k＝(M/k)×As×αs＝(1/ω2)×As×αs＝[1/(2πFs)2]×As×αs＝(1/4π2)×(As/Fs2)×αs(2)當(dāng)一具有最大地基地震加速度αb(Gal)的地震波進(jìn)入建筑物1的地下基礎(chǔ)5時(shí)，上表面3的水平位移，即第一層的層內(nèi)位移δ(cm)用下面的式(3)得到δ＝I/k＝M×α/k＝(M/k)×Asg×αb＝(1/ω2)×Asg×αb＝[1/(2πFs)2]×Asg×αb＝(1/4π2)×(Asg/Fs2)×αb(3)式中M為與上表面3的振動(dòng)有關(guān)的有效質(zhì)量，I為經(jīng)受一次地震時(shí)有效質(zhì)量M中產(chǎn)生的慣性力，K為代表與上表面3的振動(dòng)有關(guān)的剛性的剪切彈性常數(shù)，ω為上表面3振動(dòng)的角頻率。實(shí)際上，水平位移δ的計(jì)算不需要這些值。上表面3經(jīng)受一次地震時(shí)的位移可在上表面3的主頻率Fs和放大系數(shù)As或Asg以及最大地面地震加速度αb的基礎(chǔ)上得出。
層2的高度用h1(m)表示，層2的剪應(yīng)變r(jià)(10-6)通過(guò)(4)式和(5)式得到，(4)式中使用了最大地面地震加速度，(5)式中使用了最大地基地震加速度。(4)式和(5)式中出現(xiàn)的10000是在用地震加速度αs和αb求以Gal(cm/s2)為單位的層內(nèi)位移δ、并且層2的高度h1以米(m)為單位度量來(lái)計(jì)算以10-6為單位的剪應(yīng)變時(shí)的調(diào)節(jié)系數(shù)。
γ＝10000×δ/h1＝10000×(1/4π2)×(As/Fs2)×αs/h1＝(2500As/π2Fs2h1)×αs(4)γ＝10000×δ/h1＝10000×(1/4π2)×(Asg/Fs2)×αb/h1＝(2500Asg/π2Fs2h1)×αb(5)當(dāng)使用最大地面地震加速度時(shí)，后面將要描述的層2中產(chǎn)生的最大剪應(yīng)變r(jià)(10-6)可通過(guò)使(6)式表示的地震破壞指數(shù)Ks與經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度Xs相乘得到。
Ks＝2500As/π2Fs2h1(6)同樣，使用最大地基地震加速度時(shí)，層2中產(chǎn)生的最大剪應(yīng)變r(jià)(10-6)可通過(guò)使(7)式表示的地震破壞指數(shù)Ksg與經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度αb相乘來(lái)計(jì)算。
Ksg＝2500Asg/π2Fs2hl(7)下面將描述得到一建筑物任意層的地震破壞指數(shù)和剪應(yīng)變的方法。
圖4所示為本發(fā)明的第二實(shí)施例，該例中測(cè)量振動(dòng)，以確定一多層建筑物任意一層的地震破壞度。
用上述的根據(jù)第一實(shí)施例得到的第一層(與地接觸層)地震破壞度的方法得到一多層建筑物21的第幾層22(要確定地震破壞度的層)的層內(nèi)變形，從而可確定第n層22的地震破壞指數(shù)。
從地面25傳至多層建筑物21的第n層22的上表面23的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)在上表面23記錄振動(dòng)的水平分量32和地面25記錄振動(dòng)的水平分量34之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出。在求出的傳導(dǎo)函數(shù)的基礎(chǔ)上可得出從地面?zhèn)髦辽媳砻?3的振動(dòng)主頻率Fsu和放大系數(shù)Asn。
同樣，在下表面24記錄的振動(dòng)水平分量33和地面25記錄的振動(dòng)水平分量34之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出從地面25傳至第n層22下表面24的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)。在求出的該傳導(dǎo)函數(shù)的基礎(chǔ)上可得出從地面25傳至下表面24的振動(dòng)主頻率Fsd和放大系數(shù)Asg。
從地基26傳至第n層22的上表面23的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)可在上表面23記錄振動(dòng)的水平分量32和地面25記錄振動(dòng)的垂直分量35之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出。在求出的此傳導(dǎo)函數(shù)的基礎(chǔ)上可得到從地基26傳至上表面23的振動(dòng)放大倍數(shù)Asgu。
