建筑機(jī)電工程抗震的必要性
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作者:優(yōu)嘉
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發(fā)布時(shí)間: 2018-08-03
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隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)?；?、高樓化及用途復(fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
一、建筑機(jī)電工程抗震研究的動(dòng)機(jī)與目的
隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)?；?、高樓化及用途復(fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
建筑物在地震時(shí)常常由于燃?xì)?、電氣管道破裂等諸多原因而釀成嚴(yán)重火災(zāi)；同時(shí)在大地震過(guò)后，以當(dāng)?shù)鼐葹?zāi)部門有限的資源，要應(yīng)付種種突發(fā)狀況，難免會(huì)顯得分身乏術(shù)。若建筑物此時(shí)能發(fā)揮自救的能力，將必定能減輕救災(zāi)單位的工作負(fù)荷，并大大降低建筑物自身的受害程度。而且，如果消防設(shè)備在地震中受到損壞，還可能造成漏水或淹水等嚴(yán)重的二次災(zāi)害。我國(guó)是多地震國(guó)家，特別是近年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，尤其是汶川、玉樹(shù)的高震級(jí)地震給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。因此建筑物是否具有抗震性，能否抵御地震災(zāi)害對(duì)于防震減災(zāi)工作尤為重要。這其中如何提升建筑物消防系統(tǒng)的抗震能力，使其不會(huì)在地震中遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)于地震時(shí)避免人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失、防止次生災(zāi)害方面及地震后恢復(fù)建筑使用功能方面都具有十分重要意義。
我們國(guó)家也越來(lái)越重視關(guān)于包括消防系統(tǒng)在內(nèi)的建筑機(jī)電工程抗震方面的工作，新的國(guó)家規(guī)范《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50981-2014也即將頒布實(shí)施。由于我國(guó)關(guān)于在建筑機(jī)電工程抗震方面的統(tǒng)計(jì)資料相對(duì)比較少，下面通過(guò)一些國(guó)外相關(guān)震損經(jīng)驗(yàn)的案例，來(lái)說(shuō)明提高機(jī)電系統(tǒng)抗震性能的必要性。
二、國(guó)內(nèi)外機(jī)電系統(tǒng)震損經(jīng)驗(yàn)
抗震支吊架系統(tǒng)在國(guó)外的使用有幾十年的歷史了，故而也經(jīng)歷過(guò)許多地震的考驗(yàn)。從這些地震經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中，人們更加清楚其被破壞的特性，同時(shí)也越來(lái)越積極的設(shè)法提升其抗震能力。以下分別就美國(guó)及臺(tái)灣具有代表性的消防系統(tǒng)抗震經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研究分析。
（一）、美國(guó)震損經(jīng)驗(yàn)：
1、案例一：圣佛南多地震
此地震發(fā)生于1971年2月9日早上6點(diǎn)1分，震源位于洛杉磯北部，深度13公里，震級(jí)6.6級(jí)。共造成58人死亡，2543人受傷。
自動(dòng)噴淋設(shè)備的受損狀況
太平洋防火局針對(duì)受災(zāi)地域內(nèi)的68棟建筑物進(jìn)行了調(diào)查，當(dāng)中有56%（38棟）建筑物的自動(dòng)噴淋設(shè)備受損；另外有41%（28棟）的建筑物受到了水害。在這68棟建筑物的主體結(jié)構(gòu)中，共有65%（44棟）的建筑物遭到不同程度的損害。因本地震而造成的自動(dòng)噴淋設(shè)備損壞，以管道與噴淋頭為主，主要原因有：管道的支吊架管夾安裝方法不當(dāng)；管道支吊架構(gòu)件的螺栓松脫；管道連接處受損（特別是從供水主管至分流主管的分支部分）；通過(guò)墻壁貫通部或建筑物伸縮縫結(jié)合部的管道受損；因與建筑結(jié)構(gòu)撞擊，造成自動(dòng)噴淋頭受損等。
2、案例二：加州LOMA PRIETA（舊金山）地震
在1989年11月17日，美國(guó)西岸的舊金山灣區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)7.1級(jí)的地震，該地震共造成了100億美元的重大損失。本地震的震源深度為11.5英里的斷層，該斷層在地表處延伸了3.7英里遠(yuǎn)。地震后地面被抬升了14英寸且往北移動(dòng)了7英寸。在松軟的土層上普遍發(fā)生的土壤液化及放大效應(yīng)，讓本地震所造成的損害更加嚴(yán)重。
但值得關(guān)注的是，此次地震關(guān)于自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的損壞情況，較前一案例來(lái)說(shuō)是有明顯減少的，在建筑及結(jié)構(gòu)物的70處損害資料中，僅有極少數(shù)是關(guān)于噴淋系統(tǒng)的，此說(shuō)明了NFPA13（美國(guó)消防噴淋規(guī)范）中的新型抗震方法確實(shí)能有效提高噴淋系統(tǒng)的抗震能力。
舊金山地震調(diào)查報(bào)告，促使NFPA13的抗震小組委員會(huì)提議在1991年修訂版本的基礎(chǔ)上再增列一些額外要求。包括在震區(qū)內(nèi)的輕質(zhì)混凝土墻上的抗震吊架及普通吊架上，禁止使用火藥擊釘；以及用來(lái)代替橫向抗震吊架的U型吊鉤需為全包型，且要滿足抗震吊架的抗震要求等。
3、案例三：加州北嶺地震
1994年1月17日，早上4點(diǎn)31分，在洛杉磯北方發(fā)生了6.6級(jí)的地震，接下來(lái)的幾天內(nèi)，亦陸陸續(xù)續(xù)的發(fā)生了數(shù)起規(guī)模在4-5級(jí)的余震，有記錄可知這些余震的地表加速度超當(dāng)時(shí)建筑法規(guī)4倍之多。由于震中發(fā)生在人口稠密區(qū)，所以這場(chǎng)地震也提供給人們一個(gè)觀察消防噴淋系統(tǒng)抗震能力的機(jī)會(huì)。
在以前的地震經(jīng)驗(yàn)中，觀察結(jié)果普遍認(rèn)為噴淋系統(tǒng)的抗震能力是不會(huì)高于建筑物的抗震能力的。然而在這次造成數(shù)以千計(jì)房屋損壞的地震中，人們驚訝的發(fā)現(xiàn)，噴淋系統(tǒng)的損壞層面不再那么廣大。當(dāng)然，若一棟建筑物發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)當(dāng)然難以維持其機(jī)能。如某博物館大樓的頂層部分被剪裂時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)也一并被扯下，但在這個(gè)建筑的底層部分，噴淋系統(tǒng)卻基本上是完好如初。
北嶺地震讓人們第一次了解住宅噴淋系統(tǒng)在地震中的行為特征。有一些依據(jù)NFPA13的而裝置的住宅銅質(zhì)管路，盡管此住宅的仿大理石材質(zhì)的外墻出現(xiàn)幾條小裂紋，但其噴淋系統(tǒng)卻毫無(wú)損傷。又如在加州大學(xué)北嶺分校，盡管有些建筑物基礎(chǔ)被抬升，造成石膏板及屋瓦的破裂，但其低矮公寓的符合NFPA13的薄壁鋼管卻沒(méi)有遭遇到任何的損害。不過(guò)其他沒(méi)有采取抗震措施的管道，表現(xiàn)就不那么理想了，如一棟建于1992年的建筑物就有四間盥洗間及若干條銅質(zhì)HVAC（暖通空調(diào)）管損壞。
本次地震中人們總結(jié)出一條重要的經(jīng)驗(yàn)：有依照最新NFPA13的要求而設(shè)置抗震措施的噴淋系統(tǒng)，在地震中的表現(xiàn)要比按照舊規(guī)范而施作的要好，縱向主管抗震吊架就是一個(gè)非常明顯的例子。
（二）、臺(tái)灣的震損經(jīng)驗(yàn)
臺(tái)灣南投縣某停車場(chǎng)，在臺(tái)灣九二一地震之前便已完工，但因重重原因而未正式啟用。九二一地震后，該停車場(chǎng)受到局部的結(jié)構(gòu)損害，但其內(nèi)的消防管道則受到嚴(yán)重破壞。由于修復(fù)工程一直沒(méi)法順利進(jìn)行，因此正好提供一個(gè)極佳的管道地震破壞研究案例。
該建物結(jié)構(gòu)破壞介紹：
停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)上破壞并不算嚴(yán)重，每一樓層平面上計(jì)有47根柱子，而僅有在四樓處有一根明顯可見(jiàn)到內(nèi)部鋼筋之柱破壞。其余的梁柱破壞，則以龜裂的情形較多。墻面部分亦有受剪力所造成的破壞龜裂，可以灌注環(huán)氧樹(shù)脂方式加固。
管道系統(tǒng)破壞資料：
通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)本停車場(chǎng)管道系統(tǒng)的破壞情況，有隨著樓層數(shù)增高而加劇的趨勢(shì)。破壞多集中在八樓、九樓及十樓等三個(gè)樓層，且以吊桿變形乃至拔出的破壞數(shù)目最多。
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，管道系統(tǒng)的損害在溝槽接頭處以及管道與閥門連接處有發(fā)現(xiàn)一些破壞。而立管部分，經(jīng)試水后證實(shí)沒(méi)有損壞，在地震以后仍能發(fā)揮正常的功能。
臺(tái)灣地震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
1、管道支吊架吊桿的破壞主要有：
（1） 膨脹螺栓及預(yù)埋方式吊桿的破壞不盡相同，膨脹螺栓主要為拔出的破壞，而預(yù)埋主要為剪斷的破壞。因此若能增加膨脹螺栓與樓板之間的摩擦力，即可減少其被拔出的機(jī)率，在施工上也較預(yù)埋吊桿更方便。
（2） 由調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)離建筑物鋼心（樓梯間）的區(qū)域，其處吊桿較易產(chǎn)生破壞。原因應(yīng)是愈遠(yuǎn)離建筑物鋼心，地震力所造成的扭矩愈大的關(guān)系。
2、管道的破壞主要有：
管道的破壞除了因懸吊桿件斷裂或拔出，導(dǎo)致管道功能損壞外，管道連接的斷裂亦是主要破壞原因之一，其主要斷裂形式有兩種：
（1） 管道與閥門連接處的破壞。這種破壞主要為地震力作用下，因懸吊管無(wú)法抵抗慣性加速度而產(chǎn)生較大振動(dòng)，但手動(dòng)啟動(dòng)卻固定于墻上，以致造成螺紋連接處到手動(dòng)啟動(dòng)閥L型處剪斷。
（2） 泡沫放射區(qū)域單元局部斷裂。這種破壞主要為受水平、垂直地震力搖動(dòng)拉扯，導(dǎo)致懸吊桿件斷裂或拔出，致使配管無(wú)重力支撐而在螺紋處斷裂。
三、分析
評(píng)估一套復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)之抗震能力，通常邏輯樹(shù)的觀念可以提供一個(gè)可靠且簡(jiǎn)易的方法。此法的主要觀點(diǎn)為：整體系統(tǒng)抗震力的強(qiáng)弱，取決于其組成子項(xiàng)目中抗震能力最薄弱的一項(xiàng)。通過(guò)以上實(shí)例進(jìn)行分析，造成管道系統(tǒng)破壞的可能因素可以整理成以下的樹(shù)狀圖：
根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外震損資料，并依據(jù)邏輯樹(shù)的觀念可以得知：建筑機(jī)電工程是否具有抗震性能，管道系統(tǒng)是一個(gè)很重要的因素。由上圖我們可以判斷，管道系統(tǒng)中最脆弱的部分就是管道支吊架（懸吊）系統(tǒng)，最容易遭到地震破壞。因此在管道的支吊系統(tǒng)采用合理適當(dāng)?shù)目拐鹬未胧菇ㄖC(jī)電設(shè)備及管道的支架具有足夠的剛度和強(qiáng)度；其與建筑結(jié)構(gòu)建立可靠的連接和錨固，可將地震時(shí)管道產(chǎn)生的地震作用傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)體上，在減少和盡可能防止次生災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)，還可以使機(jī)電系統(tǒng)在遭遇設(shè)防烈度地震影響后能比較迅速的恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
每次地震發(fā)生，可能很多人都會(huì)有類似的問(wèn)題。有時(shí)候，我們自己也會(huì)在這里犯一些錯(cuò)誤，被大家詬病為「不專業(yè)」。當(dāng)然，這些東西也挺復(fù)雜的...
