劉邦禹

大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部，遼寧省 大連市 116024

現(xiàn)代城市建筑物主要抗震結(jié)構(gòu)技術(shù)及實(shí)例

劉邦禹

大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部，遼寧省 大連市 116024

改革開放以來，我國(guó)城市化和工業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨著人口不斷增長(zhǎng)，城市基礎(chǔ)設(shè)施及建筑物的數(shù)量急劇增長(zhǎng)。但地震災(zāi)害時(shí)刻對(duì)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅。因此，防震減災(zāi)背景下發(fā)展建筑物抗震技術(shù)尤為重要。對(duì)國(guó)內(nèi)外主要防震減災(zāi)研究成果的綜合評(píng)述基礎(chǔ)上,介紹了主要的建筑物抗震技術(shù)類型及其在防震減災(zāi)工作上的貢獻(xiàn)，并對(duì)未來我國(guó)抗震建筑的發(fā)展提出了建設(shè)性意見。

城市建筑物; 防震減災(zāi); 抗震技術(shù)

引言

作為世界上主要的自然災(zāi)害之一，地震所造成危害讓人們深刻意識(shí)到地震防治的重要性。中國(guó)自古以來都是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)度，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)已經(jīng)發(fā)生了四川汶川、青海玉樹等大大小小十余次地震。其中，四川汶川大地震更是世界上造成巨大傷亡的地震之一，它奪走了超過8萬同胞的生命，也造成了8452億元的經(jīng)濟(jì)損失，這些慘痛的教訓(xùn)無疑向我們啟示了地震防治的重要性和迫切性。就現(xiàn)階段來說，地震的防治主要包括預(yù)和防兩種途徑。預(yù)，是指地震預(yù)測(cè)，即通過對(duì)地震前兆，地殼變化，還有地震發(fā)生的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究，來科學(xué)的預(yù)測(cè)地震的發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度；防，就是通過必要的防范措施和設(shè)備有效地減少地震所造成的人員及經(jīng)濟(jì)損失。這兩種方法之中，地震預(yù)測(cè)一直是公認(rèn)的科學(xué)難題，我國(guó)乃至世界各國(guó)都處在深入探索階段，因此通過在建筑物中應(yīng)用抗震結(jié)構(gòu)與技術(shù)應(yīng)對(duì)地震侵襲加強(qiáng)對(duì)建筑和人員的防護(hù)無疑更加實(shí)用高效。

1 抗震結(jié)構(gòu)技術(shù)及實(shí)例

1.1 剛性和柔性建筑結(jié)構(gòu)

在日本，絕大多數(shù)的建筑物均采用了剛性結(jié)構(gòu)建造，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)一般搖動(dòng)都很小，不易倒塌。在2011年發(fā)生的東日本大地震中，雖然造成大量人員傷亡和部分的建筑物的破壞，但多數(shù)是由于地震誘發(fā)的海嘯所造成的。地震結(jié)束后仍有很多建筑物依然屹立，其中包括不少高樓；不少建筑物僅有些扭曲歪斜，仍可使用，而堅(jiān)固的學(xué)校、醫(yī)院等建筑也成為災(zāi)民的臨時(shí)避難所。這些建筑的挺立無疑是采用輕型鋼木結(jié)構(gòu)所帶來的成果。

在很多超高層建筑中日本也采用了柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，東京的很多超高層大廈都是典型的例子，地震來臨時(shí)，這些高層建筑并不“硬抗”，它們會(huì)隨著地震緩慢晃動(dòng)，但由于地震時(shí)晃動(dòng)情況不同，減小了發(fā)生共振的可能性，所以震動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致樓梯和墻體的坍塌。

此外，日本也有不少高層建筑仍采用了剛性性建筑結(jié)構(gòu)，并且也獲得了優(yōu)秀的抗震性能。在一座日本的超高層公寓中，就使用了和美國(guó)世貿(mào)大廈同樣的鋼管材料，并在其中添加了超高強(qiáng)度的新型混凝土，這些40mm厚的鋼材保證了大樓優(yōu)秀的抗震能力。根據(jù)測(cè)驗(yàn)，在發(fā)生地震時(shí)，這種剛性結(jié)構(gòu)的大樓搖晃程度僅為同樣高度的柔性結(jié)構(gòu)大樓的三分之一[2]。

1.2 隔震技術(shù)

自從1924年日本人鬼頭健三郎提出了基礎(chǔ)隔震的構(gòu)想并在1978年由美國(guó)學(xué)者攻克技術(shù)難關(guān)后，新型隔震技術(shù)開始被大量運(yùn)用。在日本，利用橡膠隔離體隔震早已是建筑抗震的基本技術(shù)。如地處府中市原日本制鋼所東京制作所舊址的第一生命府中大廈，它在1988年開始了總體設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)上,采取了當(dāng)時(shí)成為熱門話題的隔震構(gòu)造。該大廈地下一層,地上七層,為勁性鋼筋混凝土造框架

