周福霖
隔震、消能減震與結(jié)構(gòu)控制體系
——終止我國城鄉(xiāng)地震災(zāi)難的必然技術(shù)選擇
周福霖
周福霖,中國工程院院士,廣州大學(xué)工程抗震研究中心主任、教授。曾任聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)隔震技術(shù)顧問,現(xiàn)任國際隔震減震控制學(xué)會(ASSISI)主席、中國建筑學(xué)會抗震防災(zāi)分會結(jié)構(gòu)減震控制委員會主任委員、中國土木學(xué)會減震防災(zāi)技術(shù)推廣委員會主任委員。湖南大學(xué)土木工程工民建本科畢業(yè),加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)結(jié)構(gòu)與抗震研究生畢業(yè)。長期從事土木結(jié)構(gòu)工程、結(jié)構(gòu)抗震、隔震和減震控制的研究。曾主持國家973項目、國家12.5項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、聯(lián)合國科技開發(fā)項目、中外隔震減震國際合作項目。曾獲國家科技進(jìn)步獎、建設(shè)部、教育部科技進(jìn)步獎等十多項。曾出版中英文著作4部,文章150多篇。
我國地處世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶的交匯區(qū)域,是世界上地震活動最頻繁的國家之一。自從我國有地震記錄以來,死亡人數(shù)在20萬以上的災(zāi)難性大地震有:1303年山西洪洞大地震、1556年陜西華縣大地震、1920年寧夏海原大地震、1976年唐山大地震等。20世紀(jì),全世界由于地震死亡的人數(shù)中,中國人約占60%。近幾十年來,我國高震級地震頻發(fā),如邢臺地震、海城地震、唐山地震、汶川地震、玉樹地震、蘆山地震、魯?shù)榈卣鸬龋斐闪舜罅咳藛T傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。
我國陸地面積約占全世界的1/14,而大陸破壞性地震卻占了全世界的1/3。我國是世界上地震風(fēng)險最高的國家,平均每5年發(fā)生1次7.5級以上地震,每10年發(fā)生1次8級以上地震。歷史上,我國各省、直轄市和自治區(qū)均發(fā)生過5級以上的破壞性地震。我國地震主要有以下幾方面的特點:(1)多為淺源地震,震級高、破壞性大;(2)震級和烈度遠(yuǎn)高于原預(yù)期值,造成大災(zāi)難;(3)我國城鄉(xiāng)人口集中,房屋密集,地震時傷亡慘重;(4)地震時人員傷亡有90%是由于房屋破壞倒塌以及伴隨的次生災(zāi)害造成的,而我國城鄉(xiāng)大量房屋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低,房屋抗震能力普遍不足,小震大災(zāi)、中震巨災(zāi)的現(xiàn)象在我國頻頻發(fā)生,給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失,也給國家社會穩(wěn)定造成巨大影響。一次6~7級地震,在發(fā)達(dá)國家僅造成幾人至幾十人死亡,而在我國可能造成數(shù)千人乃至數(shù)萬、數(shù)十萬人傷亡,導(dǎo)致地震大災(zāi)難。這迫使我們要從一次次地震災(zāi)難中吸取教訓(xùn),對原有的抗震設(shè)防要求和抗震技術(shù)體系,進(jìn)行反思和創(chuàng)新。我國正處于建設(shè)小康社會、步入以人為本的時期,我們這一代人有責(zé)任,在中國這片國土上,終止地震造成的一次次重復(fù)的大災(zāi)難!
