建筑結構抗震技術概述

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

    當地震發(fā)生后，震源斷裂產生的能量以波的形式以地殼為傳播介質向四周傳播，包括縱波、橫波和面波。對于震級較高的地震，地震波甚至可以圍繞地球傳播數圈，甚至能一定程度上影響到地球的自轉周期?？v波的波動方向與傳播方向一致，是壓縮波，速度最快；橫波的波動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，但是對建筑物的破壞卻最大。

    地殼包括力學性質迥異的各種巖石，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，是復雜的非均質多相介質，地震波在傳播的過程中，會與作為傳播介質的地殼發(fā)生反射、折射、衰減等復雜的作用，振幅和卓越頻率也隨場地的不同而不同。不同彈性模量的介質會有選擇地放大不同頻率的波段，相當于一個帶通濾波器，從而改變地震波的卓越周期。此外，堅硬的巖石上，振幅會較小，而深厚、松軟的土層上，振幅會較大。

    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，地震和火山活動十分頻繁。日本早在19世紀末期即已開始震災預防研究。20世紀初，日本學者大森房吉認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影響的靜力計算法。

    靜力法假定整個建筑結構是一個剛體隨地面做剛體平移運動——即在地震作用下只隨地面運動，其本身相對地面沒有變形。根據牛頓第二運動定律，則結構各個部分的最大地震作用力即為該部分質量與地面運動最大加速度的乘積。該方法概念清楚，原理簡單，第一次將力學理論引進到建筑抗震中，具有劃時代的意義。

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

    建筑物根據其建筑材料的不同和形狀的不同，其質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到3秒以上。顯然相同的地震對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），相對其他建筑結構將其遭受更大的地震作用力（共振效應）。

    為考慮到建筑自身自振頻率的不同對地震作用的影響，20世紀40年代美國學者M.A.Biot首先提出從實測記錄中計算反應譜的概念。即將大量實測的地面振動波分別代入單自由度動力反應方程，計算出各自最大彈性地震反應——譬如加速度反應，從而得出結構最大地震反應與結構自振周期的關系曲線，再將這些關系曲線作統計分析，取一條形狀較為簡單但是可以基本包絡這些關系曲線的曲線，稱為地震計算反應譜。然后按靜力分析法計算地震反應。所以反應譜法仍屬于等效靜力法。但由于反應譜理論較真實地考慮了結構振動特點，計算簡單實用，因此目前仍是各國抗震規(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算理論，計算出合理的地震作用，從而設計出既經濟又合理的建筑外，從很早開始人們就開始探索尋找更合適的結構來減少地震災害。

    大家可能都有篩篩子的經驗——篩子開始動起來，黃豆還在原地打轉，黃豆上面的雜物幾乎原地不動。日本學者大森房吉剛剛提出其靜力理論后不久，1924年另外一個日本學者鬼頭健三郎就提出了基礎隔震的思想：即在整個建筑的基礎下，放置一個能滾動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建筑的重量的裝置。直到1978年，美國學者Kelly和Eidinger 提出并實現了疊層橡膠支座的方法和技術后，這種新的抗震技術開始迅速獲得大量推廣和應用。并在歷次實際地震中表現了良好的效果。我國廣州大學周福霖院士及其科研團隊長期在這一領域辛勤探索，取得了一定的成就。目前基于這一原理，已經發(fā)展起了夾層橡膠墊隔震、鉛芯橡膠墊隔震、滑動摩擦隔震、滾動隔震層、支承式擺動隔震、滾軸隔震等各種新的抗震技術。

    世界各地已經建設了大量采用隔震技術的建筑結構。其中有不少經歷過了實際地震的考驗。1995年日本神戶發(fā)生里氏7.2級的大地震。這棟試驗性的隔震建筑是一棟3層的鋼筋混凝土框架結構?；A與上部結構之間設置了8個高阻尼疊層橡膠隔震支座。監(jiān)測數據顯示，地震時，該建筑所在場地的峰值加速度達到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。與此形成對照的是：在這個實驗性的隔震建筑相鄰位置，還有一棟沒有設置隔震基礎的三層鋼筋混凝土框架結構小樓作為對照，該小樓的頂層加速度被放大到了0.965G，地震過后，設置隔震基礎的這個小樓安然無恙，而未設置隔震層的這個小樓產生了不少裂縫。

    1994年洛杉磯6.7級地震，31座醫(yī)院嚴重破壞，9座醫(yī)院局部破壞而疏散，南加州大學醫(yī)院為地下1層，地上7層的隔震結構，地震中絲毫未損，沒有一個花瓶摔下，醫(yī)院周圍建筑物普遍嚴重破壞，醫(yī)院屋內人員竟然未意識到發(fā)生了強烈地震，各種設備未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為救災中心，對震后緊急救援起到了十分重要的作用。

    我國西昌市國稅局宿舍樓有六層，采用了基礎隔震技術。1996年，云南麗江發(fā)生7級強烈地震，在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動。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。

    地震對建筑的作用是個十分復雜的過程，人們對其的認識也在不斷深入。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構中。在任何一個瞬間，輸入結構的能量等于結構的動能、勢能以及結構中耗散的能量之和。而勢能與建筑的變形密切相關，建筑在變形、破壞的過程中，會耗散能量。地震波輸入的大量能量在結構中耗散，造成了結構的破壞，威脅人們的生命財產安全。