一、 地震震級(jí)
地震震級(jí)是某次地震的屬性，某個(gè)地震只會(huì)有一個(gè)震級(jí)。比如1995年阪神大地震是矩震級(jí)6.8，2008年汶川大地震是矩震級(jí)是7.9。
注意到，可能對(duì)于某次地震，不同媒體的報(bào)道有所不同，那是因?yàn)樗麄儾捎昧瞬煌恼鸺?jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史原因，不同的專家學(xué)者發(fā)明過(guò)不同的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比如里氏震級(jí)、面波震級(jí)、體波震級(jí)等等。比如說(shuō)，有些國(guó)內(nèi)官方媒體采用的就是面波震級(jí)，所以2008年汶川大地震的震級(jí)為面波震級(jí)8.0。目前大家認(rèn)為比較合理的、應(yīng)用較廣泛的是矩震級(jí)。
震級(jí)是什么意思呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，震級(jí)衡量的是地震的大小，或者嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，地震所釋放的能量的大小。某次地震所釋放的總能量是固定的，所以它的震級(jí)也是唯一的。
絕大多數(shù)地震是由斷層引起的，地震所釋放的能量的大小，取決于引發(fā)地震的斷層的大小、斷層兩邊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離、斷層處的巖石強(qiáng)度。斷層的面積乘以斷層移動(dòng)的距離再乘以巖石的剪切模量，得到的就是Seismic Moment，也就是所謂的地震矩。這個(gè)地震矩的數(shù)值，直接反映了地震釋放能量的大小。
而矩震級(jí)就是對(duì)地震矩的衡量，這兩者之間的關(guān)系是 ，簡(jiǎn)單說(shuō)，8級(jí)地震釋放的能量，是7級(jí)的31.6倍，6級(jí)的1000倍，5級(jí)的31623倍，4級(jí)的1000000倍。
二、 地震烈度
地震烈度衡量的是某次地震發(fā)生之后對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響。比如說(shuō)，1976年唐山大地震，震中唐山的烈度為11度，天津的烈度為8度，北京為6度，石家莊為5度。通常情況下，越靠近震中最大，越遠(yuǎn)離震中越小。這也很好理解，越靠近震中受影響越大，越遠(yuǎn)離震中受影響越小。
你可以想象成一個(gè)靶子，震中就是靶心10環(huán)，外邊一點(diǎn)9環(huán)，再靠外8環(huán)。同樣的地震，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。由于地形地質(zhì)的不同，所以烈度的分布并不是個(gè)完美的同心圓，只是大致上遵循著越靠近震中越大的規(guī)律。
烈度的大小與地震震級(jí)相關(guān)，但并沒(méi)有明確的數(shù)值關(guān)系，而是因?yàn)槠渌鼦l件的不同而不同。簡(jiǎn)單說(shuō)，烈度是一個(gè)主觀性比較強(qiáng)的參數(shù)，跟震源深淺、地震類型、地質(zhì)條件等等都有關(guān)系，不同的地震會(huì)有不同的情況。正如世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，世界上也沒(méi)有兩次相同的地震。同樣都是6級(jí)地震，一個(gè)震中烈度可能是7度，另一個(gè)可能會(huì)達(dá)到8度。
三 、抗震設(shè)防烈度
抗震設(shè)防烈度是某個(gè)地區(qū)的屬性。比如說(shuō)北京的抗震設(shè)防烈度是 8 度，上海的抗震設(shè)防烈度是 7 度。
這個(gè)是怎么確定的呢？一定程度上，設(shè)防烈度的制定跟設(shè)防目標(biāo)相關(guān)。就拿北京來(lái)說(shuō)，先統(tǒng)計(jì)一下歷史上一定時(shí)期之內(nèi)影響到北京的歷次地震，看一下這些地震引起的北京地區(qū)的烈度分別是多少。比如說(shuō)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……然后再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，根據(jù)既定的可靠度目標(biāo)，比如說(shuō)，讓設(shè)防烈度大于這些已經(jīng)發(fā)生過(guò)的地震烈度的90%，繼而確定出一個(gè)設(shè)防烈度。換句話說(shuō)，這種情況下，所有可能發(fā)生的地震里，我能保證有90%的實(shí)際地震烈度都小于我的這個(gè)設(shè)防烈度。
現(xiàn)在的抗震規(guī)范，采用的是 50 年內(nèi)超越概率為 10% 的地震烈度作為抗震設(shè)防烈度。也就是說(shuō)，50年之內(nèi)，發(fā)生比這個(gè)設(shè)防烈度還大的地震烈度的可能性是10%。折算下來(lái)，也就是俗稱的「475年一遇」。
什么意思呢？475年一遇的地震，今年發(fā)生的概率是475分之一，也就是0.211%，今年不發(fā)生的概率是1減去0.211%，也就是99.789%。50年之內(nèi)都不發(fā)生這樣的地震，這個(gè)概率是 99.789% 的 50次方，也就是90%。而50年之內(nèi)發(fā)生這樣的地震的概率，則是 1 減去 90%，等于 10%。
也就是說(shuō)，我們的目標(biāo)是 475 年一遇的地震。100年一遇的地震，小意思，都在我們的設(shè)防范圍之內(nèi)，也就是俗稱的「小震不壞」；500年一遇的地震，剛剛好跟我們的設(shè)防目標(biāo)差不多，次要結(jié)構(gòu)可能會(huì)有小范圍破壞，但是主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的破壞，也就是俗稱的「中震可修」；1000年一遇的地震，已經(jīng)超過(guò)了我們的設(shè)防目標(biāo)，但是盡量通過(guò)合理的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)足夠的延性和塑性變形能力，爭(zhēng)取做到房子雖然變形很大，但不會(huì)整體垮塌，保證逃生通道和逃生時(shí)間，這也就是俗稱的「大震不倒」。
四 、抗震等級(jí)
抗震等級(jí)是建筑結(jié)構(gòu)的屬性。比如說(shuō)，這棟樓的抗震等級(jí)是一級(jí)，那棟樓的抗震等級(jí)是二級(jí)?？拐鸬燃?jí)也可以在局部調(diào)整，比如這棟樓的抗震等級(jí)是三級(jí)，但是某一層或者某一個(gè)柱子的抗震等級(jí)是二級(jí)。
抗震等級(jí)當(dāng)然跟抗震能力相關(guān)，但并不是說(shuō)一級(jí)的就一定比二級(jí)的好。舉個(gè)類似的例子，汽車的碰撞試驗(yàn)，有五星的，也有三星的，但是并不是說(shuō)五星的就一定比三星的更好。一個(gè)五星的微型車，跟一個(gè)三星的大皮卡相比，孰高孰低還很難說(shuō)。
抗震等級(jí)也是如此，它取決于抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度。對(duì)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以參見(jiàn)抗震規(guī)范里的這張表格。
比如說(shuō)，上海的一棟高層住宅樓，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為100米。我們就去查表，上海設(shè)防烈度為7度，抗震墻結(jié)構(gòu)高度大于80米，所以是二級(jí)。再比如說(shuō)，濟(jì)南的一棟高層寫字樓，框架核心筒。我們繼續(xù)查表，濟(jì)南是6度區(qū)，所以框架核心筒的框架部分是三級(jí)，核心筒部分是二級(jí)。
注意到，我們說(shuō)這張表適用于「普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)」，也就是所謂的「丙類建筑」。目前的抗震規(guī)范，已經(jīng)把中小學(xué)校舍提高到了「乙類建筑」。換言之，醫(yī)院、中小學(xué)校舍等等非常重要的建筑物，需要在這張表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，一般是查表的時(shí)候提高一個(gè)烈度。
比如說(shuō)，以上海為例，同樣是小于24米的框架結(jié)構(gòu)，如果是菜市場(chǎng)，那就按7度查表，也就是三級(jí)，如果是小學(xué)教學(xué)樓，那就要按7+1=8度查表，抗震等級(jí)為二級(jí)。也就是說(shuō)，同一個(gè)地區(qū)、同一個(gè)結(jié)構(gòu)類型、差不多高度的建筑物，中小學(xué)、醫(yī)院等等通常要比菜市場(chǎng)、普通辦公樓、住宅樓高一個(gè)抗震等級(jí)。
抗震等級(jí)有什么用呢？主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各種內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施上。
比如一級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，最小配筋率需要到達(dá)1.1%，而四級(jí)的角柱，最小配筋率達(dá)到0.7%就可以了。也就是說(shuō)，在計(jì)算允許的前提下，抗震等級(jí)低的結(jié)構(gòu)可以用更少的鋼筋。
再比如說(shuō)，一級(jí)和二級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，箍筋必須全高加密，而三級(jí)和四級(jí)的角柱就不需要特殊處理。
五 、總結(jié)
地震震級(jí)是地震的屬性，一次地震只有一個(gè)震級(jí)。
地震烈度是地震對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響，震中高，越往外越低。震中烈度和震級(jí)有關(guān)。
設(shè)防烈度可以簡(jiǎn)單理解成某個(gè)地區(qū)475年內(nèi)所能發(fā)生的最強(qiáng)烈的地震烈度。如果實(shí)際發(fā)生的地震引起的烈度不大于設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該要做到不發(fā)生永久性的、不可修復(fù)的的破壞。
抗震等級(jí)是建筑物的屬性，越重要、越容易受地震襲擊、越需要保護(hù)的建筑物，抗震等級(jí)越高，對(duì)抗震能力的要求也越高。
隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)?；?、高樓化及用途復(fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
建筑物在地震時(shí)常常由于燃?xì)?、電氣管道破裂等諸多原因而釀成嚴(yán)重火災(zāi)；同時(shí)在大地震過(guò)后，以當(dāng)?shù)鼐葹?zāi)部門有限的資源，要應(yīng)付種種突發(fā)狀況，難免會(huì)顯得分身乏術(shù)。若建筑物此時(shí)能發(fā)揮自救的能力，將必定能減輕救災(zāi)單位的工作負(fù)荷，并大大降低建筑物自身的受害程度。而且，如果消防設(shè)備在地震中受到損壞，還可能造成漏水或淹水等嚴(yán)重的二次災(zāi)害。我國(guó)是多地震國(guó)家，特別是近年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，尤其是汶川、玉樹(shù)的高震級(jí)地震給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。因此建筑物是否具有抗震性，能否抵御地震災(zāi)害對(duì)于防震減災(zāi)工作尤為重要。這其中如何提升建筑物消防系統(tǒng)的抗震能力，使其不會(huì)在地震中遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)于地震時(shí)避免人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失、防止次生災(zāi)害方面及地震后恢復(fù)建筑使用功能方面都具有十分重要意義。