在18世紀(jì)工業(yè)革命時期,以英國為中心,發(fā)展了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。但英國等歐洲國家處于非地震區(qū)域,致使防震技術(shù)在第一次工業(yè)革命未被啟動。至19—20世紀(jì),技術(shù)革命向存在地震危險的美國、日本等國家擴(kuò)展,防震技術(shù)有了長足發(fā)展,先建立了強度抗震體系(20世紀(jì)30年代),后又發(fā)展了強度-延性抗震體系(20世紀(jì)70年代),即現(xiàn)在的傳統(tǒng)抗震體系。我國近二百年,閉關(guān)自守,內(nèi)憂外患,貧窮落后,近代防震技術(shù)幾乎處于空白,直至新中國成立,先后從前蘇聯(lián)、美國、日本等引進(jìn)防震技術(shù),經(jīng)過不斷發(fā)展完善,建立了與世界各國類似的強度-延性抗震體系,即傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系。這個抗震體系,為我國減輕地震災(zāi)害,做出了重要貢獻(xiàn)。但由于我國國情,這個抗震體系仍未能終止我國一次次重復(fù)的地震大災(zāi)難。
傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系
一般建筑結(jié)構(gòu),在地震發(fā)生時,強地面運動引起結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),結(jié)構(gòu)固接于基礎(chǔ)之上,尤如一個地面地震反應(yīng)“放大器”,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨著高度將逐級被放大至2倍以上(圖1a)。中小地震發(fā)生時,雖然主體結(jié)構(gòu)可能還未破壞,但建筑飾面、裝修、吊頂?shù)确墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件可能破壞而造成嚴(yán)重?fù)p失,室內(nèi)的貴重儀器、設(shè)備可能毀壞而使用功能中斷,甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重次生災(zāi)害。當(dāng)大地震發(fā)生時,主體結(jié)構(gòu)可能破壞乃至倒塌,導(dǎo)致地震災(zāi)難。為了減輕地震災(zāi)害,人們先后發(fā)展了下述抗震技術(shù)體系:
(1)抗震“強度”體系:通過加大結(jié)構(gòu)斷面和配筋,增大結(jié)構(gòu)的強度和剛度,把結(jié)構(gòu)做得很“剛強”,以此來抗御地震,即“硬抗”地震(圖1b)。這種體系,由于結(jié)構(gòu)剛度增大,也將引起地震作用的增大,從而可能在結(jié)構(gòu)件薄弱部位發(fā)生破壞而導(dǎo)致整體破壞。在很多情況下,這樣“硬抗”地震很不經(jīng)濟(jì),有時也較難實現(xiàn)。
(2)抗震“延性”體系:容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被損壞,利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞后的延性,結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài),出現(xiàn)“塑性鉸”,降低地震作用,使結(jié)構(gòu)“裂而不倒”(圖1c)。對比“強度”體系,結(jié)構(gòu)“延性”體系僅需要較小的斷面和配筋,更為經(jīng)濟(jì)。“延性”體系從20世紀(jì)70年代建立,已成為我國和世界很多國家采用的“傳統(tǒng)抗震體系”。它的設(shè)計水準(zhǔn)是:在設(shè)定設(shè)計地震烈度下,小地震時不壞,中等地震時可能損壞但可修復(fù),大地震時明顯破壞但還不致倒塌。但超大地震時就無法控制了。
傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系存在的問題及對策
傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系長期存在下述難以解決的問題:
(1)結(jié)構(gòu)安全性問題。在設(shè)計烈度內(nèi),這種傳統(tǒng)抗震體系能避免結(jié)構(gòu)倒塌,但當(dāng)遭遇超過設(shè)計烈度的地震時,將可能導(dǎo)致成片建筑結(jié)構(gòu)倒塌,引發(fā)地震災(zāi)難。如2008年我國5?12汶川地震,地震前的汶川是一個美麗的縣城,地震后成為一片廢墟。
(2)建筑破壞問題。在地震作用下,傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)鋼筋屈服和混凝土裂縫,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)延性,國內(nèi)外專家早就指出“延性就是破壞”,導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)在震后難以修復(fù),雖未倒塌但又不能使用,成為“站立著的廢墟”。2008年汶川地震后,宜賓縣隆興鄉(xiāng)震后援建的博愛學(xué)校,使用僅4年,在2013年蘆山地震中破壞嚴(yán)重,其塔樓及結(jié)構(gòu)底層柱有明顯破壞,震后修復(fù)非常困難(圖2)。
圖1 傳統(tǒng)抗震體系
(3)建筑功能喪失問題。在地震作用下,傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的非彈性變形和強烈振動,引起建筑中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及裝修、吊頂?shù)鹊钠茐?,以及室?nèi)設(shè)備、儀器、瓶罐等的掉落破壞,必然導(dǎo)致建筑使用功能甚至城市功能的喪失,引起直接或間接的人員傷亡或災(zāi)難。例如,地震時醫(yī)院、學(xué)校、指揮中心、網(wǎng)絡(luò)、試驗室、電臺、機場、車站、電站等的破壞,會導(dǎo)致現(xiàn)代城市癱瘓或社會災(zāi)難,后果是難以想象的!
上述傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系存在的問題,在我國凸顯嚴(yán)重,原因是:
(1)我國建筑物的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低。除少數(shù)地區(qū)外,我國大部分地區(qū)的設(shè)計地震動加速度為0.10 g;而日本、智利為0.30 g,土耳其為0.20~0.40 g,伊朗也已提高為0.35 g。也即,我國建筑物地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(地震動加速度)僅為世界其他多地震國家設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的1/2~1/4。如果同樣的地震發(fā)生在我國,建筑物的破壞和人員傷亡,要比其他國家要嚴(yán)重得多!