    在日本的新瀉地震后，工程師們調查發(fā)現，磚石結構和混凝土結構損傷較為嚴重，而鋼結構建筑的震災卻較小，這得益于鋼結構較好的延性。所謂延性，是指當力超過結構的承受能力以后，結構并不會忽然斷裂，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，從而保障結構物內的人員生命安全。因此，工程師們設計建筑結構，不僅僅考慮到承載力，還要在構造上考慮結構的延性和整體性，防止建筑在地震來臨的瞬間就發(fā)生毀滅性的完全倒塌。預制板中普遍采用經過冷拔處理的鋼絲，雖然可以提高鋼絲的強度從而節(jié)省材料，但是卻降低了鋼絲的延性。此外，采用預制板的建筑，其整體性遠低于現澆鋼筋混凝土板。吸取唐山大地震的經驗，我國在90年代部分地區(qū)就明文禁止了不得采用預制板。在建筑抗震規(guī)范上，也對采用預制板的多層砌體房屋結構的抗震措施提出了一系列具體的技術要求。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，那么就減輕地震對建筑結構的破壞。在上個世紀70年代起，美國的科學家們率先提出在結構中設置軟鋼屈服耗能器。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。當我們沒有鉗子但是卻想截斷一根粗鐵絲的時候，我們往往在一個點往返反復折它，最后我們可以看到鐵絲在那一點處變長了，變細了，同時釋放出了很多熱量。這就是塑性變形的一個典型例子。所謂軟鋼，就是一種承載能力比較低的鋼，這樣，它可以在結構承力構件還可以承受地震力的時候，已經率先發(fā)生塑性變形，將地震輸入的能量耗散，從而保護了建筑結構。這是建筑結構延性設計的一個重要發(fā)展。

    此后，在世界范圍掀起一股研究耗能減震技術的高潮，各種新的裝置如同雨后春筍一般被發(fā)明出來，并不斷被應用到工程實際中去。我國的學者們，也投入了這一領域的研究工作。沈陽市政府大樓、北京飯店等一大批國內具有代表性的工程也都紛紛采用了耗能減震技術。特別是對于已經有的建筑結構，當地震學家們認為某個地區(qū)發(fā)生破壞性地震的可能性可能比預先認為的大的時候，原先設計建造的建筑結構可能就不在滿足抗震的要求。這個時候，把整個建筑拆除重建，顯然是不經濟的。但是，又無法直接增加受力構件來抵抗地震作用，怎么辦？這個時候，耗能減震技術就可以大顯身手。在原有建筑結構的相對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。我們知道現在比較高檔的自行車上都安裝了3個粘滯液體阻尼器，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。對于大跨度的斜拉橋等結構，往往采用半漂浮體系，計算表明，當大的地震來臨后，橋梁的主梁位移很大。以前工程師們在梁和塔之間安裝一個擋塊來防止梁過大的位移，現在，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速特別是風雨聯合作用下，可能會發(fā)生較大幅度的振動，對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。世界上很多大型橋梁都采用了這一新技術，我國的長江三橋、杭州灣跨海大橋等現代化橋梁上，也都安裝了一定數量的液體粘滯阻尼器。目前我國很多高校、科研院所在此領域做了一定的研究工作，但是，現在我國尚不具備高噸位液體粘滯阻尼器的生產能力和試驗能力。

    墨西哥市長大樓塔樓高225米，共59層，2003年1月21日墨西哥地震7.6 級地震，引起墨西哥城大面積振動，造成2700個結構倒塌或嚴重破壞、13000座結構遭到破壞，但墨西哥市長大樓沒有檢測到明顯的震害。

    除了從能量的角度外，還可以從建筑結構自身的相對振動入手。理論研究發(fā)現，如果一個結構，最上面自由度的自振頻率與結構基底的正弦波的頻率完全一致的話，則最上面一個自由度的振幅會大幅度增加，而結構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”，研制出調諧質量阻尼器：在高層建筑的頂層設置一個與建筑的第一階自振頻率相同的吸振器來吸收外界環(huán)境輸入到建筑結構中的能量，并將其在吸振器內耗散。這一吸振器可以是一個由彈簧和質量塊組成的振動系統，也可以是一個經過嚴格設計的特殊的水箱。目前世界上已經有很多高層和超高層建筑采用了這一技術，我國的南京電視塔是較早采用這一技術的電視塔之一。但目前工程界仍然對將一個相當于整個建筑質量的1％左右的重物放到數百米高空對整個建筑結構的安全性及經濟性是否是一個最優(yōu)的解決方式存在分歧。

    隨著科學技術的飛速發(fā)展，各種新技術相互融合，急速地改變人們的生活。

    主動控制、半主動控制等新概念、新技術也迅速地被應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，嘗試設計智能建筑結構，使得在各種惡劣外界作用下，建筑結構能保持最佳的性能。美國、日本等國家已經有少數工程采用了這些新技術。科學家們正在孜孜不倦地進行研究，我們相信隨著科學技術的不斷進步，人們在地震災害面前，將可以更好地保護自己。