建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)概述

    地震災(zāi)害和洪水、颶風(fēng)等一樣，是一種較為常見的自然災(zāi)害。全世界范圍幾乎每天都會(huì)發(fā)生大大小小很多次地震，雖然它們中的大部分強(qiáng)度低于人類的感覺。

    當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，震源斷裂產(chǎn)生的能量以波的形式以地殼為傳播介質(zhì)向四周傳播，包括縱波、橫波和面波。對(duì)于震級(jí)較高的地震，地震波甚至可以圍繞地球傳播數(shù)圈，甚至能一定程度上影響到地球的自轉(zhuǎn)周期?？v波的波動(dòng)方向與傳播方向一致，是壓縮波，速度最快；橫波的波動(dòng)方向與傳播方向垂直，是剪切波，速度次之；而面波則是沿著地表呈翻滾狀傳播的波，雖然跟在最后，但是對(duì)建筑物的破壞卻最大。

    地殼包括力學(xué)性質(zhì)迥異的各種巖石，此外，還有地表水、地下水、石油等液體，還包括斷層、透鏡體等界面，是復(fù)雜的非均質(zhì)多相介質(zhì)，地震波在傳播的過程中，會(huì)與作為傳播介質(zhì)的地殼發(fā)生反射、折射、衰減等復(fù)雜的作用，振幅和卓越頻率也隨場(chǎng)地的不同而不同。不同彈性模量的介質(zhì)會(huì)有選擇地放大不同頻率的波段，相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，從而改變地震波的卓越周期。此外，堅(jiān)硬的巖石上，振幅會(huì)較小，而深厚、松軟的土層上，振幅會(huì)較大。

    日本位于亞歐板塊和太平洋板塊的交界處，屬于著名的環(huán)太平洋火山帶，地震和火山活動(dòng)十分頻繁。日本早在19世紀(jì)末期即已開始震災(zāi)預(yù)防研究。20世紀(jì)初，日本學(xué)者大森房吉認(rèn)為水平最大加速度是造成地震破壞的重要因素，并提出近似分析地震動(dòng)影響的靜力計(jì)算法。

    靜力法假定整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛體隨地面做剛體平移運(yùn)動(dòng)——即在地震作用下只隨地面運(yùn)動(dòng)，其本身相對(duì)地面沒有變形。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，則結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的最大地震作用力即為該部分質(zhì)量與地面運(yùn)動(dòng)最大加速度的乘積。該方法概念清楚，原理簡(jiǎn)單，第一次將力學(xué)理論引進(jìn)到建筑抗震中，具有劃時(shí)代的意義。

    但是靜力法對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)為剛性這一假設(shè)，對(duì)于高度較低剛性較大的房子，基本符合實(shí)際，但是對(duì)于呈高聳狀的煙囪、水塔等柔性結(jié)構(gòu)，則誤差比較大。建筑結(jié)構(gòu)都由材料筑成，所有的材料受力后都會(huì)變形，任何材料其剛度都是有限的。

    建筑物根據(jù)其建筑材料的不同和形狀的不同，其質(zhì)量和剛度大小也不同。因此，不同的建筑物具有不同的自震周期。譬如跨度較小的農(nóng)村單層磚房，其自振周期一般在0.1秒左右，大跨度橋梁、摩天大廈的自振周期能達(dá)到3秒以上。顯然相同的地震對(duì)不同頻率的建筑的作用力是不同的。在地震中，如果某建筑的自振頻率恰好十分接近地震波的卓越頻率（能量較大的頻率成分），相對(duì)其他建筑結(jié)構(gòu)將其遭受更大的地震作用力（共振效應(yīng)）。

    為考慮到建筑自身自振頻率的不同對(duì)地震作用的影響，20世紀(jì)40年代美國(guó)學(xué)者M(jìn).A.Biot首先提出從實(shí)測(cè)記錄中計(jì)算反應(yīng)譜的概念。即將大量實(shí)測(cè)的地面振動(dòng)波分別代入單自由度動(dòng)力反應(yīng)方程，計(jì)算出各自最大彈性地震反應(yīng)——譬如加速度反應(yīng)，從而得出結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期的關(guān)系曲線，再將這些關(guān)系曲線作統(tǒng)計(jì)分析，取一條形狀較為簡(jiǎn)單但是可以基本包絡(luò)這些關(guān)系曲線的曲線，稱為地震計(jì)算反應(yīng)譜。然后按靜力分析法計(jì)算地震反應(yīng)。所以反應(yīng)譜法仍屬于等效靜力法。但由于反應(yīng)譜理論較真實(shí)地考慮了結(jié)構(gòu)振動(dòng)特點(diǎn)，計(jì)算簡(jiǎn)單實(shí)用，因此目前仍是各國(guó)抗震規(guī)范中給出的一種主要抗震分析方法。

