建筑结构抗震技术概述 zt

雪耳糖水

这篇科普还比较容易理解

　　书剑子

　　地震灾害和洪水、飓风等一样，是一种较为常见的自然灾害。全世界范围几乎每天都会发生大大小小很多次地震，虽然它们中的大部分强度低于人类的感觉。当地震发生后，震源断裂产生的能量以波的形式以地壳为传播介质向四周传播，包括纵波、横波和面波。对于震级较高的地震，地震波甚至可以围绕地球传播数圈，甚至能一定程度上影响到地球的自转周期。纵波的波动方向与传播方向一致，是压缩波，速度最快；横波的波动方向与传播方向垂直，是剪切波，速度次之；而面波则是沿着地表呈翻滚状传播的波，虽然跟在最后，但是对建筑物的破坏却最大。

　　地壳包括力学性质迥异的各种岩石，此外，还有地表水、地下水、石油等液体，还包括断层、透镜体等界面，是复杂的非均质多相介质，地震波在传播的过程中，会与作为传播介质的地壳发生反射、折射、衰减等复杂的作用，振幅和卓越频率也随场地的不同而不同。不同弹性模量的介质会有选择地放大不同频率的波段，相当于一个带通滤波器，从而改变地震波的卓越周期。此外，坚硬的岩石上，振幅会较小，而深厚、松软的土层上，振幅会较大。

　　日本位于亚欧板块和太平洋板块的交界处，属于著名的环太平洋火山带，地震和火山活动十分频繁。日本早在19世纪末期即已开始震灾预防研究。20世纪初，日本学者大森房吉认为水平最大加速度是造成地震破坏的重要因素，并提出近似分析地震动影响的静力计算法。

　　静力法假定整个建筑结构是一个刚体随地面做刚体平移运动——即在地震作用下只随地面运动，其本身相对地面没有变形。根据牛顿第二运动定律，则结构各个部分的最大地震作用力即为该部分质量与地面运动最大加速度的乘积。该方法概念清楚，原理简单，第一次将力学理论引进到建筑抗震中，具有划时代的意义。

　　但是静力法对于建筑结构为刚性这一假设，对于高度较低刚性较大的房子，基本符合实际，但是对于呈高耸状的烟囱、水塔等柔性结构，则误差比较大。建筑结构都由材料筑成，所有的材料受力后都会变形，任何材料其刚度都是有限的。建筑物根据其建筑材料的不同和形状的不同，其质量和刚度大小也不同。因此，不同的建筑物具有不同的自震周期。譬如跨度较小的农村单层砖房，其自振周期一般在0.1秒左右，大跨度桥梁、摩天大厦的自振周期能达到3秒以上。显然相同的地震对不同频率的建筑的作用力是不同的。在地震中，如果某建筑的自振频率恰好十分接近地震波的卓越频率（能量较大的频率成分），相对其他建筑结构将其遭受更大的地震作用力（共振效应）。

　　为考虑到建筑自身自振频率的不同对地震作用的影响，20世纪40年代美国学者M.A.Biot首先提出从实测记录中计算反应谱的概念。即将大量实测的地面振动波分别代入单自由度动力反应方程，计算出各自最大弹性地震反应——譬如加速度反应，从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线，再将这些关系曲线作统计分析，取一条形状较为简单但是可以基本包络这些关系曲线的曲线，称为地震计算反应谱。然后按静力分析法计算地震反应。所以反应谱法仍属于等效静力法。但由于反应谱理论较真实地考虑了结构振动特点，计算简单实用，因此目前仍是各国抗震规范中给出的一种主要抗震分析方法。

　　除了按照上述抗震计算理论，计算出合理的地震作用，从而设计出既经济又合理的建筑外，从很早开始人们就开始探索寻找更合适的结构来减少地震灾害。大家可能都有筛筛子的经验——筛子开始动起来，黄豆还在原地打转，黄豆上面的杂物几乎原地不动。日本学者大森房吉刚刚提出其静力理论后不久，1924年另外一个日本学者鬼头健三郎就提出了基础隔震的思想：即在整个建筑的基础下，放置一个能滚动的轴承或者一种在水平方向刚度很小但是竖直方向又能支撑整个建筑的重量的装置。直到1978年，美国学者Kelly和Eidinger 提出并实现了叠层橡胶支座的方法和技术后，这种新的抗震技术开始迅速获得大量推广和应用。并在历次实际地震中表现了良好的效果。我国广州大学周福霖院士及其科研团队长期在这一领域辛勤探索，取得了一定的成就。目前基于这一原理，已经发展起了夹层橡胶垫隔震、铅芯橡胶垫隔震、滑动摩擦隔震、滚动隔震层、支承式摆动隔震、滚轴隔震等各种新的抗震技术。