我們國(guó)家也越來(lái)越重視關(guān)于包括消防系統(tǒng)在內(nèi)的建筑機(jī)電工程抗震方面的工作，新的國(guó)家規(guī)范《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50981-2014也即將頒布實(shí)施。由于我國(guó)關(guān)于在建筑機(jī)電工程抗震方面的統(tǒng)計(jì)資料相對(duì)比較少，下面通過(guò)一些國(guó)外相關(guān)震損經(jīng)驗(yàn)的案例，來(lái)說(shuō)明提高機(jī)電系統(tǒng)抗震性能的必要性。
二、國(guó)內(nèi)外機(jī)電系統(tǒng)震損經(jīng)驗(yàn)
抗震支吊架系統(tǒng)在國(guó)外的使用有幾十年的歷史了，故而也經(jīng)歷過(guò)許多地震的考驗(yàn)。從這些地震經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中，人們更加清楚其被破壞的特性，同時(shí)也越來(lái)越積極的設(shè)法提升其抗震能力。以下分別就美國(guó)及臺(tái)灣具有代表性的消防系統(tǒng)抗震經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研究分析。
（一）、美國(guó)震損經(jīng)驗(yàn)：
1、案例一：圣佛南多地震
此地震發(fā)生于1971年2月9日早上6點(diǎn)1分，震源位于洛杉磯北部，深度13公里，震級(jí)6.6級(jí)。共造成58人死亡，2543人受傷。
自動(dòng)噴淋設(shè)備的受損狀況
太平洋防火局針對(duì)受災(zāi)地域內(nèi)的68棟建筑物進(jìn)行了調(diào)查，當(dāng)中有56%（38棟）建筑物的自動(dòng)噴淋設(shè)備受損；另外有41%（28棟）的建筑物受到了水害。在這68棟建筑物的主體結(jié)構(gòu)中，共有65%（44棟）的建筑物遭到不同程度的損害。因本地震而造成的自動(dòng)噴淋設(shè)備損壞，以管道與噴淋頭為主，主要原因有：管道的支吊架管夾安裝方法不當(dāng)；管道支吊架構(gòu)件的螺栓松脫；管道連接處受損（特別是從供水主管至分流主管的分支部分）；通過(guò)墻壁貫通部或建筑物伸縮縫結(jié)合部的管道受損；因與建筑結(jié)構(gòu)撞擊，造成自動(dòng)噴淋頭受損等。
2、案例二：加州LOMA PRIETA（舊金山）地震
在1989年11月17日，美國(guó)西岸的舊金山灣區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)7.1級(jí)的地震，該地震共造成了100億美元的重大損失。本地震的震源深度為11.5英里的斷層，該斷層在地表處延伸了3.7英里遠(yuǎn)。地震后地面被抬升了14英寸且往北移動(dòng)了7英寸。在松軟的土層上普遍發(fā)生的土壤液化及放大效應(yīng)，讓本地震所造成的損害更加嚴(yán)重。
但值得關(guān)注的是，此次地震關(guān)于自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的損壞情況，較前一案例來(lái)說(shuō)是有明顯減少的，在建筑及結(jié)構(gòu)物的70處損害資料中，僅有極少數(shù)是關(guān)于噴淋系統(tǒng)的，此說(shuō)明了NFPA13（美國(guó)消防噴淋規(guī)范）中的新型抗震方法確實(shí)能有效提高噴淋系統(tǒng)的抗震能力。
舊金山地震調(diào)查報(bào)告，促使NFPA13的抗震小組委員會(huì)提議在1991年修訂版本的基礎(chǔ)上再增列一些額外要求。包括在震區(qū)內(nèi)的輕質(zhì)混凝土墻上的抗震吊架及普通吊架上，禁止使用火藥擊釘；以及用來(lái)代替橫向抗震吊架的U型吊鉤需為全包型，且要滿足抗震吊架的抗震要求等。
3、案例三：加州北嶺地震
1994年1月17日，早上4點(diǎn)31分，在洛杉磯北方發(fā)生了6.6級(jí)的地震，接下來(lái)的幾天內(nèi)，亦陸陸續(xù)續(xù)的發(fā)生了數(shù)起規(guī)模在4-5級(jí)的余震，有記錄可知這些余震的地表加速度超當(dāng)時(shí)建筑法規(guī)4倍之多。由于震中發(fā)生在人口稠密區(qū)，所以這場(chǎng)地震也提供給人們一個(gè)觀察消防噴淋系統(tǒng)抗震能力的機(jī)會(huì)。
在以前的地震經(jīng)驗(yàn)中，觀察結(jié)果普遍認(rèn)為噴淋系統(tǒng)的抗震能力是不會(huì)高于建筑物的抗震能力的。然而在這次造成數(shù)以千計(jì)房屋損壞的地震中，人們驚訝的發(fā)現(xiàn)，噴淋系統(tǒng)的損壞層面不再那么廣大。當(dāng)然，若一棟建筑物發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)當(dāng)然難以維持其機(jī)能。如某博物館大樓的頂層部分被剪裂時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)也一并被扯下，但在這個(gè)建筑的底層部分，噴淋系統(tǒng)卻基本上是完好如初。
北嶺地震讓人們第一次了解住宅噴淋系統(tǒng)在地震中的行為特征。有一些依據(jù)NFPA13的而裝置的住宅銅質(zhì)管路，盡管此住宅的仿大理石材質(zhì)的外墻出現(xiàn)幾條小裂紋，但其噴淋系統(tǒng)卻毫無(wú)損傷。又如在加州大學(xué)北嶺分校，盡管有些建筑物基礎(chǔ)被抬升，造成石膏板及屋瓦的破裂，但其低矮公寓的符合NFPA13的薄壁鋼管卻沒(méi)有遭遇到任何的損害。不過(guò)其他沒(méi)有采取抗震措施的管道，表現(xiàn)就不那么理想了，如一棟建于1992年的建筑物就有四間盥洗間及若干條銅質(zhì)HVAC（暖通空調(diào)）管損壞。
本次地震中人們總結(jié)出一條重要的經(jīng)驗(yàn)：有依照最新NFPA13的要求而設(shè)置抗震措施的噴淋系統(tǒng)，在地震中的表現(xiàn)要比按照舊規(guī)范而施作的要好，縱向主管抗震吊架就是一個(gè)非常明顯的例子。
（二）、臺(tái)灣的震損經(jīng)驗(yàn)
臺(tái)灣南投縣某停車場(chǎng)，在臺(tái)灣九二一地震之前便已完工，但因重重原因而未正式啟用。九二一地震后，該停車場(chǎng)受到局部的結(jié)構(gòu)損害，但其內(nèi)的消防管道則受到嚴(yán)重破壞。由于修復(fù)工程一直沒(méi)法順利進(jìn)行，因此正好提供一個(gè)極佳的管道地震破壞研究案例。
該建物結(jié)構(gòu)破壞介紹：
停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)上破壞并不算嚴(yán)重，每一樓層平面上計(jì)有47根柱子，而僅有在四樓處有一根明顯可見(jiàn)到內(nèi)部鋼筋之柱破壞。其余的梁柱破壞，則以龜裂的情形較多。墻面部分亦有受剪力所造成的破壞龜裂，可以灌注環(huán)氧樹(shù)脂方式加固。
管道系統(tǒng)破壞資料：
通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)本停車場(chǎng)管道系統(tǒng)的破壞情況，有隨著樓層數(shù)增高而加劇的趨勢(shì)。破壞多集中在八樓、九樓及十樓等三個(gè)樓層，且以吊桿變形乃至拔出的破壞數(shù)目最多。
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，管道系統(tǒng)的損害在溝槽接頭處以及管道與閥門連接處有發(fā)現(xiàn)一些破壞。而立管部分，經(jīng)試水后證實(shí)沒(méi)有損壞，在地震以后仍能發(fā)揮正常的功能。
臺(tái)灣地震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
1、管道支吊架吊桿的破壞主要有：
（1） 膨脹螺栓及預(yù)埋方式吊桿的破壞不盡相同，膨脹螺栓主要為拔出的破壞，而預(yù)埋主要為剪斷的破壞。因此若能增加膨脹螺栓與樓板之間的摩擦力，即可減少其被拔出的機(jī)率，在施工上也較預(yù)埋吊桿更方便。
（2） 由調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)離建筑物鋼心（樓梯間）的區(qū)域，其處吊桿較易產(chǎn)生破壞。原因應(yīng)是愈遠(yuǎn)離建筑物鋼心，地震力所造成的扭矩愈大的關(guān)系。
2、管道的破壞主要有：
管道的破壞除了因懸吊桿件斷裂或拔出，導(dǎo)致管道功能損壞外，管道連接的斷裂亦是主要破壞原因之一，其主要斷裂形式有兩種：
（1） 管道與閥門連接處的破壞。這種破壞主要為地震力作用下，因懸吊管無(wú)法抵抗慣性加速度而產(chǎn)生較大振動(dòng)，但手動(dòng)啟動(dòng)卻固定于墻上，以致造成螺紋連接處到手動(dòng)啟動(dòng)閥L型處剪斷。
（2） 泡沫放射區(qū)域單元局部斷裂。這種破壞主要為受水平、垂直地震力搖動(dòng)拉扯，導(dǎo)致懸吊桿件斷裂或拔出，致使配管無(wú)重力支撐而在螺紋處斷裂。
三、分析
評(píng)估一套復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)之抗震能力，通常邏輯樹(shù)的觀念可以提供一個(gè)可靠且簡(jiǎn)易的方法。此法的主要觀點(diǎn)為：整體系統(tǒng)抗震力的強(qiáng)弱，取決于其組成子項(xiàng)目中抗震能力最薄弱的一項(xiàng)。通過(guò)以上實(shí)例進(jìn)行分析，造成管道系統(tǒng)破壞的可能因素可以整理成以下的樹(shù)狀圖：
根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外震損資料，并依據(jù)邏輯樹(shù)的觀念可以得知：建筑機(jī)電工程是否具有抗震性能，管道系統(tǒng)是一個(gè)很重要的因素。由上圖我們可以判斷，管道系統(tǒng)中最脆弱的部分就是管道支吊架（懸吊）系統(tǒng)，最容易遭到地震破壞。因此在管道的支吊系統(tǒng)采用合理適當(dāng)?shù)目拐鹬未胧菇ㄖC(jī)電設(shè)備及管道的支架具有足夠的剛度和強(qiáng)度；其與建筑結(jié)構(gòu)建立可靠的連接和錨固，可將地震時(shí)管道產(chǎn)生的地震作用傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)體上，在減少和盡可能防止次生災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)，還可以使機(jī)電系統(tǒng)在遭遇設(shè)防烈度地震影響后能比較迅速的恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
每次地震發(fā)生，可能很多人都會(huì)有類似的問(wèn)題。有時(shí)候，我們自己也會(huì)在這里犯一些錯(cuò)誤，被大家詬病為「不專業(yè)」。當(dāng)然，這些東西也挺復(fù)雜的...