    除了按照上述抗震計(jì)算理論，計(jì)算出合理的地震作用，從而設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又合理的建筑外，從很早開始人們就開始探索尋找更合適的結(jié)構(gòu)來減少地震災(zāi)害。

    大家可能都有篩篩子的經(jīng)驗(yàn)——篩子開始動(dòng)起來，黃豆還在原地打轉(zhuǎn)，黃豆上面的雜物幾乎原地不動(dòng)。日本學(xué)者大森房吉?jiǎng)倓偺岢銎潇o力理論后不久，1924年另外一個(gè)日本學(xué)者鬼頭健三郎就提出了基礎(chǔ)隔震的思想：即在整個(gè)建筑的基礎(chǔ)下，放置一個(gè)能滾動(dòng)的軸承或者一種在水平方向剛度很小但是豎直方向又能支撐整個(gè)建筑的重量的裝置。直到1978年，美國(guó)學(xué)者Kelly和Eidinger 提出并實(shí)現(xiàn)了疊層橡膠支座的方法和技術(shù)后，這種新的抗震技術(shù)開始迅速獲得大量推廣和應(yīng)用。并在歷次實(shí)際地震中表現(xiàn)了良好的效果。我國(guó)廣州大學(xué)周福霖院士及其科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在這一領(lǐng)域辛勤探索，取得了一定的成就。目前基于這一原理，已經(jīng)發(fā)展起了夾層橡膠墊隔震、鉛芯橡膠墊隔震、滑動(dòng)摩擦隔震、滾動(dòng)隔震層、支承式擺動(dòng)隔震、滾軸隔震等各種新的抗震技術(shù)。

    世界各地已經(jīng)建設(shè)了大量采用隔震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)。其中有不少經(jīng)歷過了實(shí)際地震的考驗(yàn)。1995年日本神戶發(fā)生里氏7.2級(jí)的大地震。這棟試驗(yàn)性的隔震建筑是一棟3層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置了8個(gè)高阻尼疊層橡膠隔震支座。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地震時(shí)，該建筑所在場(chǎng)地的峰值加速度達(dá)到0.273G，但是該隔震建筑的頂層加速度也只有0.273G，基本沒有放大。與此形成對(duì)照的是：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的隔震建筑相鄰位置，還有一棟沒有設(shè)置隔震基礎(chǔ)的三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)小樓作為對(duì)照，該小樓的頂層加速度被放大到了0.965G，地震過后，設(shè)置隔震基礎(chǔ)的這個(gè)小樓安然無恙，而未設(shè)置隔震層的這個(gè)小樓產(chǎn)生了不少裂縫。

    1994年洛杉磯6.7級(jí)地震，31座醫(yī)院嚴(yán)重破壞，9座醫(yī)院局部破壞而疏散，南加州大學(xué)醫(yī)院為地下1層，地上7層的隔震結(jié)構(gòu)，地震中絲毫未損，沒有一個(gè)花瓶摔下，醫(yī)院周圍建筑物普遍嚴(yán)重破壞，醫(yī)院屋內(nèi)人員竟然未意識(shí)到發(fā)生了強(qiáng)烈地震，各種設(shè)備未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為救災(zāi)中心，對(duì)震后緊急救援起到了十分重要的作用。

    我國(guó)西昌市國(guó)稅局宿舍樓有六層，采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)。1996年，云南麗江發(fā)生7級(jí)強(qiáng)烈地震，在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動(dòng)。而相鄰的一幢常規(guī)抗震樓只有四層高，樓上居住的人搖晃十分厲害，驚慌失措往外逃跑。