　　世界各地已经建设了大量采用隔震技术的建筑结构。其中有不少经历过了实际地震的考验。1995年日本神户发生里氏7.2级的大地震。这栋试验性的隔震建筑是一栋3层的钢筋混凝土框架结构。基础与上部结构之间设置了8个高阻尼叠层橡胶隔震支座。监测数据显示，地震时，该建筑所在场地的峰值加速度达到0.273G，但是该隔震建筑的顶层加速度也只有0.273G，基本没有放大。与此形成对照的是：在这个实验性的隔震建筑相邻位置，还有一栋没有设置隔震基础的三
层钢筋混凝土框架结构小楼作为对照，该小楼的顶层加速度被放大到了0.965G，地震过后，设置隔震基础的这个小楼安然无恙，而未设置隔震层的这个小楼产生了不少裂缝。

　　1994年洛杉矶6.7级地震，31座医院严重破坏，9座医院局部破坏而疏散，南加州大学医院为地下1层，地上7层的隔震结构，地震中丝毫未损，没有一个花瓶摔下，医院周围建筑物普遍严重破坏，医院屋内人员竟然未意识到发生了强烈地震，各种设备未损坏，医院功能得到维持，成为救灾中心，对震后紧急救援起到了十分重要的作用。

　　我国西昌市国税局宿舍楼有六层，采用了基础隔震技术。1996年，云南丽江发生7级强烈地震，在楼上居住的职工，只是感到轻微的晃动。而相邻的一幢常规抗震楼只有四层高，楼上居住的人摇晃十分厉害，惊慌失措往外逃跑。

　　地震对建筑的作用是个十分复杂的过程，人们对其的认识也在不断深入。除了从力的平衡的角度以外，还可以从能量平衡的角度出发。地震释放出了很大的能量，然后通过地震波传递到建筑结构中。在任何一个瞬间，输入结构的能量等于结构的动能、势能以及结构中耗散的能量之和。而势能与建筑的变形密切相关，建筑在变形、破坏的过程中，会耗散能量。地震波输入的大量能量在结构中耗散，造成了结构的破坏，威胁人们的生命财产安全。

　　在日本的新泻地震后，工程师们调查发现，砖石结构和混凝土结构损伤较为严重，而钢结构建筑的震灾却较小，这得益于钢结构较好的延性。所谓延性，是指当力超过结构的承受能力以后，结构并不会忽然断裂，而是发生较大的变形。在变形的过程中，吸收并耗散了外界输入的能量，从而保障结构物内的人员生命安全。因此，工程师们设计建筑结构，不仅仅考虑到承载力，还要在构造上考虑结构的延性和整体性，防止建筑在地震来临的瞬间就发生毁灭性的完全倒塌。预制板中普遍采用经过冷拔处理的钢丝，虽然可以提高钢丝的强度从而节省材料，但是却降低了钢丝的延性。此外，采用预制板的建筑，其整体性远低于现浇钢筋混凝土板。吸取唐山大地震的经验，我国在90年代部分地区就明文禁止了不得采用预制板。在建筑抗震规范上，也对采用预制板的多层砌体房屋结构的抗震措施提出了一系列具体的技术要求。这些都是为了防止建筑物在地震中发生突然的脆性破坏从而伤害群众人参安全而设置的。

　　如果能引入一种具有良好延性的装置，其能够吸收地震波输入的能量，使得能量在该装置中耗散，那么就减轻地震对建筑结构的破坏。在上个世纪70年代起，美国的科学家们率先提出在结构中设置软钢屈服耗能器。我们知道胡克定律：弹簧两端的力与其变形成正比。但是当力超过弹簧的承载能力以后，弹簧却无法回到原位，这称为塑性变形。塑性变形过程可以吸收大量的能量。当我们没有钳子但是却想截断一根粗铁丝的时候，我们往往在一个点往返反复折它，最后我们可以看到铁丝在那一点处变长了，变细了，同时释放出了很多热量。这就是塑性变形的一个典型例子。所谓软钢，就是一种承载能力比较低的钢，这样，它可以在结构承力构件还可以承受地震力的时候，已经率先发生塑性变形，将地震输入的能量耗散，从而保护了建筑结构。这是建筑结构延性设计的一个重要发展。