(2)我國很多災(zāi)難性地震發(fā)生在中、低設(shè)防烈度區(qū),或頻繁發(fā)生超設(shè)防烈度的大地震,引發(fā)大災(zāi)難。唐山的設(shè)防烈度為Ⅵ度(地震動加速度0.05 g),1976年唐山大地震震中烈度達(dá)Ⅺ度(地震動加速度估計為0.90 g);汶川的設(shè)防烈度為Ⅶ度(地震動加速度0.10 g),2008年5?12地震震中烈度達(dá)Ⅺ度(地震動加速度0.90 g);青海玉樹的設(shè)防烈度為Ⅶ度(地震動加速度0.10 g),2010年玉樹地震烈度達(dá)Ⅸ~Ⅹ度(地震動加速度0.50~0.80g );四川蘆山的設(shè)防烈度為Ⅶ度(地震動加速度0.10 g),2013年蘆山大地震破壞烈度達(dá)Ⅸ~Ⅹ度(地震動加速度0.60~0.90 g);云南魯?shù)榈脑O(shè)防烈度為Ⅶ度(地震動加速度0.10 g),2014年8?3魯?shù)榇蟮卣鹌茐牧叶葹棰龋ǖ卣饎蛹铀俣?.60~0.80 g)。即實際地震的地震動加速度值為設(shè)計值的6~18倍!按照傳統(tǒng)抗震技術(shù)建造的結(jié)構(gòu),哪能防御這種超級大地震?大災(zāi)難不可避免!
目前,我國大面積、大幅度提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),還不現(xiàn)實,再加上傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系長期存在難以解決的問題,在中國這片國土上,要終止地震造成的一次次重復(fù)的大災(zāi)難,必須在原來采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)體系的基礎(chǔ)上,大力推廣采用創(chuàng)新的防震技術(shù)新體系——隔震、消能減震、結(jié)構(gòu)控制技術(shù)體系——四十年來世界地震工程最重要的創(chuàng)新成果之一!
圖2 2009年新建的隆興鄉(xiāng)博愛學(xué)校在2013年蘆山地震中塔樓及結(jié)構(gòu)柱破壞情況
圖3 建筑結(jié)構(gòu)、橋梁隔震原理
隔震技術(shù)體系
隔震體系是指在結(jié)構(gòu)底部或某層間設(shè)置由柔性隔震裝置(如疊層橡膠隔震支座)組成的隔震層,形成水平剛度很小的“柔性結(jié)構(gòu)”體系(圖3a)。地震時,上部結(jié)構(gòu)“懸浮”在柔性的隔震層上,只做緩慢的水平整體平動,從而“隔離”從地面?zhèn)髦辽喜拷Y(jié)構(gòu)的震動,使上部結(jié)構(gòu)的震動反應(yīng)大幅降低,從而保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、室內(nèi)設(shè)備、儀器等不受任何損壞,使隔震結(jié)構(gòu)在大地震中成為“安全島”。隔震體系把傳統(tǒng)抗震體系通過加大結(jié)構(gòu)斷面和配筋的“硬抗”概念和途徑,改為“以柔克剛”的減震概念和途徑,是中華文化“以柔克剛”哲學(xué)思想在結(jié)構(gòu)防震工程中的成功運用。從結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析,隔震結(jié)構(gòu)是把結(jié)構(gòu)的自振周期大大延長(即“柔性結(jié)構(gòu)”),從TS1延長至TS2,則結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)將從X¨S1降為X¨S2,降為原來傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的1/4~1/8(圖3b),結(jié)構(gòu)抗震性能大幅提高(圖4)。
早在一二千年前,我們祖先就成功地應(yīng)用隔震減震的概念和技術(shù)建成了遍布全國各地的宮殿、寺廟、樓塔等建筑,經(jīng)歷多次地震而成功保存下來?,F(xiàn)代隔震技術(shù)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一項新技術(shù),多年來,世界各國學(xué)者對此項技術(shù)開展了廣泛、深入的研究,并已在工程中推廣應(yīng)用。
我國近代隔震技術(shù)與國際基本同時起步,但發(fā)展較快。我國首幢砂墊層隔震建筑由李立教授主持于1980年建成;由劉德馨、曾國林主持的石墨砂漿滑移層隔震房屋于1986年建成;我國最初建成的這幾幢隔震房屋至今尚未經(jīng)歷地震考驗,而由于砂墊層或砂漿滑移層在地震后沒有復(fù)位功能,故未能推廣應(yīng)用。由本文作者主持,于1989—1993年在汕頭市建成的我國第一幢夾層橡膠墊隔震房屋,在1994年9月6日中國臺灣海峽7.3級地震中經(jīng)受了考驗。此后,相繼在云南、河南、新疆、四川、山西、北京、福建等地建成了多幢夾層橡膠支座隔震房屋,有些還成功經(jīng)歷地震考驗。目前,隔震房屋已逐漸在我國推廣應(yīng)用,至2015年年底,已建成隔震建筑超過6000棟。
與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比,隔震結(jié)構(gòu)有下述的優(yōu)越性:
(1)確保建筑結(jié)構(gòu)在大地震時的安全。隔震體系可使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)降為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的1/4~1/8,使隔震結(jié)構(gòu)有很寬的“防巨震安全極限邊界”,在超烈度大地震時成為“安全島”,保護(hù)幾代人的生命和財產(chǎn)安全!