一、 地震震級(jí)
地震震級(jí)是某次地震的屬性，某個(gè)地震只會(huì)有一個(gè)震級(jí)。比如1995年阪神大地震是矩震級(jí)6.8，2008年汶川大地震是矩震級(jí)是7.9。
注意到，可能對(duì)于某次地震，不同媒體的報(bào)道有所不同，那是因?yàn)樗麄儾捎昧瞬煌恼鸺?jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史原因，不同的專家學(xué)者發(fā)明過(guò)不同的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比如里氏震級(jí)、面波震級(jí)、體波震級(jí)等等。比如說(shuō)，有些國(guó)內(nèi)官方媒體采用的就是面波震級(jí)，所以2008年汶川大地震的震級(jí)為面波震級(jí)8.0。目前大家認(rèn)為比較合理的、應(yīng)用較廣泛的是矩震級(jí)。
震級(jí)是什么意思呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，震級(jí)衡量的是地震的大小，或者嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，地震所釋放的能量的大小。某次地震所釋放的總能量是固定的，所以它的震級(jí)也是唯一的。
絕大多數(shù)地震是由斷層引起的，地震所釋放的能量的大小，取決于引發(fā)地震的斷層的大小、斷層兩邊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離、斷層處的巖石強(qiáng)度。斷層的面積乘以斷層移動(dòng)的距離再乘以巖石的剪切模量，得到的就是Seismic Moment，也就是所謂的地震矩。這個(gè)地震矩的數(shù)值，直接反映了地震釋放能量的大小。
而矩震級(jí)就是對(duì)地震矩的衡量，這兩者之間的關(guān)系是 ，簡(jiǎn)單說(shuō)，8級(jí)地震釋放的能量，是7級(jí)的31.6倍，6級(jí)的1000倍，5級(jí)的31623倍，4級(jí)的1000000倍。
二、 地震烈度
地震烈度衡量的是某次地震發(fā)生之后對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響。比如說(shuō)，1976年唐山大地震，震中唐山的烈度為11度，天津的烈度為8度，北京為6度，石家莊為5度。通常情況下，越靠近震中最大，越遠(yuǎn)離震中越小。這也很好理解，越靠近震中受影響越大，越遠(yuǎn)離震中受影響越小。
你可以想象成一個(gè)靶子，震中就是靶心10環(huán)，外邊一點(diǎn)9環(huán)，再靠外8環(huán)。同樣的地震，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。由于地形地質(zhì)的不同，所以烈度的分布并不是個(gè)完美的同心圓，只是大致上遵循著越靠近震中越大的規(guī)律。
烈度的大小與地震震級(jí)相關(guān)，但并沒(méi)有明確的數(shù)值關(guān)系，而是因?yàn)槠渌鼦l件的不同而不同。簡(jiǎn)單說(shuō)，烈度是一個(gè)主觀性比較強(qiáng)的參數(shù)，跟震源深淺、地震類型、地質(zhì)條件等等都有關(guān)系，不同的地震會(huì)有不同的情況。正如世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，世界上也沒(méi)有兩次相同的地震。同樣都是6級(jí)地震，一個(gè)震中烈度可能是7度，另一個(gè)可能會(huì)達(dá)到8度。
三 、抗震設(shè)防烈度
抗震設(shè)防烈度是某個(gè)地區(qū)的屬性。比如說(shuō)北京的抗震設(shè)防烈度是 8 度，上海的抗震設(shè)防烈度是 7 度。
這個(gè)是怎么確定的呢？一定程度上，設(shè)防烈度的制定跟設(shè)防目標(biāo)相關(guān)。就拿北京來(lái)說(shuō)，先統(tǒng)計(jì)一下歷史上一定時(shí)期之內(nèi)影響到北京的歷次地震，看一下這些地震引起的北京地區(qū)的烈度分別是多少。比如說(shuō)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……然后再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，根據(jù)既定的可靠度目標(biāo)，比如說(shuō)，讓設(shè)防烈度大于這些已經(jīng)發(fā)生過(guò)的地震烈度的90%，繼而確定出一個(gè)設(shè)防烈度。換句話說(shuō)，這種情況下，所有可能發(fā)生的地震里，我能保證有90%的實(shí)際地震烈度都小于我的這個(gè)設(shè)防烈度。
現(xiàn)在的抗震規(guī)范，采用的是 50 年內(nèi)超越概率為 10% 的地震烈度作為抗震設(shè)防烈度。也就是說(shuō)，50年之內(nèi)，發(fā)生比這個(gè)設(shè)防烈度還大的地震烈度的可能性是10%。折算下來(lái)，也就是俗稱的「475年一遇」。
什么意思呢？475年一遇的地震，今年發(fā)生的概率是475分之一，也就是0.211%，今年不發(fā)生的概率是1減去0.211%，也就是99.789%。50年之內(nèi)都不發(fā)生這樣的地震，這個(gè)概率是 99.789% 的 50次方，也就是90%。而50年之內(nèi)發(fā)生這樣的地震的概率，則是 1 減去 90%，等于 10%。
也就是說(shuō)，我們的目標(biāo)是 475 年一遇的地震。100年一遇的地震，小意思，都在我們的設(shè)防范圍之內(nèi)，也就是俗稱的「小震不壞」；500年一遇的地震，剛剛好跟我們的設(shè)防目標(biāo)差不多，次要結(jié)構(gòu)可能會(huì)有小范圍破壞，但是主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的破壞，也就是俗稱的「中震可修」；1000年一遇的地震，已經(jīng)超過(guò)了我們的設(shè)防目標(biāo)，但是盡量通過(guò)合理的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)足夠的延性和塑性變形能力，爭(zhēng)取做到房子雖然變形很大，但不會(huì)整體垮塌，保證逃生通道和逃生時(shí)間，這也就是俗稱的「大震不倒」。
四 、抗震等級(jí)
抗震等級(jí)是建筑結(jié)構(gòu)的屬性。比如說(shuō)，這棟樓的抗震等級(jí)是一級(jí)，那棟樓的抗震等級(jí)是二級(jí)?？拐鸬燃?jí)也可以在局部調(diào)整，比如這棟樓的抗震等級(jí)是三級(jí)，但是某一層或者某一個(gè)柱子的抗震等級(jí)是二級(jí)。
抗震等級(jí)當(dāng)然跟抗震能力相關(guān)，但并不是說(shuō)一級(jí)的就一定比二級(jí)的好。舉個(gè)類似的例子，汽車的碰撞試驗(yàn)，有五星的，也有三星的，但是并不是說(shuō)五星的就一定比三星的更好。一個(gè)五星的微型車，跟一個(gè)三星的大皮卡相比，孰高孰低還很難說(shuō)。
抗震等級(jí)也是如此，它取決于抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度。對(duì)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以參見(jiàn)抗震規(guī)范里的這張表格。
比如說(shuō)，上海的一棟高層住宅樓，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為100米。我們就去查表，上海設(shè)防烈度為7度，抗震墻結(jié)構(gòu)高度大于80米，所以是二級(jí)。再比如說(shuō)，濟(jì)南的一棟高層寫字樓，框架核心筒。我們繼續(xù)查表，濟(jì)南是6度區(qū)，所以框架核心筒的框架部分是三級(jí)，核心筒部分是二級(jí)。
注意到，我們說(shuō)這張表適用于「普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)」，也就是所謂的「丙類建筑」。目前的抗震規(guī)范，已經(jīng)把中小學(xué)校舍提高到了「乙類建筑」。換言之，醫(yī)院、中小學(xué)校舍等等非常重要的建筑物，需要在這張表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，一般是查表的時(shí)候提高一個(gè)烈度。
比如說(shuō)，以上海為例，同樣是小于24米的框架結(jié)構(gòu)，如果是菜市場(chǎng)，那就按7度查表，也就是三級(jí)，如果是小學(xué)教學(xué)樓，那就要按7+1=8度查表，抗震等級(jí)為二級(jí)。也就是說(shuō)，同一個(gè)地區(qū)、同一個(gè)結(jié)構(gòu)類型、差不多高度的建筑物，中小學(xué)、醫(yī)院等等通常要比菜市場(chǎng)、普通辦公樓、住宅樓高一個(gè)抗震等級(jí)。
抗震等級(jí)有什么用呢？主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各種內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施上。
比如一級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，最小配筋率需要到達(dá)1.1%，而四級(jí)的角柱，最小配筋率達(dá)到0.7%就可以了。也就是說(shuō)，在計(jì)算允許的前提下，抗震等級(jí)低的結(jié)構(gòu)可以用更少的鋼筋。
再比如說(shuō)，一級(jí)和二級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，箍筋必須全高加密，而三級(jí)和四級(jí)的角柱就不需要特殊處理。
五 、總結(jié)
地震震級(jí)是地震的屬性，一次地震只有一個(gè)震級(jí)。
地震烈度是地震對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響，震中高，越往外越低。震中烈度和震級(jí)有關(guān)。
設(shè)防烈度可以簡(jiǎn)單理解成某個(gè)地區(qū)475年內(nèi)所能發(fā)生的最強(qiáng)烈的地震烈度。如果實(shí)際發(fā)生的地震引起的烈度不大于設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該要做到不發(fā)生永久性的、不可修復(fù)的的破壞。
抗震等級(jí)是建筑物的屬性，越重要、越容易受地震襲擊、越需要保護(hù)的建筑物，抗震等級(jí)越高，對(duì)抗震能力的要求也越高。
建筑機(jī)電工程抗震的必要性
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作者:優(yōu)嘉
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發(fā)布時(shí)間: 2018-08-03
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隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)模化、高樓化及用途復(fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
一、建筑機(jī)電工程抗震研究的動(dòng)機(jī)與目的
隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)?；⒏邩腔坝猛緩?fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
