薛奕婷

【摘 要】抗震技術發(fā)展到今天，已經(jīng)有過眾多的技術突破。從曾經(jīng)一味通過加強構件強度進行抗震，到現(xiàn)在從能量的角度出發(fā)，通過各種方式釋放地震能量的新技術，設計師在對結構進行抗震設計時有了更多的選擇。根據(jù)不同地區(qū)產(chǎn)生地震的概率及地區(qū)自身的經(jīng)濟實力，設計師應當選取最為合適的抗震方法進行抗震設計。本文基于科學性和實用性立場，對于抗震方法、設防目標等進行了系統(tǒng)而有建設性的論述。

【關鍵詞】抗震 阻尼器 結構 方法

地震作為目前破壞力最強的自然災害之一，對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響。工程抗震作為一個長期的技術難題，有著多種多樣的抗震方法，適用于處于不同地理位置及擁有不同經(jīng)濟實力的國家。研究比較不同抗震方法的特點，了解抗震設備的技術狀況，對于合理選擇抗震方法，提高工程項目的經(jīng)濟性，具有現(xiàn)實的意義。

1 抗震方法示例

1.1 構造抗震

為了保證結構的整體性，最大限度地避免造成人員的傷亡，設計時的構造抗震為一種較為經(jīng)濟合理的抗震方式。構造抗震主要有以下原則：強柱弱梁；強墩弱梁；強節(jié)點弱構件等，這些原則的原理都是相似的，即為強剪弱彎。

由于目前對于地震的研究尚不完善，在結構設計中應當著重考慮構件的變形能力。由于結構在地震中的變形能夠消耗大量的能量，因此在設計過程中提高構件的塑性對于抗震有著現(xiàn)實的意義。

由于構件的彎曲破壞為塑性破壞，工程構件即將發(fā)生彎曲破壞時，構件內鋼筋達到屈服強度后漸變?yōu)樗苄糟q，具有較大的變形能力，使結構表現(xiàn)出極強的延性。因此構件發(fā)生彎曲破壞時能夠通過塑性鉸釋放大量的能量，達到抗震的效果。

然而對構件進行抗剪設計時，剪切破壞的破壞形態(tài)為脆性破壞。由于剪切破壞在破壞前無法產(chǎn)生較大的變形，因此能量無法通過做功的形式釋放，設計時需要通過構造強化抗剪強度來抵抗地震造成的破壞能量。[1]

1.2 阻尼器抗震

阻尼器是以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置。在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中早已應用各種各樣的阻尼器（或減震器）來減振消能。從二十世紀七十年代后，人們開始逐步地把這些技術轉用到建筑、橋梁、鐵路等結構工程中，其發(fā)展十分迅速。特別是有五十多年歷史的液壓粘滯阻尼器， 在美國被結構工程界接受以前，經(jīng)歷了大量實驗，嚴格審查。

在共振頻率附近，增大體系的阻尼比具有十分明顯的減振效果。由于所附加的阻尼和傳統(tǒng)結構分析中所假定的粘滯阻尼一致，這使得減震結構的分析有可能比較方便、精確。在結構中合理布置阻尼器可以消耗輸入結構中的大部分地震能量，減小結構位移，改善和提高結構的抗震性能。[2]

阻尼器減震是當前結構最重要的抗震方法之一，各國工程抗震專家和學者均積極致力于該技術的研究開發(fā)和推廣應用。阻尼器的形式多種多樣，其中不乏臺北101大廈的造型奇特的大型阻尼器。為了因應高空強風及臺風吹拂造成的搖晃，臺北101內設置了“調諧質塊阻尼器”，是在88至92樓掛置一個重達660公噸的巨大鋼球，利用擺動來減緩建筑物的晃動幅度。據(jù)臺北101告示牌所言，這也是全世界唯一開放游客觀賞的巨型阻尼器，更是目前全球最大的阻尼器。圖一為臺北101調諧質塊阻尼器。

1.3 破壞釋能

由于構建破壞時能夠釋放大量的能量，因此通過在地震發(fā)生時選擇性破壞部分構件也為目前較為常用的一種抗震設計方式。由于梁柱節(jié)點為地震荷載作用時最為薄弱的環(huán)節(jié)，且節(jié)點一旦破壞建筑結構很可能產(chǎn)生整體破壞以致倒塌，造成巨大的人員傷亡，因此在結構設計時通常選擇引導能量在非梁柱節(jié)點處釋放，及引導地震作用至某非梁柱節(jié)點后通過該處構件的破壞以釋放能量達到抗震的目的。目前無論建筑結構或是橋梁結構，多選擇在基礎連接處破壞以達到釋放能量的目的，首先結構在基礎連接處破壞能夠使結構在一定程度上脫離與地面的聯(lián)系，從而減少地震能量的輸入，其次由于結構與地面的約束依然可看作為剛接，基礎連接處破壞后結構依然能夠保持其整體穩(wěn)定性以達到首先保護群眾生命安全的目的。