(2)地震時上部結(jié)構(gòu)保持彈性,結(jié)構(gòu)在地震中不損壞,避免震后很困難的修復(fù)工作。
(3)可實現(xiàn)性能化防震設(shè)計,實現(xiàn)地震設(shè)防的“雙保護(hù)”,即既保護(hù)結(jié)構(gòu)安全,也保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、室內(nèi)設(shè)備儀器等的使用功能不中斷。這對于醫(yī)院、學(xué)校、指揮中心、網(wǎng)絡(luò)、實驗室、廣播電視臺、機場、車站、電站、各種生命線工程等尤為重要,能避免大地震發(fā)生時城市功能陷于癱瘓,避免大地震發(fā)生時的直接災(zāi)害或次生災(zāi)害。
(4)適用于規(guī)則建筑結(jié)構(gòu),也適用于非規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)。隔震后的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大幅降低,結(jié)構(gòu)的水平變形(層間變形或扭轉(zhuǎn)變形等)都集中在柔軟的隔震層而不發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)本身,從而保護(hù)功能要求較高的復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu),在地震中不被損壞。這適合于保障學(xué)校、醫(yī)院、高檔住宅、辦公大樓、影劇院、機場、交通樞紐等的地震安全。
(5)采用隔震技術(shù),投資增加不多。當(dāng)隔震技術(shù)應(yīng)用于防震性能要求較高或高烈度地區(qū)時,還能降低建筑結(jié)構(gòu)造價。
(6)隔震技術(shù)不僅可用于新建建筑,也可用于對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震加固,能大幅提高地震安全性。在達(dá)到基本相同的要求下,造價比傳統(tǒng)方法更低。
隔震技術(shù)的工程應(yīng)用
中、美、日、意和新西蘭等國家已較多采用隔震技術(shù),表1列出了中、美、日三國隔震工程應(yīng)用的情況。經(jīng)過40余年的發(fā)展,中國的隔震技術(shù)已邁入了國際先進(jìn)行列,其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
圖4 隔震體系與傳統(tǒng)抗震體系的對比
表1 中國、美國、日本隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)用統(tǒng)計表(截至2015年)
隔震技術(shù)主要應(yīng)用于住宅、學(xué)校、醫(yī)院、高層建筑、復(fù)雜或大跨建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、核電站、重要設(shè)備、歷史文物與古跡保護(hù)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)民房等,有些隔震工程還成功經(jīng)受了地震考驗。舉例如下:
(1)住宅建筑及學(xué)校、醫(yī)院等公用建筑。
【實例1】我國第一棟橡膠支座隔震房屋,鋼筋混凝土框架隔震結(jié)構(gòu),8層住宅(圖5),位于廣東省汕頭市,是聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)隔震技術(shù)國際示范項目,1989立項,1993建成使用,是當(dāng)年世界最高的隔震住宅樓。1994年9月16日,發(fā)生臺灣海峽7.3級地震。傳統(tǒng)抗震房屋晃動激烈,人站不穩(wěn),青少年跳窗避險,學(xué)校孩子逃跑踩踏,死亡及受傷共126人。但隔震房屋內(nèi)的人毫無震感。震后,從窗外看到馬路上擠滿驚恐逃跑的人們,才知道剛才發(fā)生了地震,因此住戶普遍認(rèn)為住在隔震樓內(nèi)很有安全感。
圖5 我國第一棟橡膠支座隔震房屋,8層住宅
圖6 北京地鐵地面樞紐站大面積平臺上隔震住宅樓
【實例2】烏魯木齊石化廠隔震住宅樓群,2000年建成,共38棟18萬平方米,為當(dāng)年全球面積最大的隔震住宅群,采用了基礎(chǔ)隔震形式,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)降為1/7。在7~8級大地震時也可保障人們生命和財產(chǎn)的安全。
【實例3】北京地鐵地面樞紐站大面積平臺上隔震住宅樓(通惠家園),建于2001年,隔震建筑面積48萬平方米,是當(dāng)年世界面積最大的層間隔震建筑群,隔震層設(shè)在二層平臺頂部(圖6),采用三維隔減震體系,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)降為1/6,火車引起的振動降為1/10,既確保地震安全,也避免地鐵振動干擾。