    地震對(duì)建筑的作用是個(gè)十分復(fù)雜的過程，人們對(duì)其的認(rèn)識(shí)也在不斷深入。除了從力的平衡的角度以外，還可以從能量平衡的角度出發(fā)。地震釋放出了很大的能量，然后通過地震波傳遞到建筑結(jié)構(gòu)中。在任何一個(gè)瞬間，輸入結(jié)構(gòu)的能量等于結(jié)構(gòu)的動(dòng)能、勢(shì)能以及結(jié)構(gòu)中耗散的能量之和。而勢(shì)能與建筑的變形密切相關(guān)，建筑在變形、破壞的過程中，會(huì)耗散能量。地震波輸入的大量能量在結(jié)構(gòu)中耗散，造成了結(jié)構(gòu)的破壞，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

    在日本的新瀉地震后，工程師們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，磚石結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重，而鋼結(jié)構(gòu)建筑的震災(zāi)卻較小，這得益于鋼結(jié)構(gòu)較好的延性。所謂延性，是指當(dāng)力超過結(jié)構(gòu)的承受能力以后，結(jié)構(gòu)并不會(huì)忽然斷裂，而是發(fā)生較大的變形。[next]

    在變形的過程中，吸收并耗散了外界輸入的能量，從而保障結(jié)構(gòu)物內(nèi)的人員生命安全。因此，工程師們?cè)O(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，不僅僅考慮到承載力，還要在構(gòu)造上考慮結(jié)構(gòu)的延性和整體性，防止建筑在地震來臨的瞬間就發(fā)生毀滅性的完全倒塌。預(yù)制板中普遍采用經(jīng)過冷拔處理的鋼絲，雖然可以提高鋼絲的強(qiáng)度從而節(jié)省材料，但是卻降低了鋼絲的延性。此外，采用預(yù)制板的建筑，其整體性遠(yuǎn)低于現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。吸取唐山大地震的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)在90年代部分地區(qū)就明文禁止了不得采用預(yù)制板。在建筑抗震規(guī)范上，也對(duì)采用預(yù)制板的多層砌體房屋結(jié)構(gòu)的抗震措施提出了一系列具體的技術(shù)要求。這些都是為了防止建筑物在地震中發(fā)生突然的脆性破壞從而傷害群眾人參安全而設(shè)置的。

    如果能引入一種具有良好延性的裝置，其能夠吸收地震波輸入的能量，使得能量在該裝置中耗散，那么就減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。在上個(gè)世紀(jì)70年代起，美國(guó)的科學(xué)家們率先提出在結(jié)構(gòu)中設(shè)置軟鋼屈服耗能器。我們知道胡克定律：彈簧兩端的力與其變形成正比。但是當(dāng)力超過彈簧的承載能力以后，彈簧卻無法回到原位，這稱為塑性變形。塑性變形過程可以吸收大量的能量。當(dāng)我們沒有鉗子但是卻想截?cái)嘁桓骤F絲的時(shí)候，我們往往在一個(gè)點(diǎn)往返反復(fù)折它，最后我們可以看到鐵絲在那一點(diǎn)處變長(zhǎng)了，變細(xì)了，同時(shí)釋放出了很多熱量。這就是塑性變形的一個(gè)典型例子。所謂軟鋼，就是一種承載能力比較低的鋼，這樣，它可以在結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件還可以承受地震力的時(shí)候，已經(jīng)率先發(fā)生塑性變形，將地震輸入的能量耗散，從而保護(hù)了建筑結(jié)構(gòu)。這是建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展。

    此后，在世界范圍掀起一股研究耗能減震技術(shù)的高潮，各種新的裝置如同雨后春筍一般被發(fā)明出來，并不斷被應(yīng)用到工程實(shí)際中去。我國(guó)的學(xué)者們，也投入了這一領(lǐng)域的研究工作。沈陽市政府大樓、北京飯店等一大批國(guó)內(nèi)具有代表性的工程也都紛紛采用了耗能減震技術(shù)。特別是對(duì)于已經(jīng)有的建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣饘W(xué)家們認(rèn)為某個(gè)地區(qū)發(fā)生破壞性地震的可能性可能比預(yù)先認(rèn)為的大的時(shí)候，原先設(shè)計(jì)建造的建筑結(jié)構(gòu)可能就不在滿足抗震的要求。這個(gè)時(shí)候，把整個(gè)建筑拆除重建，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。但是，又無法直接增加受力構(gòu)件來抵抗地震作用，怎么辦？這個(gè)時(shí)候，耗能減震技術(shù)就可以大顯身手。在原有建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形比較大的部位安裝上耗能減震的裝置，可以既提高建筑的抗震能力，又能把對(duì)原有建筑的影響減少到最小，甚至施工過程都不影響原建筑的繼續(xù)使用。