破壞釋能作為一種較為極端的抗震方法，多用于抵抗震級較大的地震。該方法能夠釋放大量的能量，但地震作用對結構產(chǎn)生的影響也是巨大的，結構破壞處修繕維護通常較為繁復，若設計不當，在小震發(fā)生時或正常使用時引導破壞處產(chǎn)生破壞，也會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此設計計算在破壞釋能的抗震方法中顯得尤為重要。

2 設防目標

2.1 性能指標

由于不同地區(qū)發(fā)生地震的概率以及可能發(fā)生地震的強度各不相同，選擇抗震設計方法時應當考慮不同地區(qū)對于抗震處理的需求程度。我國國家規(guī)范對不同地區(qū)設置了不同的抗震設防等級，因此在進行結構設計時應充分考慮規(guī)范中的抗震設防等級，合理考慮結構的抗震性能指標。

2.2 經(jīng)濟性指標

由于不同地區(qū)或國家經(jīng)濟實力差距較大，因此抗震設防指標也應當根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)濟實力進行區(qū)分，而不能一概而論。我國多地區(qū)處于地震斷裂帶，曾經(jīng)歷過多次大地震，其中唐山地震幾近毀滅整個城市，造成重大人員傷亡。隨著科學技術的不斷進步以及經(jīng)濟實力的提升，我國在GB5001-2010國家規(guī)范中向各設計單位明確提出了具有三個水準的抗震設防目標，即小震不壞，中震可修，大震不倒。其中小震定義為在五十年內超越概率為63.2%的多遇地震，中震在五十年內超越概率為10%的設防地震，大震的定義為在五十年內超越概率為2%的罕見地震。規(guī)范既要求建筑設計的經(jīng)濟合理，也要求建筑在多遇地震或設防地震中達到正常使用或可修復的基本要求。[3]

同樣處于地震斷裂帶的日本，其地理位置使民眾時常遭受地震的侵襲。作為發(fā)達國家的日本其設防目標不同于中國三標準的設防目標，日本的設防目標僅分兩個標準，即“中震不壞，大震不倒”[4]。但是日本在抗震設計中對“中震”及“大震”的定義與中國的“中震”及“大震”不盡相同，且日本對抗震的設計方法由兩次設計組織：一次設計， 校核應力，要求結構在第一水準地震作用下的應力值小于容許應力；二次設計，校核變形， 即結構在第二水準地震作用下的變形，要求保證框架屈服部位的塑性變形能力，防止剪切及連接失效引起的脆性破壞，確?？蚣苷w強度與變形能力。[5]由此可見，由于經(jīng)濟實力的差異以及對抗震設計需求的不同，日本對于地震作用的規(guī)定取值與中國相比偏大。

經(jīng)濟實力較弱的印尼其抗震規(guī)范又不同于中日。與我國及日本抗震設計規(guī)范不同的是，印尼設防標準僅分為一個標準，即在發(fā)生50年超越概率為10%的地震時結構能夠保持整體結構穩(wěn)定而不至破壞，能夠保證國民的人身及基本財產(chǎn)安全。這與我國“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三標準設防差距較大，因此我國的設防標準更為安全合理。

可見不同國家根據(jù)自身的抗震設計需求，應根據(jù)國家的經(jīng)濟實力進行抗震設計的規(guī)范，使設計出的結構較為經(jīng)濟合理。

3 結語

對于擁有不同經(jīng)濟實力，地處不同地理位置的國家或地區(qū)，在選擇其抗震設計方法時均應考慮與當?shù)氐卣鹦阅苤笜伺c經(jīng)濟指標所匹配的抗震方法。對于本文所介紹的若干種設計方法中，構造抗震或通過加強結構強度的抗震方法適用于中小地震，能夠保證結構在地震發(fā)生時結構不產(chǎn)生任何損壞。該方法雖然性能極佳，但須投入大量的建設資金，對于國家的經(jīng)濟實力有著較高的要求。采用阻尼器抗震為抗震技術發(fā)展至今一個非常重要的突破，能夠通過預埋在建筑內部的阻尼器釋放部分地震能量，從而達到“中震可修”的目的。而破壞釋能作為一種較為極端的抗震設計方式，對于經(jīng)常發(fā)生特大地震，或經(jīng)濟實力較弱的國家或地區(qū)，也不失為一種極佳的抗震方式。

參考文獻：

[1]丹下健三.橋梁不僅是榮耀地標，更應是災難時的脊梁——日本橋梁抗震方法設計解析[A].養(yǎng)護與管理2013年10月號（總第31期）[C].2013：4.

[2]鄭久建.粘滯阻尼減震結構分析方法及設計理論研究[D].中國建筑科學研究院，2003.

[3]蔣志楠.我國建筑抗震規(guī)范中部分條款的演變及與歐美規(guī)范的對比探討[D].中國地震局工程力學研究所，2010.

[4]土木學會，《混凝土標準示范書》[S].德島大學附屬圖書館.

[5]花林林，石建光.中國與日本在混凝土框架結構抗震設計中的比較分析[J].福建建筑，2006，04：25-27.