同樣，從地基26傳至第n層22下表面24的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)可在下表面24記錄振動(dòng)的水平分量33和地面25記錄振動(dòng)的垂直分量35之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出。在求出的此傳導(dǎo)函數(shù)的基礎(chǔ)上可得到從地基26傳至下表面24的振動(dòng)放大系數(shù)Asgd。參考數(shù)字27表示基礎(chǔ)表面層，參考數(shù)字28表示放在第n層22的上表面23處的振動(dòng)傳感器，參考數(shù)字29表示放在第n層22的下表面24處的振動(dòng)傳感器，參考數(shù)字30表示放在地面25的振動(dòng)傳感器，參考數(shù)字31表示地震破壞數(shù)據(jù)處理器，其結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的地震破壞數(shù)據(jù)處理器9相同。參考數(shù)字36表示地基36處振動(dòng)的水平分量。
當(dāng)具有最大地面地震加速度Xs(Gal)的地震波進(jìn)入建筑物21附近的地面25時(shí)，第n層22的上、下表面23和24的水平位移通過(guò)(2)式得出。通過(guò)這兩個(gè)水平位移之差得出第n層22的層內(nèi)位移δ(cm)，如下式(8)所示δ＝(1/4π2)×(Asu/Fsu2)×αs－(1/4π2)×(Asd/Fsd2)×αs＝(1/4π2)×[(Asu/Fsu2)－(Asd/Fsd2)]×αs(8)當(dāng)具有最大地基地震加速度αb(Gal)的地震波進(jìn)入建筑物21地下的地基26時(shí)，第n層22的上、下表面23和24的水平位移通過(guò)(2)式得出。第n層22的層內(nèi)位移可由這兩個(gè)水平位移之差得出，如下式(9) δ＝(1/4π2)×(Asgu/Fsu2)×αb－(1/4π2)×(Asgd/Fsd2)×αb＝(1/4π2)×[(Asgu/Fsu2)－(Asgd/Fsd2)]×αb(9)
第n層22的高度用hn(m)表示，第n層22的剪應(yīng)變r(jià)(10-6)式(10)或式(11)得到，式(10)中使用最大地面地震加速度，式(11)中使用最大地基地震加速度。式(10)、式(11)中出現(xiàn)的10000為用地震加速度α5和αb求以Gal(cm/s2)為單位的層內(nèi)位移δ，并且第n層22的高度hn的度量單位為米(m)來(lái)計(jì)算以10-6為單位的剪應(yīng)變時(shí)的調(diào)節(jié)系數(shù)。γ＝10000×δn/hn＝10000×(1/4π2)×[(Asu/Fsu2)－(Asd/Fsd2)]×αs/hn＝(2500/π2hn)×[(Asu/Fsu2)－(Asd/Fsd2)]×αsγ＝10000×δn/hn＝10000×(1/4π2)×[(Asgu/Fsu2)－(Asgd/Fsd2)]×αb/hn＝(2500/π2hn)×[(Asgu/Fsu2)－(Asgd/Fsd2)]×αb(10) (11)當(dāng)使用最大地面地震加速度時(shí)，第n層22內(nèi)產(chǎn)生的最大剪應(yīng)變r(jià)(10-6)可通過(guò)(12)式表示的經(jīng)受一次地震時(shí)的地震破壞指數(shù)Ksn與最大地面地震加速度αs的乘積得到。
Ksn＝(2500/π2hn)×[(Asu/Fsu2)－(Asd/Fsd2)](12)同樣，當(dāng)使用最大地基地震加速度時(shí)，第n層22內(nèi)產(chǎn)生的最大剪應(yīng)變r(jià)(10-6)可通過(guò)(13)式表示的經(jīng)受一次地震時(shí)的地震破壞指數(shù)Ksgn與最大地基地震加速度αb的乘積得到。
Ksgn＝(2500/π2hn)×[(Asgu/Fsu2)－(Asgd/Fsd2)] (13)現(xiàn)在通過(guò)更具體的例子來(lái)描述本發(fā)明。
現(xiàn)在描述用微震對(duì)一個(gè)二層木房進(jìn)行的地震診斷，作為得到一建筑物第一層的地震破壞度方法的一個(gè)例子。
圖5為本發(fā)明的第三實(shí)施例，該例中測(cè)量了一棟二層木房子的微震。
為了確定相當(dāng)于一棟二層木房的第一層的層b(要確定地震破壞度的層)變形產(chǎn)生的地震破壞度，將一振動(dòng)傳感器g放在第二層的地板c上(b層的上表面)振動(dòng)傳感器h放于地面d。同振動(dòng)傳感器g和h同時(shí)測(cè)量地板c以及地面d的微震，從而得到頻譜比，符號(hào)f表示基礎(chǔ)表面層，符號(hào)i表示地震破壞數(shù)據(jù)處理器，其結(jié)構(gòu)與上述的地震破壞數(shù)據(jù)處理器9相同。
圖6為圖5地板c記錄微震的水平分量和地面d記錄微震的水平分量間的頻譜比(計(jì)算出的地面d傳至地板c的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù))。在圖6第一峰值的基礎(chǔ)上可得出主頻率Fs＝3.39Hz，放大系數(shù)As＝13.4。
圖7為圖5地板c記錄微震的水平分量和地面d記錄微震的垂直分量間的頻譜比(計(jì)算出的地面d傳至地板c的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù))。在圖7一峰值的基礎(chǔ)上可得到放大系數(shù)Asg＝21.6倍。
把相當(dāng)于二層木房的第一層-層b的高度取作2.8m，得到用經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度αs確定地震破壞度時(shí)使用的地震破壞指數(shù)ks＝105。表1為經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度αs＝100Gal，200Gal，和300Gal時(shí)得到的剪應(yīng)變r(jià)(10-6)。
