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《土木工程灾害学》结合近年来国内外在防灾减灾领域中的最新研究进展与工程应用，将土木工程学科涉及的地震灾害、火灾、风灾、洪灾、地质灾害的防灾减灾工作与灾害学的基本原理相结合，为读者系统介绍各种灾害的成因及致灾机理、结构受灾模拟分析与评估方法、防治措施等。《土木工程灾害学》共10章。第1章为灾害学概论，主要介绍了灾害学的基本概念、灾害对人类社会的危害、现阶段国内外防灾减灾的研究现状等内容。后续主体内容分为两大部分。第一部分为地震灾害，共包括五章（第2～6章），阐述了地震基本概念、地震破坏作用及工程地质条件对震害的影响，并侧重介绍了结构地震反应分析方法及相关软件、结构震害防治技术、不同大气环境作用下多龄期建筑结构震害模拟及地震灾害风险预测与损失评估。第二部分为其他灾害，共包括四章（第7～10章），系统介绍了火灾、风灾及洪灾的基本概念与成因、危害及防治措施、结构受灾模拟分析方法和工程案例，以及滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地面塌陷等地质灾害的形成机理、监测预报与防治措施。
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目录前言第1章 灾害学概论 11.1 灾害的含义、类型及分级 11.1.1 灾害的含义 11.1.2 灾害的类型 21.1.3 灾害的分级 41.2 灾害对人类社会的危害 51.2.1 我国历史上的重大灾害 51.2.2 灾害对人类社会的影响 91.3 防灾减灾工程学的发展及国内外研究现状 111.3.1 防灾减灾工程学的发展 111.3.2 国内外研究现状 131.4 土木工程防灾减灾学 151.4.1 学科的发展与建设 151.4.2 学科研究内容 16思考题 21参考文献 21第2章 地震与震害 222.1 地震类型与成因 232.1.1 地震类型 232.1.2 地震成因 242.2 地震波、地震震级及地震烈度 252.2.1 地震波 252.2.2 地震震级 282.2.3 地震烈度 282.3 地震活动概况及其分布 342.3.1 世界地震活动 342.3.2 中国地震活动 352.3.3 中国地震烈度区划图 36vi 土木工程灾害学2.4 地震的破坏作用 372.4.1 地震作用和地震破坏作用的特点 372.4.2 地表破坏 382.4.3 工程结构破坏 392.4.4 地震次生灾害 462.5 工程地质条件对震害的影响 492.5.1 局部地形的影响 492.5.2 发震断裂带的地震影响 50思考题 51参考文献 51第3章 结构地震反应分析方法及相关软件 533.1 常规分析方法 533.1.1 静力法 533.1.2 反应谱法 543.1.3 时程分析法 553.2 非线性静力Pushover分析方法 733.3 增量动力分析方法 743.4 结构地震反应分析相关软件介绍 753.4.1 ANSYS软件 753.4.2 ETABS软件 773.4.3 OpenSees软件 803.4.4 ABAQUS软件 813.4.5 PERFORM-3D软件 823.4.6 SeismoStruct软件 843.4.7 MSC.MARC软件 85思考题 86参考文献 86第4章 结构震害防治技术 884.1 新建结构抗震技术 884.1.1 结构隔震技术 884.1.2 结构消能减震技术 924.1.3 摇摆结构技术 964.1.4 自复位结构技术 994.1.5 带可更换构件(或部件)结构技术 1024.2 