現代城市建筑物主要抗震結構技術及實例

劉邦禹

大連理工大學建筑工程學部，遼寧省 大連市 116024

現代城市建筑物主要抗震結構技術及實例

劉邦禹

大連理工大學建筑工程學部，遼寧省 大連市 116024

改革開放以來，我國城市化和工業化規模不斷擴大，隨著人口不斷增長，城市基礎設施及建筑物的數量急劇增長。但地震災害時刻對人民群眾的生命和財產安全帶來嚴重的威脅。因此，防震減災背景下發展建筑物抗震技術尤為重要。對國內外主要防震減災研究成果的綜合評述基礎上,介紹了主要的建筑物抗震技術類型及其在防震減災工作上的貢獻，并對未來我國抗震建筑的發展提出了建設性意見。

城市建筑物; 防震減災; 抗震技術

引言

作為世界上主要的自然災害之一，地震所造成危害讓人們深刻意識到地震防治的重要性。中國自古以來都是一個地震頻發的國度，進入21世紀以來，我國已經發生了四川汶川、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8452億元的經濟損失，這些慘痛的教訓無疑向我們啟示了地震防治的重要性和迫切性。就現階段來說，地震的防治主要包括預和防兩種途徑。預，是指地震預測，即通過對地震前兆，地殼變化，還有地震發生的統計規律的研究，來科學的預測地震的發生時間和強度；防，就是通過必要的防范措施和設備有效地減少地震所造成的人員及經濟損失。這兩種方法之中，地震預測一直是公認的科學難題，我國乃至世界各國都處在深入探索階段，因此通過在建筑物中應用抗震結構與技術應對地震侵襲加強對建筑和人員的防護無疑更加實用高效。

1 抗震結構技術及實例

1.1 剛性和柔性建筑結構

在日本，絕大多數的建筑物均采用了剛性結構建造，當地震來臨時一般搖動都很小，不易倒塌。在2011年發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，但多數是由于地震誘發的海嘯所造成的。地震結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，而堅固的學校、醫院等建筑也成為災民的臨時避難所。這些建筑的挺立無疑是采用輕型鋼木結構所帶來的成果。

在很多超高層建筑中日本也采用了柔性結構設計，東京的很多超高層大廈都是典型的例子，地震來臨時，這些高層建筑并不“硬抗”，它們會隨著地震緩慢晃動，但由于地震時晃動情況不同，減小了發生共振的可能性，所以震動不會導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構，并且也獲得了優秀的抗震性能。在一座日本的超高層公寓中，就使用了和美國世貿大廈同樣的鋼管材料，并在其中添加了超高強度的新型混凝土，這些40mm厚的鋼材保證了大樓優秀的抗震能力。根據測驗，在發生地震時，這種剛性結構的大樓搖晃程度僅為同樣高度的柔性結構大樓的三分之一[2]。

1.2 隔震技術

自從1924年日本人鬼頭健三郎提出了基礎隔震的構想并在1978年由美國學者攻克技術難關后，新型隔震技術開始被大量運用。在日本，利用橡膠隔離體隔震早已是建筑抗震的基本技術。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年開始了總體設計。在結構上,采取了當時成為熱門話題的隔震構造。該大廈地下一層,地上七層,為勁性鋼筋混凝土造框架

抗震墻結構,于1990年8月開始動工,1992年8月底主體工程竣工。大廈全樓采用隔震構造, 是當時全世界規模最大的超一流的隔震建筑，其隔震裝置是由設置在地下一層樓板梁與基礎之間,內部插入鉛芯的層壓橡膠墊(LRB)構成的。層壓橡膠墊的直徑為1100mm、1200mm、1300mm和1500mm。在選擇隔震裝置時,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長期面壓為68kg/cm2～98 kg/cm2,在當時是面壓高和可信度高的。在針對地震進行設計時, 隔震層的屈服層剪力設定得較低(阻尼器的屈服剪力系數為0.035),這樣不僅能在發生大地震時,發揮其隔震功能, 而且在發生中、小地震時也能起到隔震作用。地震反應模擬分析結果表明,由于采用了隔震構造, 標準層的反應加速度與一般的經過抗震設計的結構相比降低到其1/5以下的程度[3]。

我國的建筑中也多有應用隔震技術，尤其是在汶川的災區重建工作中，廣東省援建的十余所中小學校均采用了最先進的隔震技術，達到了九級設防，能抵抗八級地震的水平。學校的橡膠墊隔震技術由中國工程院周福霖院士親自指導，隔震墊能將建筑的基礎和上層樓體分隔開，當地震來臨時，其能量會被隔震墊吸收消耗，以保證建筑安全。周院士的這種技術在甘肅隴南武都縣的三棟六層民用住宅也有應用，在汶川大地震中這幾棟民用住宅均完好無損，內部居民也并未感到強烈的震動。

1.3 耗能減震技術

耗能減震技術就是利用耗能減震裝置吸收地震的能量，從而保護建筑物及人員的生命安全。這種技術最先是在20世紀70年代由美國科學家提出，并成功設計了軟鋼屈服耗能器。軟鋼是一種承載能力較低，但延性強的材料，它能在地震時能在房屋的承載結構斷裂之前先發生塑性變形，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，世界各國掀起了研究耗能減震技術的熱潮，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。