    除了上面介紹的利用金屬的塑性變形來耗能外，還有各種其他的耗能方法。

    譬如利用干摩擦耗能的摩擦耗能器，利用粘性液體的粘滯液體阻尼器等等。我們知道現(xiàn)在比較高檔的自行車上都安裝了3個(gè)粘滯液體阻尼器，來耗散不平整的路面輸入到自行車上的能量，從而使得騎車更加舒適。對(duì)于大跨度的斜拉橋等結(jié)構(gòu)，往往采用半漂浮體系，計(jì)算表明，當(dāng)大的地震來臨后，橋梁的主梁位移很大。以前工程師們?cè)诹汉退g安裝一個(gè)擋塊來防止梁過大的位移，現(xiàn)在，大噸位的液體粘滯阻尼器可以更好地勝任這一工作。斜拉橋的斜拉索在較大的風(fēng)速特別是風(fēng)雨聯(lián)合作用下，可能會(huì)發(fā)生較大幅度的振動(dòng)，對(duì)行車舒適度和橋梁安全造成一定的影響。安裝在索端的液體粘滯阻尼器可以有效地降低斜拉索的振動(dòng)。世界上很多大型橋梁都采用了這一新技術(shù)，我國(guó)的長(zhǎng)江三橋、杭州灣跨海大橋等現(xiàn)代化橋梁上，也都安裝了一定數(shù)量的液體粘滯阻尼器。目前我國(guó)很多高校、科研院所在此領(lǐng)域做了一定的研究工作，但是，現(xiàn)在我國(guó)尚不具備高噸位液體粘滯阻尼器的生產(chǎn)能力和試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

    墨西哥市長(zhǎng)大樓塔樓高225米，共59層，2003年1月21日墨西哥地震7.6 級(jí)地震，引起墨西哥城大面積振動(dòng)，造成2700個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌或嚴(yán)重破壞、13000座結(jié)構(gòu)遭到破壞，但墨西哥市長(zhǎng)大樓沒有檢測(cè)到明顯的震害。

    除了從能量的角度外，還可以從建筑結(jié)構(gòu)自身的相對(duì)振動(dòng)入手。理論研究發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)結(jié)構(gòu)，最上面自由度的自振頻率與結(jié)構(gòu)基底的正弦波的頻率完全一致的話，則最上面一個(gè)自由度的振幅會(huì)大幅度增加，而結(jié)構(gòu)的其他部分的振幅則因此而減小。人們利用這種特殊的“吸振器”，研制出調(diào)諧質(zhì)量阻尼器：在高層建筑的頂層設(shè)置一個(gè)與建筑的第一階自振頻率相同的吸振器來吸收外界環(huán)境輸入到建筑結(jié)構(gòu)中的能量，并將其在吸振器內(nèi)耗散。這一吸振器可以是一個(gè)由彈簧和質(zhì)量塊組成的振動(dòng)系統(tǒng)，也可以是一個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)的特殊的水箱。目前世界上已經(jīng)有很多高層和超高層建筑采用了這一技術(shù)，我國(guó)的南京電視塔是較早采用這一技術(shù)的電視塔之一。但目前工程界仍然對(duì)將一個(gè)相當(dāng)于整個(gè)建筑質(zhì)量的1％左右的重物放到數(shù)百米高空對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性是否是一個(gè)最優(yōu)的解決方式存在分歧。

    隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)相互融合，急速地改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

    主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制等新概念、新技術(shù)也迅速地被應(yīng)用到土木工程抗震中來。

    人們利用磁流變液、電流變液、壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等智能材料，嘗試設(shè)計(jì)智能建筑結(jié)構(gòu)，使得在各種惡劣外界作用下，建筑結(jié)構(gòu)能保持最佳的性能。美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)有少數(shù)工程采用了這些新技術(shù)?？茖W(xué)家們正在孜孜不倦地進(jìn)行研究，我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)诘卣馂?zāi)害面前，將可以更好地保護(hù)自己。