既有结构抗震加固技术 1044.2.1 传统加固技术 1044.2.2 新型加固技术 115思考题 119参考文献 120第5章 不同大气环境作用下多龄期建筑结构震害模拟 1225.1 一般大气环境下建筑结构抗震性能分析 1225.1.1 建筑结构损伤机理及抗震性能退化规律 1225.1.2 建筑结构破坏状态划分标准 1365.1.3 建筑材料耐久性损伤预测模型 1425.2 近海大气环境下建筑结构抗震性能分析 1465.2.1 建筑结构耐久性损伤机理及抗震性能退化规律 1465.2.2 建筑结构破坏状态划分标准 1485.2.3 建筑材料耐久性损伤预测模型 1505.3 冻融大气环境下建筑结构抗震性能分析 1515.3.1 建筑结构冻融损伤机理及抗震性能退化规律 1515.3.2 建筑结构破坏状态划分标准 1545.3.3 建筑材料耐久性损伤预测模型 1565.4 结构地震破坏混合多尺度数值建模方法 1585.4.1 宏观模型 1585.4.2 细观模型 1655.4.3 混合单元多尺度模型 168思考题 169参考文献 170第6章 地震灾害风险预测与损失评估 1756.1 地震灾害风险预测与损失评估理论方法 1756.1.1 地震危险性分析 1756.1.2 结构地震易损性分析 1826.1.3 地震灾害经济损失评估 1886.1.4 人员伤亡损失评估 1926.1.5 建筑加固效益与决策分析 1956.1.6 地震保险费率厘定 1996.1.7 震后庇护物需求分析 2086.2 地震灾害风险预测与损失评估软件介绍 2136.2.1 国外震害风险预测与损失评估软件 2136.2.2 国内震害风险预测与损失评估软件 2156.2.3 中国地震灾害风险预测与损失评估系统 2196.3 基于大数据与智慧化应用技术的城市基础信息成套采录技术 2216.3.1 城市基础信息采集系统 2216.3.2 多源异构数据融合采集方法 2236.3.3 多维交互可视化数据库平台 223思考题 224参考文献 224第7章 火灾灾害及其防治技术 2297.1 火灾基本知识 2297.1.1 概述及分类 2297.1.2 火灾危害 2307.1.3 防火经验及措施 2317.2 高温下建筑材料的力学性能 2337.2.1 混凝土 2337.2.2 钢筋 2377.3 高温下建筑结构构件的力学性能 2407.3.1 钢筋混凝土结构 2407.3.2 钢结构 2417.4 火灾后钢筋混凝土构件与结构的抗震性能 2427.4.1 钢筋混凝土框架梁 2437.4.2 钢筋混凝土框架柱 2447.4.3 钢筋混凝土框架节点 2477.4.4 钢筋混凝土剪力墙 2487.4.5 钢筋混凝土框架结构 2497.5 建筑结构火灾灾变模拟 2497.5.1 建筑结构火灾的发展过程 2507.5.2 火灾模型 2517.5.3 常用火灾模拟软件介绍 2527.6 火灾后建筑结构损伤鉴定 2537.6.1 火灾温度判定 2537.6.2 火灾后建筑结构实体检测 2557.6.3 火灾后建筑结构损伤程度分析 2577.6.4 火灾后建筑结构损伤等级判定 257思考题 259参考文献 259第8章 风灾灾害及其防治技术 2638.1 风灾基本知识 2638.1.1 概述及分类 2638.1.2 风力等级划分 2698.1.3 地面粗糙类别划分 2708.2 风灾对工程结构的影响 2718.2.1 低矮建筑风灾破坏特征 2718.2.2 高层建筑风灾破坏特征 2728.2.3 高耸结构风灾破坏特征 2728.2.4 大跨结构风灾破坏特征 2738.2.5 风灾带来的其他破坏 2748.3 