【實例4】蘆山縣人民醫(yī)院門診樓,為2008年汶川地震后澳門援建的醫(yī)院建筑(圖7),包括采用了橡膠支座隔震技術(shù)的門診樓1棟,采用抗震(未隔震)的住院樓2棟。2013年蘆山地震中,抗震的2棟住院樓破壞嚴(yán)重,功能中斷和癱瘓,而隔震的1棟門診樓,結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)備儀器完好無損,震后馬上投入緊張繁重的醫(yī)療搶救工作,隔震門診樓成為震后全縣急救醫(yī)院。醫(yī)院曾院長說:“地震后全縣所有醫(yī)院都癱瘓了,就剩這棟隔震樓,成為全縣唯一的急救中心,如果沒有這棟隔震樓,災(zāi)后就無法對重傷員進(jìn)行搶救了,后果真是不堪設(shè)想……”
【實例5】汶川第二小學(xué),鋼筋混凝土多層教學(xué)樓,共7棟,全部采用隔震技術(shù),2010年建成。老師對學(xué)生說:“地震時,千萬不要往外跑!我們待在隔震樓里,屋里比屋外更安全?!痹?013年4月20日,發(fā)生7.0級蘆山地震,根據(jù)安裝在幾個建筑物(隔震和抗震)中的儀器獲得的地震反應(yīng)記錄,隔震樓的地震反應(yīng),只有相鄰的抗震房屋地震反應(yīng)的1/6~1/8,所有隔震樓完好無損,隔震樓就像“安全島”。
圖7 蘆山縣人民醫(yī)院隔震與抗震樓
圖8 昆明新機場隔震航站樓
(2)復(fù)雜建筑。
【實例6】昆明新機場隔震航站樓,隔震建筑面積50萬平方米,是目前世界最大的單體隔震建筑(圖8)。因為靠近地震斷層,地震危險性較大。采用隔震技術(shù),能夠在大地震時保護(hù)結(jié)構(gòu)安全、保護(hù)上部曲線彩帶鋼柱不損壞、保護(hù)特大玻璃不破壞、保護(hù)大面積天花板不掉落,還要在大地震時保護(hù)內(nèi)部設(shè)備儀器不晃倒掉落損壞、確保地震后航運功能不中斷等要求。2015年3月9日,云南嵩明縣發(fā)生4.5級地震,昆明新機場隔震航站樓的儀器記錄如下:地震時,樓面加速度反應(yīng),降為地面加速度反應(yīng)的1/4,顯示非常明顯的隔震效果。
2015年開工建設(shè)的北京新機場,航站樓約70萬平方米,采用全隔震技術(shù)。建成后將成為全球最大的單體隔震建筑,將會是隔震技術(shù)在全球范圍內(nèi)的新范例。
即將建設(shè)的海南海口美蘭國際機場(二期),新航站樓約30萬平方米,也采用全隔震技術(shù)。
我國高烈度地區(qū)的新建機場,有采用全隔震技術(shù)的趨勢。這將大大提高我國機場的防御地震的能力,確保大地震發(fā)生時機場航運功能不中斷,大大提高我國城市防震減災(zāi)能力,造福子孫后代!
(3)長大橋梁結(jié)構(gòu)。
【實例7】港珠澳大橋,長約26 km,橋梁采用隔震技術(shù),是目前世界最長的隔震橋梁。隔震支座設(shè)置在橋墩頂部。地震時,把可能發(fā)生在橋墩底部出現(xiàn)變形裂縫,轉(zhuǎn)變?yōu)樵跇蚨枕敳康母粽鹬ё乃阶冃?,使橋墩保持彈性狀態(tài),避免浸在海水中的橋墩底部出現(xiàn)難以修復(fù)的損壞(圖9a),并把橋梁的地震反應(yīng)大幅降低。廣州大學(xué)對港珠澳大橋分別做了隔震和抗震的振動臺對比試驗研究(圖9b),試驗結(jié)果表明,隔震與非隔震的地震反應(yīng)比為1/5,防震安全性大幅提高,能確保橋梁在大地震時的安全。
(4)核電站地震保護(hù)。
2007年日本新潟地震,引發(fā)了核事件。2011年3月11日日本東海大地震,引發(fā)福島核電站(建于20世紀(jì)70年代)第一核電站三號機組爆炸,震驚了全世界。但新建的福島核電站指揮部大樓采用隔震技術(shù),在這次地震中表現(xiàn)極為出色,結(jié)構(gòu)及裝修無任何損壞,內(nèi)部設(shè)備儀器無一掉落,完好無損,保證了指揮系統(tǒng)功能照常運行,成為地震后的指揮中心。
利用核能,有人稱之為“人與魔鬼打交道”,必須做到萬無一失。采用隔震技術(shù),被國內(nèi)外認(rèn)為是保護(hù)核電站地震安全的最有效途經(jīng)之一。經(jīng)深入研究分析和部分應(yīng)用得知,核電站采用整體隔震體系,可使核電站結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備儀器的地震反應(yīng)降為原來的1/6~1/8,可使核電站場地的容許地震動加速度從0.20 g提高至0.80 g,即也意味著,可在高烈度地震區(qū)建設(shè)核電站。隔震技術(shù)也有利于核電站結(jié)構(gòu)與設(shè)備設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化,可以保障核電站地震安全,展現(xiàn)了光輝的前景!