一般認(rèn)為造成一棟木房子破壞的剪應(yīng)變約為1/60弧度(17000×10-6)。因此，在100Gal的最大地面地震加速度αs下，該二層木房不會(huì)被破壞，但在200Gal和300Gal下可能被破壞。
表1最大地面地震加速度αs(Gal)100200300剪應(yīng)變r(jià)s(×10-6)10500 21000 31500把相當(dāng)于二層木房的第一層-層b的高度取作2.8m，得到用經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度αb確定地震破壞度時(shí)使用的地震破壞指數(shù)Ksg＝170。表2為經(jīng)受一次地震的最大地基地震加速度αb＝50Gal，100Gal和150Gal時(shí)的剪應(yīng)變r(jià)s(×10-6)。
一般認(rèn)為，造成一木房子破壞的剪應(yīng)變?yōu)?/60弧度(17000×10-6)。因此，在50Gal的最大地基地震加速度αb下，該二層木房不會(huì)造成破壞，但在約100Gal下可能開(kāi)始造成破壞，在150Gal下會(huì)造成破壞。
表2最大地面地震加速度αb(Gal) 50100150剪應(yīng)變r(jià)sg(×10-6) 8500 17000 25500現(xiàn)在描述本發(fā)明的第四實(shí)施例。
在下述的例子中，把根據(jù)第四實(shí)施例確定一建筑物地震破壞度的方法用于一座有一層地下室和19層的高層樓房。
這座需要確定其地震破壞度的高層樓房位于1995年Hyogo-KenNanbu地震的震中地區(qū)，經(jīng)歷了強(qiáng)度為7的地震。沒(méi)有觀察到該高層樓房有明顯的破壞，因而大樓還在使用。但大樓的抗震強(qiáng)度很可能有所減弱。
圖8為用第四實(shí)施例的方法進(jìn)行測(cè)量的高層樓房示意圖。
在本實(shí)施例中，高層樓房j3個(gè)樓層看作是1層，即第一至第三層為第1層K1，第四至六層為第2層K2，第七至九層為第3層K3，第十至十二層為第4層K4，第十三至十五層為第5層K5，第十六至十八層為第6層K6。得到這些層的平均剪應(yīng)變r(jià)，即可確定高層樓房的地震破壞度。
表3為從地面m傳至某一層樓板表面的振動(dòng)主頻率Fs和放大系數(shù)As以及從地基n傳至某層樓板表面的振動(dòng)放大指數(shù)Asg。這些值是用在高層樓房j每層記錄振動(dòng)的水平分量與地面m記錄振動(dòng)的垂直分量之間頻譜比的第一個(gè)峰值得到的。表4為每層的地震破壞指數(shù)Ksgn和剪應(yīng)變r(jià)。每層的高度hn為9.6m，經(jīng)受一次地震的最大地基地震加速度αb取作100Gal。
一般認(rèn)為，造成一鋼筋混凝土樓房破壞的剪應(yīng)變r(jià)約為1/250弧度(4000×10-6)。由于剪應(yīng)變非常大，大約是1/250弧度的6到20倍，在經(jīng)受一次地震的最大地基地震加速度為100Gal的地震時(shí)，該高層樓房j的第1至第5層似乎受到了嚴(yán)重的破壞。特別是第2層的破壞度較高，意味著第二層可能會(huì)倒塌。
表3Fs(Hz) AsAsg第十九樓層0.5935.133.5第十六樓層0.5935.133.6第十三樓層0.6132.629.1第十樓層 0.6128.525.4第七樓層 0.5918.317.1第四樓層 0.596.7 6.2第一樓層 0.591.1 1.0表4Ksgnγsgn(10-6)第6層(第十六-十八樓層)-8 -800第5層(第十三-十五樓層)34634600第4層(第十-十二樓層) 26026000第3層(第七-九樓層)58958900第2層(第四-六樓層)82582500第1層(第一-三樓層)39639600本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的精神，本發(fā)明的許多修改和變化都是可能的，因而它們不應(yīng)被排除在本發(fā)明的范圍之外。
權(quán)利要求
1.確定一建筑物的地震破壞度的方法，所述方法包括以下步驟(a)把一振動(dòng)傳感器放在該建筑物某層的上表面和建筑物附近的地面，以記錄振動(dòng)；(b)在建筑物該層的上表面記錄的振動(dòng)與建筑物附近地面記錄振動(dòng)之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層振動(dòng)的主頻率和放大系數(shù)；(c)在得到的建筑物該層上表面振動(dòng)主頻率和放大系數(shù)以及建筑物該層高度的基礎(chǔ)上求出層的變形導(dǎo)致的建筑物該層的地震破壞指數(shù)。(d)該地震破壞指數(shù)乘以一假定的地震加速度就得到建筑物該層經(jīng)受一次地震時(shí)的最大剪應(yīng)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1確定一建筑物地震破壞度的方法，其中，用在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的主頻率和放大系數(shù)求出建筑物該層的地震破壞指數(shù)，將地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的受到一次地震時(shí)的最大地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1確定一建筑物地震破壞度的方法，其中，用在建筑物該層上表面記錄與建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到主頻率，以及該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞度，計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大，地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