抗震墻結(jié)構(gòu),于1990年8月開始動(dòng)工,1992年8月底主體工程竣工。大廈全樓采用隔震構(gòu)造, 是當(dāng)時(shí)全世界規(guī)模最大的超一流的隔震建筑，其隔震裝置是由設(shè)置在地下一層樓板梁與基礎(chǔ)之間,內(nèi)部插入鉛芯的層壓橡膠墊(LRB)構(gòu)成的。層壓橡膠墊的直徑為1100mm、1200mm、1300mm和1500mm。在選擇隔震裝置時(shí),考慮到施工上和將來維修等方面的因素,采用了阻尼器型層壓橡膠墊, 其中的LRB長(zhǎng)期面壓為68kg/cm2～98 kg/cm2,在當(dāng)時(shí)是面壓高和可信度高的。在針對(duì)地震進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 隔震層的屈服層剪力設(shè)定得較低(阻尼器的屈服剪力系數(shù)為0.035),這樣不僅能在發(fā)生大地震時(shí),發(fā)揮其隔震功能, 而且在發(fā)生中、小地震時(shí)也能起到隔震作用。地震反應(yīng)模擬分析結(jié)果表明,由于采用了隔震構(gòu)造, 標(biāo)準(zhǔn)層的反應(yīng)加速度與一般的經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相比降低到其1/5以下的程度[3]。

我國(guó)的建筑中也多有應(yīng)用隔震技術(shù)，尤其是在汶川的災(zāi)區(qū)重建工作中，廣東省援建的十余所中小學(xué)校均采用了最先進(jìn)的隔震技術(shù)，達(dá)到了九級(jí)設(shè)防，能抵抗八級(jí)地震的水平。學(xué)校的橡膠墊隔震技術(shù)由中國(guó)工程院周福霖院士親自指導(dǎo)，隔震墊能將建筑的基礎(chǔ)和上層樓體分隔開，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，其能量會(huì)被隔震墊吸收消耗，以保證建筑安全。周院士的這種技術(shù)在甘肅隴南武都縣的三棟六層民用住宅也有應(yīng)用，在汶川大地震中這幾棟民用住宅均完好無損，內(nèi)部居民也并未感到強(qiáng)烈的震動(dòng)。

1.3 耗能減震技術(shù)

耗能減震技術(shù)就是利用耗能減震裝置吸收地震的能量，從而保護(hù)建筑物及人員的生命安全。這種技術(shù)最先是在20世紀(jì)70年代由美國(guó)科學(xué)家提出，并成功設(shè)計(jì)了軟鋼屈服耗能器。軟鋼是一種承載能力較低，但延性強(qiáng)的材料，它能在地震時(shí)能在房屋的承載結(jié)構(gòu)斷裂之前先發(fā)生塑性變形，而這種變形能吸收外界輸入的大量能量，從而保障建筑物及人員的安全[4]。此后，世界各國(guó)掀起了研究耗能減震技術(shù)的熱潮，并研究出了很多新型耗能減震裝置并投入使用，包括黏滯液體阻尼器和干摩擦耗能器等。

我國(guó)也在耗能減震技術(shù)上有所研究，例如在北京汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地結(jié)構(gòu)中就應(yīng)用了黏滯液體阻尼器。北京汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地工程位于北京市順義區(qū)西二環(huán)南，主要包括工程中心、產(chǎn)品研究中心、宿舍、試驗(yàn)室、游泳館等。其結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜，造型中心為鋼框架-斜支撐體系，外環(huán)為斜鋼柱剪力墻體系，北部為框架-剪力墻體系，南部為型鋼混凝土框架體系。各部分之間由屋頂鋼梁連接。工程的三個(gè)部分之間通過鋼梁連接而成弱連接結(jié)構(gòu)，三個(gè)部分的剛度存在顯著差異，南側(cè)框架結(jié)構(gòu)和北側(cè)框剪結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)小于造型中心和外環(huán)。為了同時(shí)抵抗地震內(nèi)力和減小相對(duì)水平位移，連梁和南部框架的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置成雙向滑動(dòng)支座，并在支座附近布置12個(gè)黏滯阻尼器，布置在連梁層邊梁和南北結(jié)構(gòu)邊梁之間。為了評(píng)估黏滯阻尼器在大震下的減震性能，采用MIDAS/ Genver730 軟件分別對(duì)布置阻尼器結(jié)構(gòu)模型和取消阻尼器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了大震彈塑性分析。經(jīng)過分析，原始模型最大相對(duì)速度達(dá)到了1.27m/s，而耗能模型最大相對(duì)速度為0.29m/s，原始模型最大相對(duì)位移達(dá)到了206mm，而耗能模型最大相對(duì)位移為53mm。可見，黏滯流體阻尼器的設(shè)置，大大減小了結(jié)構(gòu)在大震作用下的動(dòng)能和變形能，起到了保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用，黏滯流體阻尼器發(fā)揮了良好的消能減震作用，并使建筑的抗震性能得到了提高[5]。

1.4 其它結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)

1.4.1 吸振減震技術(shù)