风振控制与防风减灾措施 2768.3.1 风振控制概述 2768.3.2 风振控制的基本原理 2798.3.3 风振控制的分析方法 2808.3.4 防风减灾措施 2848.4 工程结构风灾破坏性预测方法 2868.4.1 低矮建筑 2868.4.2 高层建筑 2888.4.3 高耸结构 2898.4.4 大跨度结构 2908.5 风荷载作用下工程结构灾变数值模拟分析 2918.5.1 结构上的静力风荷载 2928.5.2 结构上的脉动风荷载 2978.5.3 结构上的尾流旋涡干扰 2988.5.4 案例分析 303思考题 303参考文献 304第9章 洪水灾害及其防治技术 3079.1 洪水灾害的基本知识 3079.1.1 洪水的成因及特点 3079.1.2 洪水的类型 3119.2 水文分析与设计洪水 3129.2.1 水文基础知识 3129.2.2 水文统计 3139.2.3 设计洪水 3159.3 洪水灾害的危害 3179.3.1 对交通运输的危害 3179.3.2 对防洪工程的危害 3189.3.3 对城市和工业的危害 3189.4 洪水灾害的防治措施 3199.4.1 防洪工程措施 3199.4.2 防洪非工程措施 3219.5 防洪工程设计 3229.5.1 堤防工程的防洪设计原则和设计标准 3229.5.2 堤防工程设计 3249.6 洪水作用下建(构)筑物结构灾变数值模拟分析 3289.6.1 洪水冲击作用形式 3289.6.2 洪水对建筑结构作用力计算 3299.6.3 案例分析 334思考题 336参考文献 336第10章 地质灾害及其防治技术 33810.1 地质灾害概述 33810.2 滑坡 34010.2.1 概述及分类 34010.2.2 滑坡的形成与发育 34110.2.3 滑坡监测 34410.2.4 滑坡防治原则与措施 34510.3 崩塌 34610.3.1 概述及分类 34610.3.2 崩塌的形成 34710.3.3 崩塌监测 34810.3.4 崩塌防治原则与措施 34910.4 泥石流 35010.4.1 概述及分类 35010.4.2 泥石流的形成 35210.4.3 泥石流监测预报 35310.4.4 泥石流防治原则与措施 35510.5 地面沉降 35610.5.1 概述及分类 35610.5.2 地面沉降的形成 35710.5.3 地面沉降监测 35910.5.4 地面沉降防治原则与措施 36010.6 地面塌陷 36010.6.1 概述及分类 36010.6.2 岩溶地面塌陷的形成 36110.6.3 岩溶地面塌陷监测 36310.6.4 岩溶地面塌陷防治原则与措施 36510.7 地裂缝 36510.7.1 概述及分类 36510.7.2 地裂缝的形成 36610.7.3 地裂缝灾害预测 36810.7.4 地裂缝防治原则与措施 368思考题 370参考文献 370
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第1章灾害学概论 1.1灾害的含义、类型及分级 1.1.1灾害的含义 现代灾害学根据灾害的特征，将灾害定义为：由于自然变异、人为因素或自然变异与人为因素相结合而引发的对人类生命、财产和人类生存发展环境造成破坏损失的现象或过程[1]。这个定义表明：①产生灾害的原因可能是内因或外因，也可能是内因和外因的共同作用。例如，沙尘暴灾害，内因是植被破坏、土地沙化，外因是干旱大风，二者共同作用便产生沙尘暴。②作用对象必须是社会生态系统，即造成的损害主要针对人类生命、财产或生态环境而言，如果作用对象不是社会生态系统，则不能称之为灾害。