4.確定一建筑物地震破壞度的方法包括以下步驟(a)將一振動(dòng)傳感器放在建筑物某層的上、下表面和建筑物附近的地面，以記錄振動(dòng)。(b)在建筑物該層上表面記錄的振動(dòng)與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)之間頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，因而得到建筑物該層上表面的振動(dòng)主頻率和放大系數(shù)。(c)在建筑物該層的下表面與建筑物附近地面記錄振動(dòng)間頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層下表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到該層下表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)。(d)在得到建筑物該層上、下表面主頻率和放大系數(shù)以及建筑物該層高度的基礎(chǔ)上得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)。(e)將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的確定一建筑物地震破壞度的方法，其中，用主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞度，而主頻率和放大系數(shù)是在建筑物該層上、下表面記錄的振動(dòng)水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量之間頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震的最大地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
6.根據(jù)權(quán)利要求4確定一建筑物地震破壞度的方法，其中，用主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)，主頻率是在建筑物該層的上、下表面和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，放大系數(shù)是在建筑物該層上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，地震破壞指數(shù)的計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大，地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6確定一建筑物地震破壞度方法中的振動(dòng)為微震。
8.確定一建筑物地震破壞度的儀器包括(a)一個(gè)記錄振動(dòng)的第一振動(dòng)傳感器，放在一建筑物某層的上表面；(b)一個(gè)記錄振動(dòng)的第二振動(dòng)傳感器，放在該建筑物附近的地面；(c)一地震破壞數(shù)據(jù)處理器，與上述振動(dòng)傳感器連接，在記錄的振動(dòng)的基礎(chǔ)上確定建筑物的地震破壞度。所述地震破壞數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理在第一和第二振動(dòng)傳感器記錄的振動(dòng)間的頻譜比的基礎(chǔ)上求出建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層上表面的主頻率和振動(dòng)放大系數(shù)；在得到的建筑物該層的振動(dòng)主頻率和放大系數(shù)以及該層高度的基礎(chǔ)上得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)；將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層經(jīng)受一次地震時(shí)的最大剪應(yīng)變。