　　此后，在世界范围掀起一股研究耗能减震技术的高潮，各种新的装置如同雨后春笋一般被发明出来，并不断被应用到工程实际中去。我国的学者们，也投入了这一领域的研究工作。沈阳市政府大楼、北京饭店等一大批国内具有代表性的工程也都纷纷采用了耗能减震技术。特别是对于已经有的建筑结构，当地震学家们认为某个地区发生破坏性地震的可能性可能比预先认为的大的时候，原先设计建造的建筑结构可能就不在满足抗震的要求。这个时候，把整个建筑拆除重建，显然是不经济的。但是，又无法直接增加受力构件来抵抗地震作用，怎么办？这个时候，耗能减震技术就可以大显身手。在原有建筑结构的相对变形比较大的部位安装上耗能减震的装置，可以既提高建筑的抗震能力，又能把对原有建筑的影响减少到最小，甚至施工过程都不影响原建筑的继续使用。

　　除了上面介绍的利用金属的塑性变形来耗能外，还有各种其他的耗能方法。譬如利用干摩擦耗能的摩擦耗能器，利用粘性液体的粘滞液体阻尼器等等。我们知道现在比较高档的自行车上都安装了3个粘滞液体阻尼器，来耗散不平整的路面输入到自行车上的能量，从而使得骑车更加舒适。对于大跨度的斜拉桥等结构，往往采用半漂浮体系，计算表明，当大的地震来临后，桥梁的主梁位移很大。以前工程师们在梁和塔之间安装一个挡块来防止梁过大的位移，现在，大吨位的液体粘滞阻尼器可以更好地胜任这一工作。斜拉桥的斜拉索在较大的风速特别是风雨联合作用下，可能会发生较大幅度的振动，对行车舒适度和桥梁安全造成一定的影响。安装在索端的液体粘滞阻尼器可以有效地降低斜拉索的振动。世界上很多大型桥梁都采用了这一新技术，我国的长江三桥、杭州湾跨海大桥等现代化桥梁上，也都安装了一定数量的液体粘滞阻尼器。目前我国很多高校、科研院所在此领域做了一定的研究工作，但是，现在我国尚不具备高吨位液体粘滞阻尼器的生产能力和试验能力。

　　墨西哥市长大楼塔楼高225米，共59层，2003年1月21日墨西哥地震7.6 级地震，引起墨西哥城大面积振动，造成2700个结构倒塌或严重破坏、13000座结构遭到破坏，但墨西哥市长大楼没有检测到明显的震害。

　　除了从能量的角度外，还可以从建筑结构自身的相对振动入手。理论研究发现，如果一个结构，最上面自由度的自振频率与结构基底的正弦波的频率完全一致的话，则最上面一个自由度的振幅会大幅度增加，而结构的其他部分的振幅则因此而减小。人们利用这种特殊的“吸振器”，研制出调谐质量阻尼器：在高层建筑的顶层设置一个与建筑的第一阶自振频率相同的吸振器来吸收外界环境输入到建筑结构中的能量，并将其在吸振器内耗散。这一吸振器可以是一个由弹簧和质量块组成的振动系统，也可以是一个经过严格设计的特殊的水箱。目前世界上已经有很多高层和超高层建筑采用了这一技术，我国的南京电视塔是较早采用这一技术的电视塔之一。但目前工程界仍然对将一个相当于整个建筑质量的1%左右的重物放到数百米高空对整个建筑结构的安全性及经济性是否是一个最优的解决方式存在分歧。

　　随着科学技术的飞速发展，各种新技术相互融合，急速地改变人们的生活。主动控制、半主动控制等新概念、新技术也迅速地被应用到土木工程抗震中来。人们利用磁流变液、电流变液、压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金等智能材料，尝试设计智能建筑结构，使得在各种恶劣外界作用下，建筑结构能保持最佳的性能。美国、日本等国家已经有少数工程采用了这些新技术。科学家们正在孜孜不倦地进行研究，我们相信随着科学技术的不断进步，人们在地震灾害面前，将可以更好地保护自己。