建筑物在地震時(shí)常常由于燃?xì)?、電氣管道破裂等諸多原因而釀成嚴(yán)重火災(zāi)；同時(shí)在大地震過(guò)后，以當(dāng)?shù)鼐葹?zāi)部門有限的資源，要應(yīng)付種種突發(fā)狀況，難免會(huì)顯得分身乏術(shù)。若建筑物此時(shí)能發(fā)揮自救的能力，將必定能減輕救災(zāi)單位的工作負(fù)荷，并大大降低建筑物自身的受害程度。而且，如果消防設(shè)備在地震中受到損壞，還可能造成漏水或淹水等嚴(yán)重的二次災(zāi)害。我國(guó)是多地震國(guó)家，特別是近年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，尤其是汶川、玉樹(shù)的高震級(jí)地震給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。因此建筑物是否具有抗震性，能否抵御地震災(zāi)害對(duì)于防震減災(zāi)工作尤為重要。這其中如何提升建筑物消防系統(tǒng)的抗震能力，使其不會(huì)在地震中遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)于地震時(shí)避免人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失、防止次生災(zāi)害方面及地震后恢復(fù)建筑使用功能方面都具有十分重要意義。
我們國(guó)家也越來(lái)越重視關(guān)于包括消防系統(tǒng)在內(nèi)的建筑機(jī)電工程抗震方面的工作，新的國(guó)家規(guī)范《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50981-2014也即將頒布實(shí)施。由于我國(guó)關(guān)于在建筑機(jī)電工程抗震方面的統(tǒng)計(jì)資料相對(duì)比較少，下面通過(guò)一些國(guó)外相關(guān)震損經(jīng)驗(yàn)的案例，來(lái)說(shuō)明提高機(jī)電系統(tǒng)抗震性能的必要性。
二、國(guó)內(nèi)外機(jī)電系統(tǒng)震損經(jīng)驗(yàn)
抗震支吊架系統(tǒng)在國(guó)外的使用有幾十年的歷史了，故而也經(jīng)歷過(guò)許多地震的考驗(yàn)。從這些地震經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中，人們更加清楚其被破壞的特性，同時(shí)也越來(lái)越積極的設(shè)法提升其抗震能力。以下分別就美國(guó)及臺(tái)灣具有代表性的消防系統(tǒng)抗震經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研究分析。
（一）、美國(guó)震損經(jīng)驗(yàn)：
1、案例一：圣佛南多地震
此地震發(fā)生于1971年2月9日早上6點(diǎn)1分，震源位于洛杉磯北部，深度13公里，震級(jí)6.6級(jí)。共造成58人死亡，2543人受傷。
自動(dòng)噴淋設(shè)備的受損狀況
太平洋防火局針對(duì)受災(zāi)地域內(nèi)的68棟建筑物進(jìn)行了調(diào)查，當(dāng)中有56%（38棟）建筑物的自動(dòng)噴淋設(shè)備受損；另外有41%（28棟）的建筑物受到了水害。在這68棟建筑物的主體結(jié)構(gòu)中，共有65%（44棟）的建筑物遭到不同程度的損害。因本地震而造成的自動(dòng)噴淋設(shè)備損壞，以管道與噴淋頭為主，主要原因有：管道的支吊架管夾安裝方法不當(dāng)；管道支吊架構(gòu)件的螺栓松脫；管道連接處受損（特別是從供水主管至分流主管的分支部分）；通過(guò)墻壁貫通部或建筑物伸縮縫結(jié)合部的管道受損；因與建筑結(jié)構(gòu)撞擊，造成自動(dòng)噴淋頭受損等。
2、案例二：加州LOMA PRIETA（舊金山）地震
在1989年11月17日，美國(guó)西岸的舊金山灣區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)7.1級(jí)的地震，該地震共造成了100億美元的重大損失。本地震的震源深度為11.5英里的斷層，該斷層在地表處延伸了3.7英里遠(yuǎn)。地震后地面被抬升了14英寸且往北移動(dòng)了7英寸。在松軟的土層上普遍發(fā)生的土壤液化及放大效應(yīng)，讓本地震所造成的損害更加嚴(yán)重。
但值得關(guān)注的是，此次地震關(guān)于自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的損壞情況，較前一案例來(lái)說(shuō)是有明顯減少的，在建筑及結(jié)構(gòu)物的70處損害資料中，僅有極少數(shù)是關(guān)于噴淋系統(tǒng)的，此說(shuō)明了NFPA13（美國(guó)消防噴淋規(guī)范）中的新型抗震方法確實(shí)能有效提高噴淋系統(tǒng)的抗震能力。
舊金山地震調(diào)查報(bào)告，促使NFPA13的抗震小組委員會(huì)提議在1991年修訂版本的基礎(chǔ)上再增列一些額外要求。包括在震區(qū)內(nèi)的輕質(zhì)混凝土墻上的抗震吊架及普通吊架上，禁止使用火藥擊釘；以及用來(lái)代替橫向抗震吊架的U型吊鉤需為全包型，且要滿足抗震吊架的抗震要求等。
3、案例三：加州北嶺地震
1994年1月17日，早上4點(diǎn)31分，在洛杉磯北方發(fā)生了6.6級(jí)的地震，接下來(lái)的幾天內(nèi)，亦陸陸續(xù)續(xù)的發(fā)生了數(shù)起規(guī)模在4-5級(jí)的余震，有記錄可知這些余震的地表加速度超當(dāng)時(shí)建筑法規(guī)4倍之多。由于震中發(fā)生在人口稠密區(qū)，所以這場(chǎng)地震也提供給人們一個(gè)觀察消防噴淋系統(tǒng)抗震能力的機(jī)會(huì)。
在以前的地震經(jīng)驗(yàn)中，觀察結(jié)果普遍認(rèn)為噴淋系統(tǒng)的抗震能力是不會(huì)高于建筑物的抗震能力的。然而在這次造成數(shù)以千計(jì)房屋損壞的地震中，人們驚訝的發(fā)現(xiàn)，噴淋系統(tǒng)的損壞層面不再那么廣大。當(dāng)然，若一棟建筑物發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)當(dāng)然難以維持其機(jī)能。如某博物館大樓的頂層部分被剪裂時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)也一并被扯下，但在這個(gè)建筑的底層部分，噴淋系統(tǒng)卻基本上是完好如初。
北嶺地震讓人們第一次了解住宅噴淋系統(tǒng)在地震中的行為特征。有一些依據(jù)NFPA13的而裝置的住宅銅質(zhì)管路，盡管此住宅的仿大理石材質(zhì)的外墻出現(xiàn)幾條小裂紋，但其噴淋系統(tǒng)卻毫無(wú)損傷。又如在加州大學(xué)北嶺分校，盡管有些建筑物基礎(chǔ)被抬升，造成石膏板及屋瓦的破裂，但其低矮公寓的符合NFPA13的薄壁鋼管卻沒(méi)有遭遇到任何的損害。不過(guò)其他沒(méi)有采取抗震措施的管道，表現(xiàn)就不那么理想了，如一棟建于1992年的建筑物就有四間盥洗間及若干條銅質(zhì)HVAC（暖通空調(diào)）管損壞。
本次地震中人們總結(jié)出一條重要的經(jīng)驗(yàn)：有依照最新NFPA13的要求而設(shè)置抗震措施的噴淋系統(tǒng)，在地震中的表現(xiàn)要比按照舊規(guī)范而施作的要好，縱向主管抗震吊架就是一個(gè)非常明顯的例子。
（二）、臺(tái)灣的震損經(jīng)驗(yàn)
臺(tái)灣南投縣某停車場(chǎng)，在臺(tái)灣九二一地震之前便已完工，但因重重原因而未正式啟用。九二一地震后，該停車場(chǎng)受到局部的結(jié)構(gòu)損害，但其內(nèi)的消防管道則受到嚴(yán)重破壞。由于修復(fù)工程一直沒(méi)法順利進(jìn)行，因此正好提供一個(gè)極佳的管道地震破壞研究案例。
該建物結(jié)構(gòu)破壞介紹：
停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)上破壞并不算嚴(yán)重，每一樓層平面上計(jì)有47根柱子，而僅有在四樓處有一根明顯可見(jiàn)到內(nèi)部鋼筋之柱破壞。其余的梁柱破壞，則以龜裂的情形較多。墻面部分亦有受剪力所造成的破壞龜裂，可以灌注環(huán)氧樹(shù)脂方式加固。
管道系統(tǒng)破壞資料：
通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)本停車場(chǎng)管道系統(tǒng)的破壞情況，有隨著樓層數(shù)增高而加劇的趨勢(shì)。破壞多集中在八樓、九樓及十樓等三個(gè)樓層，且以吊桿變形乃至拔出的破壞數(shù)目最多。
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，管道系統(tǒng)的損害在溝槽接頭處以及管道與閥門連接處有發(fā)現(xiàn)一些破壞。而立管部分，經(jīng)試水后證實(shí)沒(méi)有損壞，在地震以后仍能發(fā)揮正常的功能。
臺(tái)灣地震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
1、管道支吊架吊桿的破壞主要有：
（1） 膨脹螺栓及預(yù)埋方式吊桿的破壞不盡相同，膨脹螺栓主要為拔出的破壞，而預(yù)埋主要為剪斷的破壞。因此若能增加膨脹螺栓與樓板之間的摩擦力，即可減少其被拔出的機(jī)率，在施工上也較預(yù)埋吊桿更方便。
（2） 由調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)離建筑物鋼心（樓梯間）的區(qū)域，其處吊桿較易產(chǎn)生破壞。原因應(yīng)是愈遠(yuǎn)離建筑物鋼心，地震力所造成的扭矩愈大的關(guān)系。
2、管道的破壞主要有：
管道的破壞除了因懸吊桿件斷裂或拔出，導(dǎo)致管道功能損壞外，管道連接的斷裂亦是主要破壞原因之一，其主要斷裂形式有兩種：
（1） 管道與閥門連接處的破壞。這種破壞主要為地震力作用下，因懸吊管無(wú)法抵抗慣性加速度而產(chǎn)生較大振動(dòng)，但手動(dòng)啟動(dòng)卻固定于墻上，以致造成螺紋連接處到手動(dòng)啟動(dòng)閥L型處剪斷。
（2） 泡沫放射區(qū)域單元局部斷裂。這種破壞主要為受水平、垂直地震力搖動(dòng)拉扯，導(dǎo)致懸吊桿件斷裂或拔出，致使配管無(wú)重力支撐而在螺紋處斷裂。
三、分析
評(píng)估一套復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)之抗震能力，通常邏輯樹(shù)的觀念可以提供一個(gè)可靠且簡(jiǎn)易的方法。此法的主要觀點(diǎn)為：整體系統(tǒng)抗震力的強(qiáng)弱，取決于其組成子項(xiàng)目中抗震能力最薄弱的一項(xiàng)。通過(guò)以上實(shí)例進(jìn)行分析，造成管道系統(tǒng)破壞的可能因素可以整理成以下的樹(shù)狀圖：
根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外震損資料，并依據(jù)邏輯樹(shù)的觀念可以得知：建筑機(jī)電工程是否具有抗震性能，管道系統(tǒng)是一個(gè)很重要的因素。由上圖我們可以判斷，管道系統(tǒng)中最脆弱的部分就是管道支吊架（懸吊）系統(tǒng)，最容易遭到地震破壞。因此在管道的支吊系統(tǒng)采用合理適當(dāng)?shù)目拐鹬未胧菇ㄖC(jī)電設(shè)備及管道的支架具有足夠的剛度和強(qiáng)度；其與建筑結(jié)構(gòu)建立可靠的連接和錨固，可將地震時(shí)管道產(chǎn)生的地震作用傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)體上，在減少和盡可能防止次生災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)，還可以使機(jī)電系統(tǒng)在遭遇設(shè)防烈度地震影響后能比較迅速的恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
每次地震發(fā)生，可能很多人都會(huì)有類似的問(wèn)題。有時(shí)候，我們自己也會(huì)在這里犯一些錯(cuò)誤，被大家詬病為「不專業(yè)」。當(dāng)然，這些東西也挺復(fù)雜的...