目前,世界已建成3座隔震核電站,還有多個采用隔震技術(shù)的核電站正在施工或設(shè)計中。
(5)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村房屋隔震技術(shù)。
我國廣大農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民住房,抗震問題非常嚴(yán)重。農(nóng)村建房缺技術(shù),建材多為磚石木等,無正規(guī)設(shè)計和施工,抗震性能很差。小震大災(zāi)、中震巨災(zāi)的現(xiàn)象在我國農(nóng)村地區(qū)頻頻發(fā)生,廣大農(nóng)民并未分享現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的成果。如何把隔震技術(shù)應(yīng)用于我國廣大農(nóng)村地區(qū),保護(hù)農(nóng)民生命和財產(chǎn)安全,是我們這代人的重要任務(wù)。
廣州大學(xué)和相關(guān)單位部門合作,對我國農(nóng)村房屋隔震技術(shù)進(jìn)行了多年的研究、試驗和應(yīng)用,取得了可喜的進(jìn)展。已開發(fā)了適合我國廣大農(nóng)村地區(qū)的“彈性隔震磚”技術(shù)體系。
【實例8】適合農(nóng)村地區(qū)的“彈性隔震磚”技術(shù)體系(圖10)。該體系設(shè)計施工簡單、無需大型建筑機械、農(nóng)民工匠可自建、造價低廉。地震振動臺實驗表明,應(yīng)用“彈性隔震磚”的簡易磚房,能經(jīng)受Ⅶ~Ⅷ度烈度的影響而完好無損。
可以預(yù)期,“彈性隔震磚”技術(shù)的推廣應(yīng)用,將為我國廣大農(nóng)村房屋的地震安全、建設(shè)美麗并安全的新農(nóng)村、保護(hù)廣大農(nóng)民生命和財產(chǎn)、終止我國地震造成的一次次重復(fù)的大災(zāi)難,展現(xiàn)未來的美景!
圖9 港珠澳大橋隔震體系及振動臺試驗
圖10 鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村 “彈性隔震磚”隔震房屋
消能減震體系
結(jié)構(gòu)消能減震體系,是把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件(如支撐、剪力墻等)設(shè)計成消能構(gòu)件,或在結(jié)構(gòu)的某些部位(節(jié)點或聯(lián)結(jié)處)安裝耗能裝置(阻尼器等),在風(fēng)荷載或小地震時,這些消能桿或阻尼器仍處于彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)仍具有足夠的側(cè)向剛度,以滿足正常使用要求。在中強地震發(fā)生時,隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大,這些消能構(gòu)件和阻尼器率先進(jìn)入非彈性變形狀態(tài),產(chǎn)生較大阻尼,消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,使主體結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入明顯的破壞,并迅速衰減結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強烈地震中免遭過度破壞。
傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)是通過梁、柱、節(jié)點等承重構(gòu)件產(chǎn)生裂縫、非線性變形來消耗地震能量的,而消能減震結(jié)構(gòu)是通過耗能支撐、阻尼裝置等產(chǎn)生阻尼,先于承重構(gòu)件損壞而進(jìn)行耗能,衰減結(jié)構(gòu)震動,從而起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用(圖11)。
圖11 消能減震體系的減震機理
與傳統(tǒng)的抗震體系相比較,消能減震體系有如下的優(yōu)越性:
(1)傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是把結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件(梁、柱、節(jié)點)作為消能構(gòu)件的,地震中受損壞的是這些承重構(gòu)件,甚至導(dǎo)致房屋倒塌。而消能減震體系則是以非承重構(gòu)件作為消能構(gòu)件或另設(shè)耗能裝置,它們的損壞過程是保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的過程,所以是安全可靠的。
(2)消能構(gòu)件在震后易于修復(fù)或更換,使建筑結(jié)構(gòu)物迅速恢復(fù)使用。
(3)可利用結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件(支撐、剪力墻等)作為消能構(gòu)件,無須專設(shè)。
(4)可衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)20%~50%。
由于上述的優(yōu)越性,消能減震體系已被廣泛用于高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)的地震保護(hù)中。
消能減震體系的工程應(yīng)用
消能減震結(jié)構(gòu)體系按照所采用的減震裝置,可以分為“速度相關(guān)型”和“位移相關(guān)型”。速度相關(guān)型阻尼器,主要有粘滯型阻尼器(其耗能能力與速度大小相關(guān)),包括油阻尼器,粘彈性阻尼器等。位移相關(guān)型阻尼器(其耗能能力與位移大小相關(guān)),包括金屬屈服型阻尼器(包括軟鋼阻尼器、鉛阻尼器,屈曲約束支撐BRB,形狀記憶合金SMA等),摩擦阻尼器等。近年來,以陳政清為代表的團(tuán)隊研發(fā)了高靈敏、高效能、高耐久性的電渦流阻尼減震裝置,將是耗能減震領(lǐng)域的革命性突破。