例如，在人类还未开发火星的情况下，火星上的火山爆发就不能称之为灾害，只能说是自然变异。③灾害的发生是由于社会生态系统的结构、功能遭到破坏，并超出了系统自身修复能力，给人类生命、财产和人类生存发展环境造成损失。④灾害既是一种现象，也是一个过程。从现代灾害学对灾害的定义可以看出，自然因素和人为因素是灾害产生的两大主要原因。通常将以自然变异为主因产生的灾害称为自然灾害，如地震、风暴潮；将以人为影响为主因产生的灾害称为人为灾害，如人为火灾、交通事故、环境污染等。灾害的过程往往是很复杂的，有时候一种灾害可由几种灾因引起，或者一种灾因会同时引起好几种不同的灾害。这时，灾害类型就要根据起主导作用的灾因及其主要的表现形式来确定。 灾害对人类造成的影响有可复原和不可复原之分。例如，城市火灾的影响是短期和容易修复的，但森林火灾、大型滑坡或泥石流等灾害的影响往往是难以复原的，它们将会对区域性的社会和经济发展长期产生负面作用。另外，当强烈地震造成重大人员伤亡或财产损失后，应急救援和灾后重建将涉及政府政策和组织管理、民众生理和心理创伤医治等众多社会问题。因此，随着人类社会的不断进步，除上述人员伤亡和物质损失因素外，人们在评判灾害时已经开始纳入它对国家政治、社会心理以及人际关系等方面的影响。 基于灾害的定义，其一般性特征可以概括阐述为： (1)危害性。既然是灾害，它就必然会对人类生命、财产以及赖以生存的其他环境和条件产生严重的危害，其程度往往又是社区或地区难以承受而需要向外界求援的。 (2)突发性和永久性。绝大部分灾害是在短暂的时间里发生的，有些仅在几秒钟内就可能造成惨重损失，如地震、泥石流、爆炸等。目前，每年因交通事故造成的死亡人数较大，但它是不同地点和时间所发生事故的累加结果，不具有突发性特征，因而各地政府一般不将其列为灾害。另外，许多种类的灾害是由自然界的运动变化造成的，如地震、台风和洪水等。 (3)频繁性和不重复性。各种灾害都按照自身的规律频繁发生，相互间又可交织诱发。虽然地震、洪水和台风等部分灾害的发生具有一定的周期性或准周期性(灾变期)，如我国长江流域大水具有与太阳黑子活动相关的周期性，台风活跃期在每年的夏季等，但这些灾害又不会那么准确地按周期重复发生。目前还很难准确地预测地震、洪水、龙卷风等灾害的爆发时间、地点和能量大小。 (4)广泛性和区域性。各种灾害的分布十分广泛，几乎遍及地球每个角落。但是，在世界上不同的地区，由于自然环境、人类活动、经济基础和社会政治等方面存在着差别，灾害的类型、特性及其产生的影响将会有所不同。 1.1.2灾害的类型 灾害分类是一个复杂的问题，目前存在多种方法对灾害进行分类。 1)自然灾害和人为灾害 纵观人类的历史可以看出，灾害的发生原因主要有自然变异和人为影响。目前，人们通常将以自然变异为主因产生的灾害称为自然灾害，如地震、台风等；而将主要由人为影响造成的灾害称为人为灾害，如由违章操作引起的火灾、偷工减料或不当使用造成的建筑坍塌等。另外，自然变异和人为影响之间的相互作用也会引发灾害，其中由自然变异引起的但表现为人为灾害的称为自然人为灾害，如大洪水过后病疫蔓延成灾；而由人为影响产生的但表现为自然灾害的称为人为自然灾害，如由开山建房或修路不当引起的滑坡、开采地下水过量引起的地面沉陷等。 当然，灾害的发生过程往往是很复杂的，其中一种灾害可由几种灾害引起，而一种灾害也可能同时或先后引起多种灾害。对于许多灾害，特别是大灾的发生，常常会诱发出一连串的其他灾害，这种现象称为灾害连发性或灾害链。例如，某加油站的邻近建筑内发生人为火灾，而消防队又未能及时有效地控制住大火的蔓延，使得加油站储油容器发生猛烈爆炸，大火→爆炸便形成了一个人为灾害链。