一、 地震震級(jí)
地震震級(jí)是某次地震的屬性，某個(gè)地震只會(huì)有一個(gè)震級(jí)。比如1995年阪神大地震是矩震級(jí)6.8，2008年汶川大地震是矩震級(jí)是7.9。
注意到，可能對(duì)于某次地震，不同媒體的報(bào)道有所不同，那是因?yàn)樗麄儾捎昧瞬煌恼鸺?jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史原因，不同的專家學(xué)者發(fā)明過(guò)不同的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比如里氏震級(jí)、面波震級(jí)、體波震級(jí)等等。比如說(shuō)，有些國(guó)內(nèi)官方媒體采用的就是面波震級(jí)，所以2008年汶川大地震的震級(jí)為面波震級(jí)8.0。目前大家認(rèn)為比較合理的、應(yīng)用較廣泛的是矩震級(jí)。
震級(jí)是什么意思呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，震級(jí)衡量的是地震的大小，或者嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，地震所釋放的能量的大小。某次地震所釋放的總能量是固定的，所以它的震級(jí)也是唯一的。
絕大多數(shù)地震是由斷層引起的，地震所釋放的能量的大小，取決于引發(fā)地震的斷層的大小、斷層兩邊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離、斷層處的巖石強(qiáng)度。斷層的面積乘以斷層移動(dòng)的距離再乘以巖石的剪切模量，得到的就是Seismic Moment，也就是所謂的地震矩。這個(gè)地震矩的數(shù)值，直接反映了地震釋放能量的大小。
而矩震級(jí)就是對(duì)地震矩的衡量，這兩者之間的關(guān)系是 ，簡(jiǎn)單說(shuō)，8級(jí)地震釋放的能量，是7級(jí)的31.6倍，6級(jí)的1000倍，5級(jí)的31623倍，4級(jí)的1000000倍。
二、 地震烈度
地震烈度衡量的是某次地震發(fā)生之后對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響。比如說(shuō)，1976年唐山大地震，震中唐山的烈度為11度，天津的烈度為8度，北京為6度，石家莊為5度。通常情況下，越靠近震中最大，越遠(yuǎn)離震中越小。這也很好理解，越靠近震中受影響越大，越遠(yuǎn)離震中受影響越小。
你可以想象成一個(gè)靶子，震中就是靶心10環(huán)，外邊一點(diǎn)9環(huán)，再靠外8環(huán)。同樣的地震，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。由于地形地質(zhì)的不同，所以烈度的分布并不是個(gè)完美的同心圓，只是大致上遵循著越靠近震中越大的規(guī)律。
烈度的大小與地震震級(jí)相關(guān)，但并沒(méi)有明確的數(shù)值關(guān)系，而是因?yàn)槠渌鼦l件的不同而不同。簡(jiǎn)單說(shuō)，烈度是一個(gè)主觀性比較強(qiáng)的參數(shù)，跟震源深淺、地震類型、地質(zhì)條件等等都有關(guān)系，不同的地震會(huì)有不同的情況。正如世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，世界上也沒(méi)有兩次相同的地震。同樣都是6級(jí)地震，一個(gè)震中烈度可能是7度，另一個(gè)可能會(huì)達(dá)到8度。
三 、抗震設(shè)防烈度
抗震設(shè)防烈度是某個(gè)地區(qū)的屬性。比如說(shuō)北京的抗震設(shè)防烈度是 8 度，上海的抗震設(shè)防烈度是 7 度。
這個(gè)是怎么確定的呢？一定程度上，設(shè)防烈度的制定跟設(shè)防目標(biāo)相關(guān)。就拿北京來(lái)說(shuō)，先統(tǒng)計(jì)一下歷史上一定時(shí)期之內(nèi)影響到北京的歷次地震，看一下這些地震引起的北京地區(qū)的烈度分別是多少。比如說(shuō)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……然后再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，根據(jù)既定的可靠度目標(biāo)，比如說(shuō)，讓設(shè)防烈度大于這些已經(jīng)發(fā)生過(guò)的地震烈度的90%，繼而確定出一個(gè)設(shè)防烈度。換句話說(shuō)，這種情況下，所有可能發(fā)生的地震里，我能保證有90%的實(shí)際地震烈度都小于我的這個(gè)設(shè)防烈度。
現(xiàn)在的抗震規(guī)范，采用的是 50 年內(nèi)超越概率為 10% 的地震烈度作為抗震設(shè)防烈度。也就是說(shuō)，50年之內(nèi)，發(fā)生比這個(gè)設(shè)防烈度還大的地震烈度的可能性是10%。折算下來(lái)，也就是俗稱的「475年一遇」。
什么意思呢？475年一遇的地震，今年發(fā)生的概率是475分之一，也就是0.211%，今年不發(fā)生的概率是1減去0.211%，也就是99.789%。50年之內(nèi)都不發(fā)生這樣的地震，這個(gè)概率是 99.789% 的 50次方，也就是90%。而50年之內(nèi)發(fā)生這樣的地震的概率，則是 1 減去 90%，等于 10%。
也就是說(shuō)，我們的目標(biāo)是 475 年一遇的地震。100年一遇的地震，小意思，都在我們的設(shè)防范圍之內(nèi)，也就是俗稱的「小震不壞」；500年一遇的地震，剛剛好跟我們的設(shè)防目標(biāo)差不多，次要結(jié)構(gòu)可能會(huì)有小范圍破壞，但是主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的破壞，也就是俗稱的「中震可修」；1000年一遇的地震，已經(jīng)超過(guò)了我們的設(shè)防目標(biāo)，但是盡量通過(guò)合理的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)足夠的延性和塑性變形能力，爭(zhēng)取做到房子雖然變形很大，但不會(huì)整體垮塌，保證逃生通道和逃生時(shí)間，這也就是俗稱的「大震不倒」。
四 、抗震等級(jí)
抗震等級(jí)是建筑結(jié)構(gòu)的屬性。比如說(shuō)，這棟樓的抗震等級(jí)是一級(jí)，那棟樓的抗震等級(jí)是二級(jí)?？拐鸬燃?jí)也可以在局部調(diào)整，比如這棟樓的抗震等級(jí)是三級(jí)，但是某一層或者某一個(gè)柱子的抗震等級(jí)是二級(jí)。
抗震等級(jí)當(dāng)然跟抗震能力相關(guān)，但并不是說(shuō)一級(jí)的就一定比二級(jí)的好。舉個(gè)類似的例子，汽車的碰撞試驗(yàn)，有五星的，也有三星的，但是并不是說(shuō)五星的就一定比三星的更好。一個(gè)五星的微型車，跟一個(gè)三星的大皮卡相比，孰高孰低還很難說(shuō)。
抗震等級(jí)也是如此，它取決于抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度。對(duì)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以參見(jiàn)抗震規(guī)范里的這張表格。
比如說(shuō)，上海的一棟高層住宅樓，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為100米。我們就去查表，上海設(shè)防烈度為7度，抗震墻結(jié)構(gòu)高度大于80米，所以是二級(jí)。再比如說(shuō)，濟(jì)南的一棟高層寫字樓，框架核心筒。我們繼續(xù)查表，濟(jì)南是6度區(qū)，所以框架核心筒的框架部分是三級(jí)，核心筒部分是二級(jí)。
注意到，我們說(shuō)這張表適用于「普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)」，也就是所謂的「丙類建筑」。目前的抗震規(guī)范，已經(jīng)把中小學(xué)校舍提高到了「乙類建筑」。換言之，醫(yī)院、中小學(xué)校舍等等非常重要的建筑物，需要在這張表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，一般是查表的時(shí)候提高一個(gè)烈度。
比如說(shuō)，以上海為例，同樣是小于24米的框架結(jié)構(gòu)，如果是菜市場(chǎng)，那就按7度查表，也就是三級(jí)，如果是小學(xué)教學(xué)樓，那就要按7+1=8度查表，抗震等級(jí)為二級(jí)。也就是說(shuō)，同一個(gè)地區(qū)、同一個(gè)結(jié)構(gòu)類型、差不多高度的建筑物，中小學(xué)、醫(yī)院等等通常要比菜市場(chǎng)、普通辦公樓、住宅樓高一個(gè)抗震等級(jí)。
抗震等級(jí)有什么用呢？主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各種內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施上。
比如一級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，最小配筋率需要到達(dá)1.1%，而四級(jí)的角柱，最小配筋率達(dá)到0.7%就可以了。也就是說(shuō)，在計(jì)算允許的前提下，抗震等級(jí)低的結(jié)構(gòu)可以用更少的鋼筋。
再比如說(shuō)，一級(jí)和二級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，箍筋必須全高加密，而三級(jí)和四級(jí)的角柱就不需要特殊處理。
五 、總結(jié)
地震震級(jí)是地震的屬性，一次地震只有一個(gè)震級(jí)。
地震烈度是地震對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響，震中高，越往外越低。震中烈度和震級(jí)有關(guān)。
設(shè)防烈度可以簡(jiǎn)單理解成某個(gè)地區(qū)475年內(nèi)所能發(fā)生的最強(qiáng)烈的地震烈度。如果實(shí)際發(fā)生的地震引起的烈度不大于設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該要做到不發(fā)生永久性的、不可修復(fù)的的破壞。
抗震等級(jí)是建筑物的屬性，越重要、越容易受地震襲擊、越需要保護(hù)的建筑物，抗震等級(jí)越高，對(duì)抗震能力的要求也越高。
隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的居住環(huán)境也產(chǎn)生改變。近些年來(lái)我國(guó)城市建設(shè)得到極大發(fā)展。我們的建筑物也正在走向大規(guī)?；⒏邩腔坝猛緩?fù)雜化。于此同時(shí)也使得建筑物發(fā)生火災(zāi)之危險(xiǎn)性大為增加，相形之下消防滅火工作更加困難，一旦發(fā)生火警，往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失。