吸振減震技術(shù)是指在建筑物頂端設(shè)置一子結(jié)構(gòu)，且此結(jié)構(gòu)自振頻率與建筑本體自振頻率相同，則地震時(shí)該結(jié)構(gòu)振幅將增大，建筑體振幅減小，使大部分振動(dòng)能量從建筑體轉(zhuǎn)移至子結(jié)構(gòu)，從而保護(hù)建筑。此技術(shù)在許多超高層建筑已有應(yīng)用，但目前科學(xué)對(duì)其安全性仍有質(zhì)疑。

1.4.2 “局部浮力”的抗震系統(tǒng)

日本清水建設(shè)公司開發(fā)了一種名為“局部浮力”的抗震系統(tǒng), 即在傳統(tǒng)抗震構(gòu)造基礎(chǔ)上借助于水的浮力支撐整個(gè)建筑物。局部浮力系統(tǒng)在上層結(jié)構(gòu)與地基之間加設(shè)一貯水槽，靠水的浮力承擔(dān)建筑物大約一半重量。這樣既減輕了地基的承重負(fù)荷,又可以把隔震橡膠小型化,降低支撐構(gòu)造部分的剛性,從而提高與地基間的絕緣性。地震發(fā)生時(shí),由于浮力作用延長(zhǎng)了固有振動(dòng)周期,建筑物晃動(dòng)的加速度得以降低。據(jù)清水建設(shè)公司推算,一棟8層建筑物的固有周期最大可以達(dá)到5s以上。采用這種系統(tǒng)在城市海灣沿岸等地層柔軟地帶也可以獲得較好抗展效果。此外,貯水槽內(nèi)貯存的水在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可用于滅火,地震發(fā)生后可作為臨時(shí)生活用水。這一系統(tǒng)成本并不算高,以8層樓醫(yī)院建筑為例成本比普通抗震系統(tǒng)僅高出大約2%[6]。

1.4.3 “滑動(dòng)體”抗震基礎(chǔ)

在日本，很多老建筑因材質(zhì)過輕不適合使用積層橡膠墊隔震技術(shù)，于是日本建造師發(fā)明了滑動(dòng)體抗震技術(shù)，用軸承及其他球形體分隔建筑體與地下基礎(chǔ)，地震時(shí)建筑物可以輕微的滑動(dòng)，減輕了震動(dòng)的破壞[6]。與之相似的是美國(guó)的“滾珠大樓”：如硅谷最近興建的一座電子工廠大廈，在建筑物每根柱子或墻體下安裝不銹鋼滾珠，由滾珠支撐整個(gè)建筑，縱橫交錯(cuò)的鋼梁把建筑物同地基緊緊地固定起來，發(fā)生地震時(shí)，富有彈性的鋼梁會(huì)自動(dòng)伸縮，于是大樓在滾珠上會(huì)輕微地前后滑動(dòng)，可以大大減弱地震的破壞力[1]。

2 結(jié)語

中國(guó)的建筑抗震尚在起步階段，從建筑結(jié)構(gòu)與材料上說，中國(guó)建筑仍有很多是采用預(yù)制板的多層砌體房屋結(jié)構(gòu)，這種材料房屋脆性極強(qiáng)，在受到強(qiáng)烈沖擊后就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂從而造成房屋倒塌；而在建筑技術(shù)上，利用橡膠墊隔震的基礎(chǔ)隔震技術(shù)已在世界上被廣泛應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)仍不常見。為了增強(qiáng)我國(guó)建筑的抗震能力，在地震頻發(fā)地區(qū)積極采用基礎(chǔ)隔震、耗能減震等已在世界廣泛采用的先進(jìn)技術(shù)是十分必要的。此外，建立嚴(yán)格完善的抗震建筑法規(guī)并對(duì)學(xué)校等重要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行抗震強(qiáng)度檢測(cè)也十分重要，當(dāng)?shù)卣饋砼R，堅(jiān)固的學(xué)校既可以保護(hù)學(xué)生的安全也可以成為市民的緊急“避難所”?？傮w來說，我國(guó)對(duì)地震等自然災(zāi)害的抵抗能力與唐山地震時(shí)相比已有大幅增強(qiáng)，相信隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國(guó)在與地震的抗?fàn)幹斜貢?huì)取得更大的成效。

[1]蘇房.世界知名抗震建筑給我們的啟示[N].中華建筑報(bào),2011年3月22日,第011版.

[2]楊杰.日本建筑抗震技術(shù)及其啟示[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,87(2):45-47.

[3]李傳林,郭子雄.建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)在日本的應(yīng)用與發(fā)展[J].基建優(yōu)化,2006, 27(5):104-107.

[4]周云,鄧雪松,黃文虎.耗能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法[J].世界地震工程, 1998,14(4):49-56.

[5]張勝,張凡,周忠發(fā)等.耗能減震技術(shù)在北京汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu), 2011,41(9):141-142.

[6]牛盛楠,馬劍,楊現(xiàn)國(guó).“以柔克剛”——談汶川地震后對(duì)日本建筑結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)的借鑒[J].新建筑,2008,4:109-111.

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.016

劉邦禹，大連理工大學(xué)建工學(xué)部。