我國也在耗能減震技術上有所研究，例如在北京汽車產業研發基地結構中就應用了黏滯液體阻尼器。北京汽車產業研發基地工程位于北京市順義區西二環南，主要包括工程中心、產品研究中心、宿舍、試驗室、游泳館等。其結構體系較復雜，造型中心為鋼框架-斜支撐體系，外環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。工程的三個部分之間通過鋼梁連接而成弱連接結構，三個部分的剛度存在顯著差異，南側框架結構和北側框剪結構的剛度遠小于造型中心和外環。為了同時抵抗地震內力和減小相對水平位移，連梁和南部框架的連接節點設置成雙向滑動支座，并在支座附近布置12個黏滯阻尼器，布置在連梁層邊梁和南北結構邊梁之間。為了評估黏滯阻尼器在大震下的減震性能，采用MIDAS/ Genver730 軟件分別對布置阻尼器結構模型和取消阻尼器結構模型進行了大震彈塑性分析。經過分析，原始模型最大相對速度達到了1.27m/s，而耗能模型最大相對速度為0.29m/s，原始模型最大相對位移達到了206mm，而耗能模型最大相對位移為53mm。可見，黏滯流體阻尼器的設置，大大減小了結構在大震作用下的動能和變形能，起到了保護主體結構的作用，黏滯流體阻尼器發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 其它結構抗震技術

1.4.1 吸振減震技術

吸振減震技術是指在建筑物頂端設置一子結構，且此結構自振頻率與建筑本體自振頻率相同，則地震時該結構振幅將增大，建筑體振幅減小，使大部分振動能量從建筑體轉移至子結構，從而保護建筑。此技術在許多超高層建筑已有應用，但目前科學對其安全性仍有質疑。

1.4.2 “局部浮力”的抗震系統

日本清水建設公司開發了一種名為“局部浮力”的抗震系統, 即在傳統抗震構造基礎上借助于水的浮力支撐整個建筑物。局部浮力系統在上層結構與地基之間加設一貯水槽，靠水的浮力承擔建筑物大約一半重量。這樣既減輕了地基的承重負荷,又可以把隔震橡膠小型化,降低支撐構造部分的剛性,從而提高與地基間的絕緣性。地震發生時,由于浮力作用延長了固有振動周期,建筑物晃動的加速度得以降低。據清水建設公司推算,一棟8層建筑物的固有周期最大可以達到5s以上。采用這種系統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,貯水槽內貯存的水在發生火災時可用于滅火,地震發生后可作為臨時生活用水。這一系統成本并不算高,以8層樓醫院建筑為例成本比普通抗震系統僅高出大約2%[6]。

1.4.3 “滑動體”抗震基礎

在日本，很多老建筑因材質過輕不適合使用積層橡膠墊隔震技術，于是日本建造師發明了滑動體抗震技術，用軸承及其他球形體分隔建筑體與地下基礎，地震時建筑物可以輕微的滑動，減輕了震動的破壞[6]。與之相似的是美國的“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，由滾珠支撐整個建筑，縱橫交錯的鋼梁把建筑物同地基緊緊地固定起來，發生地震時，富有彈性的鋼梁會自動伸縮，于是大樓在滾珠上會輕微地前后滑動，可以大大減弱地震的破壞力[1]。

2 結語

中國的建筑抗震尚在起步階段，從建筑結構與材料上說，中國建筑仍有很多是采用預制板的多層砌體房屋結構，這種材料房屋脆性極強，在受到強烈沖擊后就會發生結構斷裂從而造成房屋倒塌；而在建筑技術上，利用橡膠墊隔震的基礎隔震技術已在世界上被廣泛應用，但在國內仍不常見。為了增強我國建筑的抗震能力，在地震頻發地區積極采用基礎隔震、耗能減震等已在世界廣泛采用的先進技術是十分必要的。此外，建立嚴格完善的抗震建筑法規并對學校等重要基礎設施進行抗震強度檢測也十分重要，當地震來臨，堅固的學校既可以保護學生的安全也可以成為市民的緊急“避難所”。總體來說，我國對地震等自然災害的抵抗能力與唐山地震時相比已有大幅增強，相信隨著新技術的不斷應用，我國在與地震的抗爭中必會取得更大的成效。

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

[2]楊杰.日本建筑抗震技術及其啟示[J].成都航空職業技術學院學報,2011,87(2):45-47.

[3]李傳林,郭子雄.建筑結構隔震技術在日本的應用與發展[J].基建優化,2006, 27(5):104-107.

[4]周云,鄧雪松,黃文虎.耗能減震結構的抗震設計原則與設計方法[J].世界地震工程, 1998,14(4):49-56.

[5]張勝,張凡,周忠發等.耗能減震技術在北京汽車產業研發基地結構中的應用[J].建筑結構, 2011,41(9):141-142.

[6]牛盛楠,馬劍,楊現國.“以柔克剛”——談汶川地震后對日本建筑結構抗震新技術的借鑒[J].新建筑,2008,4:109-111.

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.016

劉邦禹，大連理工大學建工學部。