建筑物在地震時(shí)常常由于燃?xì)?、電氣管道破裂等諸多原因而釀成嚴(yán)重火災(zāi)；同時(shí)在大地震過(guò)后，以當(dāng)?shù)鼐葹?zāi)部門有限的資源，要應(yīng)付種種突發(fā)狀況，難免會(huì)顯得分身乏術(shù)。若建筑物此時(shí)能發(fā)揮自救的能力，將必定能減輕救災(zāi)單位的工作負(fù)荷，并大大降低建筑物自身的受害程度。而且，如果消防設(shè)備在地震中受到損壞，還可能造成漏水或淹水等嚴(yán)重的二次災(zāi)害。我國(guó)是多地震國(guó)家，特別是近年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，尤其是汶川、玉樹(shù)的高震級(jí)地震給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。因此建筑物是否具有抗震性，能否抵御地震災(zāi)害對(duì)于防震減災(zāi)工作尤為重要。這其中如何提升建筑物消防系統(tǒng)的抗震能力，使其不會(huì)在地震中遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)于地震時(shí)避免人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失、防止次生災(zāi)害方面及地震后恢復(fù)建筑使用功能方面都具有十分重要意義。
我們國(guó)家也越來(lái)越重視關(guān)于包括消防系統(tǒng)在內(nèi)的建筑機(jī)電工程抗震方面的工作，新的國(guó)家規(guī)范《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50981-2014也即將頒布實(shí)施。由于我國(guó)關(guān)于在建筑機(jī)電工程抗震方面的統(tǒng)計(jì)資料相對(duì)比較少，下面通過(guò)一些國(guó)外相關(guān)震損經(jīng)驗(yàn)的案例，來(lái)說(shuō)明提高機(jī)電系統(tǒng)抗震性能的必要性。
二、國(guó)內(nèi)外機(jī)電系統(tǒng)震損經(jīng)驗(yàn)
抗震支吊架系統(tǒng)在國(guó)外的使用有幾十年的歷史了，故而也經(jīng)歷過(guò)許多地震的考驗(yàn)。從這些地震經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中，人們更加清楚其被破壞的特性，同時(shí)也越來(lái)越積極的設(shè)法提升其抗震能力。以下分別就美國(guó)及臺(tái)灣具有代表性的消防系統(tǒng)抗震經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研究分析。
（一）、美國(guó)震損經(jīng)驗(yàn)：
1、案例一：圣佛南多地震
此地震發(fā)生于1971年2月9日早上6點(diǎn)1分，震源位于洛杉磯北部，深度13公里，震級(jí)6.6級(jí)。共造成58人死亡，2543人受傷。
自動(dòng)噴淋設(shè)備的受損狀況
太平洋防火局針對(duì)受災(zāi)地域內(nèi)的68棟建筑物進(jìn)行了調(diào)查，當(dāng)中有56%（38棟）建筑物的自動(dòng)噴淋設(shè)備受損；另外有41%（28棟）的建筑物受到了水害。在這68棟建筑物的主體結(jié)構(gòu)中，共有65%（44棟）的建筑物遭到不同程度的損害。因本地震而造成的自動(dòng)噴淋設(shè)備損壞，以管道與噴淋頭為主，主要原因有：管道的支吊架管夾安裝方法不當(dāng)；管道支吊架構(gòu)件的螺栓松脫；管道連接處受損（特別是從供水主管至分流主管的分支部分）；通過(guò)墻壁貫通部或建筑物伸縮縫結(jié)合部的管道受損；因與建筑結(jié)構(gòu)撞擊，造成自動(dòng)噴淋頭受損等。
2、案例二：加州LOMA PRIETA（舊金山）地震
在1989年11月17日，美國(guó)西岸的舊金山灣區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)7.1級(jí)的地震，該地震共造成了100億美元的重大損失。本地震的震源深度為11.5英里的斷層，該斷層在地表處延伸了3.7英里遠(yuǎn)。地震后地面被抬升了14英寸且往北移動(dòng)了7英寸。在松軟的土層上普遍發(fā)生的土壤液化及放大效應(yīng)，讓本地震所造成的損害更加嚴(yán)重。
但值得關(guān)注的是，此次地震關(guān)于自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的損壞情況，較前一案例來(lái)說(shuō)是有明顯減少的，在建筑及結(jié)構(gòu)物的70處損害資料中，僅有極少數(shù)是關(guān)于噴淋系統(tǒng)的，此說(shuō)明了NFPA13（美國(guó)消防噴淋規(guī)范）中的新型抗震方法確實(shí)能有效提高噴淋系統(tǒng)的抗震能力。
舊金山地震調(diào)查報(bào)告，促使NFPA13的抗震小組委員會(huì)提議在1991年修訂版本的基礎(chǔ)上再增列一些額外要求。包括在震區(qū)內(nèi)的輕質(zhì)混凝土墻上的抗震吊架及普通吊架上，禁止使用火藥擊釘；以及用來(lái)代替橫向抗震吊架的U型吊鉤需為全包型，且要滿足抗震吊架的抗震要求等。
3、案例三：加州北嶺地震
1994年1月17日，早上4點(diǎn)31分，在洛杉磯北方發(fā)生了6.6級(jí)的地震，接下來(lái)的幾天內(nèi)，亦陸陸續(xù)續(xù)的發(fā)生了數(shù)起規(guī)模在4-5級(jí)的余震，有記錄可知這些余震的地表加速度超當(dāng)時(shí)建筑法規(guī)4倍之多。由于震中發(fā)生在人口稠密區(qū)，所以這場(chǎng)地震也提供給人們一個(gè)觀察消防噴淋系統(tǒng)抗震能力的機(jī)會(huì)。
在以前的地震經(jīng)驗(yàn)中，觀察結(jié)果普遍認(rèn)為噴淋系統(tǒng)的抗震能力是不會(huì)高于建筑物的抗震能力的。然而在這次造成數(shù)以千計(jì)房屋損壞的地震中，人們驚訝的發(fā)現(xiàn)，噴淋系統(tǒng)的損壞層面不再那么廣大。當(dāng)然，若一棟建筑物發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)當(dāng)然難以維持其機(jī)能。如某博物館大樓的頂層部分被剪裂時(shí)，其內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)也一并被扯下，但在這個(gè)建筑的底層部分，噴淋系統(tǒng)卻基本上是完好如初。
北嶺地震讓人們第一次了解住宅噴淋系統(tǒng)在地震中的行為特征。有一些依據(jù)NFPA13的而裝置的住宅銅質(zhì)管路，盡管此住宅的仿大理石材質(zhì)的外墻出現(xiàn)幾條小裂紋，但其噴淋系統(tǒng)卻毫無(wú)損傷。又如在加州大學(xué)北嶺分校，盡管有些建筑物基礎(chǔ)被抬升，造成石膏板及屋瓦的破裂，但其低矮公寓的符合NFPA13的薄壁鋼管卻沒(méi)有遭遇到任何的損害。不過(guò)其他沒(méi)有采取抗震措施的管道，表現(xiàn)就不那么理想了，如一棟建于1992年的建筑物就有四間盥洗間及若干條銅質(zhì)HVAC（暖通空調(diào)）管損壞。
本次地震中人們總結(jié)出一條重要的經(jīng)驗(yàn)：有依照最新NFPA13的要求而設(shè)置抗震措施的噴淋系統(tǒng)，在地震中的表現(xiàn)要比按照舊規(guī)范而施作的要好，縱向主管抗震吊架就是一個(gè)非常明顯的例子。
（二）、臺(tái)灣的震損經(jīng)驗(yàn)
臺(tái)灣南投縣某停車場(chǎng)，在臺(tái)灣九二一地震之前便已完工，但因重重原因而未正式啟用。九二一地震后，該停車場(chǎng)受到局部的結(jié)構(gòu)損害，但其內(nèi)的消防管道則受到嚴(yán)重破壞。由于修復(fù)工程一直沒(méi)法順利進(jìn)行，因此正好提供一個(gè)極佳的管道地震破壞研究案例。
該建物結(jié)構(gòu)破壞介紹：
停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)上破壞并不算嚴(yán)重，每一樓層平面上計(jì)有47根柱子，而僅有在四樓處有一根明顯可見(jiàn)到內(nèi)部鋼筋之柱破壞。其余的梁柱破壞，則以龜裂的情形較多。墻面部分亦有受剪力所造成的破壞龜裂，可以灌注環(huán)氧樹(shù)脂方式加固。
管道系統(tǒng)破壞資料：
通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)本停車場(chǎng)管道系統(tǒng)的破壞情況，有隨著樓層數(shù)增高而加劇的趨勢(shì)。破壞多集中在八樓、九樓及十樓等三個(gè)樓層，且以吊桿變形乃至拔出的破壞數(shù)目最多。
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，管道系統(tǒng)的損害在溝槽接頭處以及管道與閥門連接處有發(fā)現(xiàn)一些破壞。而立管部分，經(jīng)試水后證實(shí)沒(méi)有損壞，在地震以后仍能發(fā)揮正常的功能。
臺(tái)灣地震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
1、管道支吊架吊桿的破壞主要有：
（1） 膨脹螺栓及預(yù)埋方式吊桿的破壞不盡相同，膨脹螺栓主要為拔出的破壞，而預(yù)埋主要為剪斷的破壞。因此若能增加膨脹螺栓與樓板之間的摩擦力，即可減少其被拔出的機(jī)率，在施工上也較預(yù)埋吊桿更方便。
（2） 由調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)離建筑物鋼心（樓梯間）的區(qū)域，其處吊桿較易產(chǎn)生破壞。原因應(yīng)是愈遠(yuǎn)離建筑物鋼心，地震力所造成的扭矩愈大的關(guān)系。
2、管道的破壞主要有：
管道的破壞除了因懸吊桿件斷裂或拔出，導(dǎo)致管道功能損壞外，管道連接的斷裂亦是主要破壞原因之一，其主要斷裂形式有兩種：
（1） 管道與閥門連接處的破壞。這種破壞主要為地震力作用下，因懸吊管無(wú)法抵抗慣性加速度而產(chǎn)生較大振動(dòng)，但手動(dòng)啟動(dòng)卻固定于墻上，以致造成螺紋連接處到手動(dòng)啟動(dòng)閥L型處剪斷。
（2） 泡沫放射區(qū)域單元局部斷裂。這種破壞主要為受水平、垂直地震力搖動(dòng)拉扯，導(dǎo)致懸吊桿件斷裂或拔出，致使配管無(wú)重力支撐而在螺紋處斷裂。
三、分析
評(píng)估一套復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)之抗震能力，通常邏輯樹(shù)的觀念可以提供一個(gè)可靠且簡(jiǎn)易的方法。此法的主要觀點(diǎn)為：整體系統(tǒng)抗震力的強(qiáng)弱，取決于其組成子項(xiàng)目中抗震能力最薄弱的一項(xiàng)。通過(guò)以上實(shí)例進(jìn)行分析，造成管道系統(tǒng)破壞的可能因素可以整理成以下的樹(shù)狀圖：
根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外震損資料，并依據(jù)邏輯樹(shù)的觀念可以得知：建筑機(jī)電工程是否具有抗震性能，管道系統(tǒng)是一個(gè)很重要的因素。由上圖我們可以判斷，管道系統(tǒng)中最脆弱的部分就是管道支吊架（懸吊）系統(tǒng)，最容易遭到地震破壞。因此在管道的支吊系統(tǒng)采用合理適當(dāng)?shù)目拐鹬未胧菇ㄖC(jī)電設(shè)備及管道的支架具有足夠的剛度和強(qiáng)度；其與建筑結(jié)構(gòu)建立可靠的連接和錨固，可將地震時(shí)管道產(chǎn)生的地震作用傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)體上，在減少和盡可能防止次生災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)，還可以使機(jī)電系統(tǒng)在遭遇設(shè)防烈度地震影響后能比較迅速的恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
每次地震發(fā)生，可能很多人都會(huì)有類似的問(wèn)題。有時(shí)候，我們自己也會(huì)在這里犯一些錯(cuò)誤，被大家詬病為「不專業(yè)」。當(dāng)然，這些東西也挺復(fù)雜的...