又如，1960年5月22日，智利接连发生了7.7级、7.8级、9.5级三次大地震，在瑞尼赫湖区引起了300万m3、600万m3和3000万m3的三次大滑坡；滑坡进入瑞尼赫湖后，致使湖水上涨24m并造成外溢，洪水导致湖东65km处的瓦尔迪维亚市水深达2m，使100万人无家可归。在这个致灾过程中，地震→滑坡→洪水则构成了一个自然灾害链。另外，这次地震还引起了巨大的海啸，在智利附近的海面上，海浪高达30m，且以600～700km/h的速度扫过太平洋，抵达日本海岸时仍高达3～4m，20000多亩良田被海水淹没、盐碱化，并产生了严重的人员伤亡，15万人无家可归，港口机械，渔船被卷至内陆数百米处，直接经济损失达数亿美元。2004年12月26日，印度尼西亚近海发生里氏9级左右的强烈地震，数小时后引发的海啸使东南亚多个国家遭受了巨大的损失，其中死亡人数超过20万。可见，强烈地震→海啸→洪水构成了另一个灾害链。 上述类型的灾害链具有直接的因果关系。还有一些接连发生的灾害，虽无直接的因果关系，但它们在成因上同源或在空间分布上同地，也有人称之为灾害链。如在太阳活动高峰期内，洪涝、旱灾、地震、矿井突水或瓦斯突出等自然灾害会接连发生，由此便构成了并发型的灾害链。 2)原生灾害、次生灾害和衍生灾害 灾害链中*早发生的、起主导作用的灾害称为原生灾害，而由原生灾害诱发的其他灾害统称为次生灾害。例如，在上述实例中，地震为原生灾害，洪水或海啸则为次生灾害。但在许多情况下，在灾害过程或灾害链没有完全弄清之前，划分原生灾害与次生灾害只具有相对意义。例如，在上述智利地震引发的灾害链中，仅从日本的范围来看，海啸是原生灾害，水灾则是次生灾害。 灾害发生之后，在一定时间内，受灾地区人民的生存条件和社会环境遭受了破坏，由此还会出现一系列社会危害，被称为衍生灾害。例如，大地震灾害的发生会使幸存者产生心理疾病，社会秩序混乱并可能出现抢劫等犯罪行为，使人民生命财产再度遭受损失。再如，洪灾之后，地表与浅部淡水极度污染，气温高、空气湿度大，人民生活用水不洁，蚊蝇滋生，从而导致传染性疾病甚至瘟疫的蔓延而加深灾区人民的痛苦。 次生灾害与衍生灾害有时比原生灾害具有更大的社会危害性。因此，防止次生灾害与衍生灾害的发生与蔓延也是防灾减灾的重要内容之一。 3)自然灾害的类型 人类赖以生存的地球表层，包括岩石圈、水圈、大气圈和生物圈，不仅受地球自身运动和变化的影响，还直接受太阳、月球和其他星体的作用和影响。人类就在这种不断地取之于自然又受制于自然的环境中生存和繁衍的。但是，自然界是在不断变化的，太阳对地球辐射能的变化、地球运动状态的改变、地球圈层物质的运动和变化以及人类和生物的活动等因素时常会破坏人类和谐的生存条件，并导致灾害的发生。若以自然灾害发生的原因来划分，我国的自然灾害又可大致分为以下几个子类。 (1)气象灾害：由大气圈变异活动引起。如热带风暴、龙卷风、由气象因素直接引发的水灾(如暴雨、洪水)、旱灾、雹灾、低温冷害、雪灾等。 (2)海洋灾害与海岸灾害：由水圈变异活动引起。如海啸、潮灾、海水入侵、海水回灌等。 (3)地质灾害：由岩石圈变异活动引起。如地震、火山爆发、泥石流、滑坡、地陷、土地沙漠化等。 (4)农、林病虫草灾害：由生物圈变异活动引起。如农作物和森林的病虫害、鼠害、烈性传染病的暴发流行等。 (5)人为自然灾害：由人类活动诱发的自然灾害。 上面列举的灾害成因是就起主导作用的因素而言的。实际上，太阳与其他天体的影响、地球的整体运动与变化以及由各个圈层活动造成的相互影响等对每一个圈层自然灾害的产生都会起到一定的作用。 相对而言，自然灾害形成的时间有长有短，有缓有急。有些自然灾害，当致灾因子的变化超过一定程度时，就会在几天、几小时甚至几秒内表现出灾害行为，像地震、洪水、龙卷风、冰雹等，这类灾害称为突发性自然灾害。