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的確定一建筑物的地震破壞度的儀器，其中，地震破壞數(shù)據(jù)處理器使用主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)，而主頻率和放大系數(shù)是在建筑物該層的上表面和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，將地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的確定一建筑物地震破壞度的儀器，其中，地震破壞數(shù)據(jù)處理器利用主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)，主頻率是在建筑物該層的上表面和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，而放大系數(shù)是在建筑物該層上表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，地震破壞度的計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大；然后地震破壞數(shù)據(jù)處理器將地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
11.一確定一建筑物地震破壞度的儀器包括(a)一記錄振動(dòng)的第一振動(dòng)傳感器，放在一建筑物某層的上表面；(b)一記錄振動(dòng)的第二振動(dòng)傳感器，放在一建筑物某層的下表面；(c)一記錄振動(dòng)的第三振動(dòng)傳感器，放在建筑物附近的地面；(d)一地震破壞數(shù)據(jù)處理器，與上述振動(dòng)傳感器連接，在已記錄振動(dòng)的基礎(chǔ)上確定一建筑物的地震破壞度。所述地震破壞數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理在第一和第三振動(dòng)傳感器記錄振動(dòng)間的頻譜比的基礎(chǔ)上得出建筑物該層上表面的傳導(dǎo)函數(shù)；從而得到建筑物該層上表面的主頻率和放大系數(shù)；在第二和第三振動(dòng)傳感器記錄振動(dòng)間頻譜比的基礎(chǔ)上得出建筑物該層下表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，從而得到建筑物該層下表面的主頻率和放大系數(shù)；在得出的建筑物該層上、下表面的主頻率和放大系數(shù)以及該層層高的基礎(chǔ)上得出該層變形導(dǎo)致的建筑物該層的地震破壞指數(shù)；將該地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的確定一建筑物地震破壞度的儀器，其中，所述地震破壞數(shù)據(jù)處理器利用主頻率和放大系數(shù)得到建筑物該層的地震破壞指數(shù)，主頻率和放大系數(shù)是在建筑物該層的上、下表面和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，將該地震破壞指數(shù)乘以經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地面地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的確定一建筑物地震破壞度的儀器，其中，所述地震破壞數(shù)據(jù)處理器利用主頻率和放大系數(shù)求出建筑物該層的地震破壞指數(shù)，主頻率是在建筑物該層的上、下表面和建筑物附近地面記錄振動(dòng)的水平分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得出的，而放大系數(shù)是在建筑物該層的上、下表面記錄振動(dòng)的水平分量與建筑物附近地面記錄振動(dòng)的垂直分量間的頻譜比的基礎(chǔ)上得到的，地震破壞指數(shù)的計(jì)算中考慮了基礎(chǔ)表面層地震運(yùn)動(dòng)的放大，然后所述地震破壞數(shù)據(jù)處理器將地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的經(jīng)受一次地震時(shí)的最大地基地震加速度即得到建筑物該層的剪應(yīng)變。
14.根據(jù)權(quán)利要求8，9，10，11，12及13的確定一建筑物地震破壞度的儀器，其中，所述振動(dòng)傳感器測(cè)量微震。
全文摘要
為確定建筑物的地震破壞度，一振動(dòng)傳感器放在建筑物某層的上表面和建筑物附近的地面，記錄振動(dòng)。一地震破壞數(shù)據(jù)處理器在建筑物層上表面記錄的振動(dòng)與建筑物附近地面記錄的振動(dòng)間頻譜比的基礎(chǔ)上設(shè)定建筑物該層上表面的振動(dòng)傳導(dǎo)函數(shù)，得到建筑物該層上表面的振動(dòng)主頻率和放大系數(shù)。結(jié)合建筑物該層高度得到該層變形產(chǎn)生的地震破壞指數(shù)。地震破壞指數(shù)乘以一假設(shè)的地震加速度即得到建筑物該層經(jīng)受一次地震時(shí)的最大剪應(yīng)變。
文檔編號(hào)G01H17/00GK1142047SQ96109259
公開(kāi)日1997年2月5日 申請(qǐng)日期1996年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月27日
發(fā)明者中村豐, 上半文昭, 西永雅行 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人鐵道總合技術(shù)研究所, 株式會(huì)社系統(tǒng)及資料研究