美國是開展消能減震技術(shù)研究較早的國家之一。早在1972年竣工的紐約世界貿(mào)易中心大廈的雙塔樓安裝了粘彈性阻尼器,有效地控制了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動反應(yīng),提高了風(fēng)載作用下的舒適度。日本也是應(yīng)用消能減震技術(shù)較多的國家。31層的Sonic辦公大樓共安裝了240個摩擦阻尼器,日本航空公司大樓使用了高阻尼性能阻尼器。加拿大也較早研究摩擦消能減震支撐并大量應(yīng)用,世界各國應(yīng)用消能減震的工程案例不勝枚舉。
本文作者通過多方面的試驗研究,提出了在高層建筑中設(shè)置“鋼方框消能支撐”進(jìn)行消能減震,并完成了足尺模型的試驗。于1980年在洛陽市建成我國第一棟設(shè)置有鋼方框消能支撐的廠房結(jié)構(gòu)。
我國自20世紀(jì)80年代起,一直致力于消能減震技術(shù)的研究工作和工程應(yīng)用實踐。目前已自行研發(fā)出了一些消能減震裝置,并提出了與之適應(yīng)的新型消能減震結(jié)構(gòu)體系,完成了多項消能裝置的力學(xué)性能試驗和減震結(jié)構(gòu)的模擬振動臺試驗研究,獲得了大量有學(xué)術(shù)價值的研究成果。
消能減震技術(shù)在我國結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍和形式越來越廣泛,在各種重要建筑及大跨橋梁中均有較多的應(yīng)用。目前全球建成的消能減震房屋和橋梁約有20000余座。
【實例9】消能減震支撐在房屋結(jié)構(gòu)減震中的應(yīng)用(圖12)。
【實例10】粘滯阻尼器應(yīng)用于控制斜拉橋位移量和控制橋梁縱飄反應(yīng)(圖13)。
隨著高強輕質(zhì)材料的采用,高層、超高層等高柔結(jié)構(gòu)及特大跨度橋梁不斷涌現(xiàn),如果采用傳統(tǒng)的“硬抗”途徑(加強結(jié)構(gòu)斷面,加強剛度等)來解決風(fēng)振和地震安全問題,不僅很不經(jīng)濟(jì),而且效果差,常常難以解決問題。而巧妙的結(jié)構(gòu)控制技術(shù),為解決超高、超長結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震安全問題,提供了一條嶄新的途徑。
結(jié)構(gòu)控制是指在結(jié)構(gòu)某個部位設(shè)置一些控制裝置,當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時,被動或主動地施加與結(jié)構(gòu)振動方向相反的質(zhì)量慣性力或控制力,迅速減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng),以滿足結(jié)構(gòu)安全性和舒適性的要求。其研究和應(yīng)用已有40多年的歷史。
圖12 房屋結(jié)構(gòu)中的消能減震支撐
圖13 斜拉橋中的油阻尼器
圖14 廣州塔混合控制
結(jié)構(gòu)振動控制,主要是為了滿足高層超高層建筑、電視塔等高聳建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能。按照是否需要外部能量輸入,結(jié)構(gòu)控制可分為被動控制(免外部能量輸入)、主動控制(需外部能量輸入)、半主動控制(改變結(jié)構(gòu)剛度或阻尼)和混合控制(被動控制加主動控制)等4類:被動控制系統(tǒng)主要有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)等;主動控制系統(tǒng)主要有主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AMD)、混合質(zhì)量阻尼器(HMD)等;半主動控制系統(tǒng)主要有主動變剛度系統(tǒng)(AVS)、主動變阻尼系統(tǒng)(AVD)等;混合控制是將主動控制和被動控制同時施加在同一結(jié)構(gòu)上的控制形式。
全球首次將控制技術(shù)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu),建成于1989年的日本東京Kyobashi Center,采用了AMD控制系統(tǒng)。之后,控制技術(shù)在全世界及我國得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
【實例11】2009年建成的廣州塔是我國在超高層建筑中成功應(yīng)用混合控制技術(shù)的典范(圖14)。由廣州大學(xué)、哈工大、廣州市設(shè)計院和ARUP等單位合作,為該塔的風(fēng)振和地震安全控制研發(fā)了新型主動加被動的混合控制系統(tǒng)(HTMD)。
廣州塔采用混合控制體系,是經(jīng)過多方比較分析的。如果采用被動控制(免外部能量輸入)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)體系,技術(shù)成熟可靠,造價低,但只能減震10%~30%,對桅桿是滿足要求的,但對主體結(jié)構(gòu)達(dá)不到減震要求。如果采用主動控制(需外部能量輸入)的主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AMD),能減震30%~60%,但技術(shù)成熟性和可靠性較差,造價也高。經(jīng)過深入分析和試驗研究,采用混合控制體系(HTMD),即在被動調(diào)諧質(zhì)量裝置(TMD)上再設(shè)置一小質(zhì)量的主動調(diào)諧系統(tǒng)(AMD),可達(dá)到技術(shù)成熟性和可靠,減震效果達(dá)到要求,能減震20%~50%,造價也不高。該體系還巧妙地利用塔頂2個消防水箱(各600噸)作為調(diào)諧質(zhì)量,不必額外專門制設(shè)鋼制質(zhì)量球,更加經(jīng)濟(jì)。