旱灾、农作物和森林的病、虫、草害等，虽然一般要在几个月的时间内成灾，但灾害的形成和结束仍然比较快速、明显，所以一般也将它们列为突发性自然灾害。但是，还有一些自然灾害是在致灾因素长期发展的情况下逐渐显现成灾的，如大气温室效应引起的海平面上升、沿海软黏土地区地面下沉、土地沙漠化、水土流失等，这类灾害通常要经过几年或更长时间的发展才显现，故称为缓发性自然灾害。一般来说，突发性自然灾害容易使人措手不及，因而常造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。缓发性自然灾害则影响面大、持续时间长，虽然发展比较缓慢，但若不及时防治，同样也会造成十分巨大的经济损失并引发其他灾害或社会问题。 1.1.3灾害的分级 灾害有大有小，具体级别主要是由两个基本因素决定的：致灾因子变化强度、受灾地区人口和经济密度以及承受灾害的能力。致灾因子变化强度是对致灾因子本身变化程度的度量，如台风的中心风力、地震的震级、暴雨的日降雨量等，但其值的高低并不等同于真正灾害的大小。例如，如果8级强烈地震发生在无人的深山或沙漠地区、中心风力达12级的强热带风暴(台风)或日降雨量超过500mm的暴雨发生在人船稀少的远海，都很难造成人员伤亡和社会经济损失。另外，我国东部发达地区一次5～6级中等地震造成的社会综合损失往往会比西部山区一次8级强烈地震大得多，而沿海地区一次强烈地震造成的损失更为严重，如1976年的唐山地震。 国内外的灾害分级标准尚难统一，因为它涉及一个国家承受灾害的能力和灾情处理的级别及职责划分。我国目前主要依据人员死亡数和经济损失金额，按其值从小到大依次将灾害划分为微灾、小灾、中灾、大灾和巨灾5个等级，具体见表1.1。 在进行灾害等级评估时，其经济损失应包括直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失是指在一次灾害发生过程中由原生灾害与紧随的次生灾害造成的经济损失的总和。例如，在一次强台风侵袭中，在商住建筑、工业厂房倒塌以及农林作物、道路桥梁遭受毁坏的同时，还引起断水、断电和交通中断等，由它们共同造成的经济损失都可看作这场风灾的直接损失。当一次灾害过程基本结束后，由这次灾害引起工农业生产、金融贸易、社会公益和管理等方面的停顿、减缓、失调以及卫生防疫等所造成的损失都可视为间接经济损失。 1.2灾害对人类社会的危害 1.2.1我国历史上的重大灾害 我国幅员辽阔，地理气候条件复杂，是世界上自然灾害*为严重的国家之一。据统计，我国有70%以上的城市、50%以上的人口分布在自然灾害频发的地区。除火山爆发外，洪涝、干旱、蝗灾、台风、地震、滑坡、泥石流、森林草场火灾等危害严重的自然灾害在我国均发生频繁。 夏朝是我国历史上第一个有文献记载及考古证实的王朝，夏、商、周朝历时约1800余年，这个时期的灾害记录主要来自先秦文献。夏朝洪水灾害，因大禹治水而广为人知。相传尧时全国许多地方发生特大洪水，推举鲧来治理水患，鲧采用堤防堵水，花了9年功夫，一事无成。这时，尧已亡，由舜即位，舜见鲧治水无方，便将他流放到羽山去了，而治水的工作由鲧的儿子禹来接替。禹认真总结父亲没有治理好水患的教训，改变策略，采取疏导的方法，使水有了出路，不再泛滥成灾。他指挥大家先从下游开始治理，顺流而上，按照河水流经的山川平原，分而处置。禹工作起来兢兢业业，一心成就大业，忘记了小家，曾3次从家门走过，而未曾踏进家门看望亲人。果然，8年以后，经过禹的疏导，洪水通过新修河道，顺流
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