一、 地震震級(jí)
地震震級(jí)是某次地震的屬性，某個(gè)地震只會(huì)有一個(gè)震級(jí)。比如1995年阪神大地震是矩震級(jí)6.8，2008年汶川大地震是矩震級(jí)是7.9。
注意到，可能對(duì)于某次地震，不同媒體的報(bào)道有所不同，那是因?yàn)樗麄儾捎昧瞬煌恼鸺?jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史原因，不同的專家學(xué)者發(fā)明過(guò)不同的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比如里氏震級(jí)、面波震級(jí)、體波震級(jí)等等。比如說(shuō)，有些國(guó)內(nèi)官方媒體采用的就是面波震級(jí)，所以2008年汶川大地震的震級(jí)為面波震級(jí)8.0。目前大家認(rèn)為比較合理的、應(yīng)用較廣泛的是矩震級(jí)。
震級(jí)是什么意思呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，震級(jí)衡量的是地震的大小，或者嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，地震所釋放的能量的大小。某次地震所釋放的總能量是固定的，所以它的震級(jí)也是唯一的。
絕大多數(shù)地震是由斷層引起的，地震所釋放的能量的大小，取決于引發(fā)地震的斷層的大小、斷層兩邊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離、斷層處的巖石強(qiáng)度。斷層的面積乘以斷層移動(dòng)的距離再乘以巖石的剪切模量，得到的就是Seismic Moment，也就是所謂的地震矩。這個(gè)地震矩的數(shù)值，直接反映了地震釋放能量的大小。
而矩震級(jí)就是對(duì)地震矩的衡量，這兩者之間的關(guān)系是 ，簡(jiǎn)單說(shuō)，8級(jí)地震釋放的能量，是7級(jí)的31.6倍，6級(jí)的1000倍，5級(jí)的31623倍，4級(jí)的1000000倍。
二、 地震烈度
地震烈度衡量的是某次地震發(fā)生之后對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響。比如說(shuō)，1976年唐山大地震，震中唐山的烈度為11度，天津的烈度為8度，北京為6度，石家莊為5度。通常情況下，越靠近震中最大，越遠(yuǎn)離震中越小。這也很好理解，越靠近震中受影響越大，越遠(yuǎn)離震中受影響越小。
你可以想象成一個(gè)靶子，震中就是靶心10環(huán)，外邊一點(diǎn)9環(huán)，再靠外8環(huán)。同樣的地震，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。由于地形地質(zhì)的不同，所以烈度的分布并不是個(gè)完美的同心圓，只是大致上遵循著越靠近震中越大的規(guī)律。
烈度的大小與地震震級(jí)相關(guān)，但并沒(méi)有明確的數(shù)值關(guān)系，而是因?yàn)槠渌鼦l件的不同而不同。簡(jiǎn)單說(shuō)，烈度是一個(gè)主觀性比較強(qiáng)的參數(shù)，跟震源深淺、地震類型、地質(zhì)條件等等都有關(guān)系，不同的地震會(huì)有不同的情況。正如世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，世界上也沒(méi)有兩次相同的地震。同樣都是6級(jí)地震，一個(gè)震中烈度可能是7度，另一個(gè)可能會(huì)達(dá)到8度。
三 、抗震設(shè)防烈度
抗震設(shè)防烈度是某個(gè)地區(qū)的屬性。比如說(shuō)北京的抗震設(shè)防烈度是 8 度，上海的抗震設(shè)防烈度是 7 度。
這個(gè)是怎么確定的呢？一定程度上，設(shè)防烈度的制定跟設(shè)防目標(biāo)相關(guān)。就拿北京來(lái)說(shuō)，先統(tǒng)計(jì)一下歷史上一定時(shí)期之內(nèi)影響到北京的歷次地震，看一下這些地震引起的北京地區(qū)的烈度分別是多少。比如說(shuō)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……然后再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，根據(jù)既定的可靠度目標(biāo)，比如說(shuō)，讓設(shè)防烈度大于這些已經(jīng)發(fā)生過(guò)的地震烈度的90%，繼而確定出一個(gè)設(shè)防烈度。換句話說(shuō)，這種情況下，所有可能發(fā)生的地震里，我能保證有90%的實(shí)際地震烈度都小于我的這個(gè)設(shè)防烈度。
現(xiàn)在的抗震規(guī)范，采用的是 50 年內(nèi)超越概率為 10% 的地震烈度作為抗震設(shè)防烈度。也就是說(shuō)，50年之內(nèi)，發(fā)生比這個(gè)設(shè)防烈度還大的地震烈度的可能性是10%。折算下來(lái)，也就是俗稱的「475年一遇」。
什么意思呢？475年一遇的地震，今年發(fā)生的概率是475分之一，也就是0.211%，今年不發(fā)生的概率是1減去0.211%，也就是99.789%。50年之內(nèi)都不發(fā)生這樣的地震，這個(gè)概率是 99.789% 的 50次方，也就是90%。而50年之內(nèi)發(fā)生這樣的地震的概率，則是 1 減去 90%，等于 10%。
也就是說(shuō)，我們的目標(biāo)是 475 年一遇的地震。100年一遇的地震，小意思，都在我們的設(shè)防范圍之內(nèi)，也就是俗稱的「小震不壞」；500年一遇的地震，剛剛好跟我們的設(shè)防目標(biāo)差不多，次要結(jié)構(gòu)可能會(huì)有小范圍破壞，但是主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的破壞，也就是俗稱的「中震可修」；1000年一遇的地震，已經(jīng)超過(guò)了我們的設(shè)防目標(biāo)，但是盡量通過(guò)合理的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)足夠的延性和塑性變形能力，爭(zhēng)取做到房子雖然變形很大，但不會(huì)整體垮塌，保證逃生通道和逃生時(shí)間，這也就是俗稱的「大震不倒」。
四 、抗震等級(jí)
抗震等級(jí)是建筑結(jié)構(gòu)的屬性。比如說(shuō)，這棟樓的抗震等級(jí)是一級(jí)，那棟樓的抗震等級(jí)是二級(jí)?？拐鸬燃?jí)也可以在局部調(diào)整，比如這棟樓的抗震等級(jí)是三級(jí)，但是某一層或者某一個(gè)柱子的抗震等級(jí)是二級(jí)。
抗震等級(jí)當(dāng)然跟抗震能力相關(guān)，但并不是說(shuō)一級(jí)的就一定比二級(jí)的好。舉個(gè)類似的例子，汽車的碰撞試驗(yàn)，有五星的，也有三星的，但是并不是說(shuō)五星的就一定比三星的更好。一個(gè)五星的微型車，跟一個(gè)三星的大皮卡相比，孰高孰低還很難說(shuō)。
抗震等級(jí)也是如此，它取決于抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度。對(duì)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以參見(jiàn)抗震規(guī)范里的這張表格。
比如說(shuō)，上海的一棟高層住宅樓，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為100米。我們就去查表，上海設(shè)防烈度為7度，抗震墻結(jié)構(gòu)高度大于80米，所以是二級(jí)。再比如說(shuō)，濟(jì)南的一棟高層寫字樓，框架核心筒。我們繼續(xù)查表，濟(jì)南是6度區(qū)，所以框架核心筒的框架部分是三級(jí)，核心筒部分是二級(jí)。
注意到，我們說(shuō)這張表適用于「普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)」，也就是所謂的「丙類建筑」。目前的抗震規(guī)范，已經(jīng)把中小學(xué)校舍提高到了「乙類建筑」。換言之，醫(yī)院、中小學(xué)校舍等等非常重要的建筑物，需要在這張表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，一般是查表的時(shí)候提高一個(gè)烈度。
比如說(shuō)，以上海為例，同樣是小于24米的框架結(jié)構(gòu)，如果是菜市場(chǎng)，那就按7度查表，也就是三級(jí)，如果是小學(xué)教學(xué)樓，那就要按7+1=8度查表，抗震等級(jí)為二級(jí)。也就是說(shuō)，同一個(gè)地區(qū)、同一個(gè)結(jié)構(gòu)類型、差不多高度的建筑物，中小學(xué)、醫(yī)院等等通常要比菜市場(chǎng)、普通辦公樓、住宅樓高一個(gè)抗震等級(jí)。
抗震等級(jí)有什么用呢？主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各種內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施上。
比如一級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，最小配筋率需要到達(dá)1.1%，而四級(jí)的角柱，最小配筋率達(dá)到0.7%就可以了。也就是說(shuō)，在計(jì)算允許的前提下，抗震等級(jí)低的結(jié)構(gòu)可以用更少的鋼筋。
再比如說(shuō)，一級(jí)和二級(jí)框架結(jié)構(gòu)的角柱，箍筋必須全高加密，而三級(jí)和四級(jí)的角柱就不需要特殊處理。
五 、總結(jié)
地震震級(jí)是地震的屬性，一次地震只有一個(gè)震級(jí)。
地震烈度是地震對(duì)某個(gè)地區(qū)的影響，震中高，越往外越低。震中烈度和震級(jí)有關(guān)。
設(shè)防烈度可以簡(jiǎn)單理解成某個(gè)地區(qū)475年內(nèi)所能發(fā)生的最強(qiáng)烈的地震烈度。如果實(shí)際發(fā)生的地震引起的烈度不大于設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該要做到不發(fā)生永久性的、不可修復(fù)的的破壞。
抗震等級(jí)是建筑物的屬性，越重要、越容易受地震襲擊、越需要保護(hù)的建筑物，抗震等級(jí)越高，對(duì)抗震能力的要求也越高。
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