廣州塔利用塔頂水箱作為調(diào)諧質(zhì)量的混合控制系統(tǒng)HTMD(TMD+AMD),從形式上看是雙層調(diào)諧質(zhì)量在運動。通過小質(zhì)量塊的快速運動產(chǎn)生慣性力來驅(qū)動大質(zhì)量塊的運動,從而抑制主體結(jié)構(gòu)的振動。當(dāng)主動調(diào)諧控制系統(tǒng)失效時,就變?yōu)楸粍诱{(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD),因此具有Fail—Safe(失效仍安全)的功能。這保證該系統(tǒng)在很不利的條件下,都能正常運行,可靠性很高。
通過結(jié)構(gòu)分析和振動臺試驗表明,廣州塔在用了HTMD系統(tǒng)后可有效減震20%~50%。該塔建成后,經(jīng)歷了多次大臺風(fēng)的考驗,實測有效減震30%~50%。這進(jìn)一步實際驗證了HTMD應(yīng)用在高聳結(jié)構(gòu)上的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
圖15 維修代價趨勢圖
(1)抗震、隔震、減震技術(shù)比較。
抗震:結(jié)構(gòu)自振周期很難遠(yuǎn)離地面卓越周期,地震時容易發(fā)生一定程度的共振,結(jié)構(gòu)震動反應(yīng)可放大至200%以上,大地震時會嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施的安全。
消能減震:通過增大結(jié)構(gòu)阻尼來消耗能量,以減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),可減震20%~50%(即降低至80%~50%),但結(jié)構(gòu)震動放大系數(shù)仍大于1,為1.20~1.80。能實現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)位移(地震變形)反應(yīng)的目標(biāo),減少結(jié)構(gòu)的破壞程度,提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌安全性。
隔震:通過延長結(jié)構(gòu)自振周期,避開振動共震區(qū),有效隔離地震??蓽p震75%~90%(即降至25%~10%或1/4~1/8),大幅提高結(jié)構(gòu)安全性。震動放大系數(shù)遠(yuǎn)小于1,為0.10~0.30。能大幅減低結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)(地震作用)的目標(biāo),既能在大地震中保護(hù)結(jié)構(gòu)安全,也能保護(hù)內(nèi)部設(shè)施完好無損,使用功能不中斷。
(2)抗震、隔震、減震結(jié)構(gòu)地震損壞維修代價比較。圖15為日本Yusuke WADA教授對日本傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與減震、隔震結(jié)構(gòu)在震后維修代價隨地震烈度變化的趨勢圖??梢钥闯觯?/p>
在烈度較小地震時,抗震結(jié)構(gòu)尤其是延性設(shè)計的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生損壞,包括非結(jié)構(gòu)構(gòu)件或室內(nèi)設(shè)備儀器,震后維修代價較大;而減震結(jié)構(gòu)的損壞較輕微,震后維修費用較低;而隔震結(jié)構(gòu)完好無損。
當(dāng)烈度較大地震時,延性設(shè)計的結(jié)構(gòu)破壞程度就會加劇甚至倒塌,直到失去維修價值;而減震結(jié)構(gòu)在較大烈度地震時的破壞主要還是減震裝置的破壞,在經(jīng)歷地震后,只需更換、維修損壞的減震裝置;而隔震結(jié)構(gòu)完好無損。
在影響烈度特高地震時,延性設(shè)計的抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)倒塌;減震結(jié)構(gòu)比強度設(shè)計的抗震結(jié)構(gòu)破壞程度輕些,維修代價低于抗震結(jié)構(gòu);而隔震結(jié)構(gòu)仍然完好,僅在隔震層(隔震支座或柔性管線連接等)有輕微損壞,稍加維修即可恢復(fù)正常。
(3)減輕或終止我國地震災(zāi)難的技術(shù)選擇。
近年來,世界各地及我國地震頻發(fā)。目前我國要在全國范圍內(nèi)大幅度提高城鄉(xiāng)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),仍有難度,但對于有可能出現(xiàn)的巨災(zāi)不可不防。傳統(tǒng)強度設(shè)計和延性設(shè)計已不能滿足我國大規(guī)模城鄉(xiāng)建設(shè)對抗震的要求,而隔震、減震及控制技術(shù)正好彌補了傳統(tǒng)抗震技術(shù)所不能滿足的技術(shù)要求。
隔震、減震及結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是四十年來地震工程領(lǐng)域的重大創(chuàng)新成果,是城鄉(xiāng)建筑大幅提高地震安全性、防止地震破壞的最有效途徑,是終止我國城鄉(xiāng)地震災(zāi)難的必然技術(shù)選擇!在2015年第14屆國際隔震減震與控制大會上,國內(nèi)外專家一致認(rèn)為:“工程結(jié)構(gòu),包括既有結(jié)構(gòu),廣泛采用隔震減震技術(shù)的時代來臨了!”