對(duì)部分抗震方法的淺談與比較

薛奕婷

【摘 要】抗震技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)有過眾多的技術(shù)突破。從曾經(jīng)一味通過加強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)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(shù)，設(shè)計(jì)師在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)實(shí)力，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)選取最為合適的抗震方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。本文基于科學(xué)性和實(shí)用性立場(chǎng)，對(duì)于抗震方法、設(shè)防目標(biāo)等進(jìn)行了系統(tǒng)而有建設(shè)性的論述。

【關(guān)鍵詞】抗震 阻尼器 結(jié)構(gòu) 方法

地震作為目前破壞力最強(qiáng)的自然災(zāi)害之一，對(duì)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(gè)長(zhǎng)期的技術(shù)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(jì)實(shí)力的國家。研究比較不同抗震方法的特點(diǎn)，了解抗震設(shè)備的技術(shù)狀況，對(duì)于合理選擇抗震方法，提高工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 抗震方法示例

1.1 構(gòu)造抗震

為了保證結(jié)構(gòu)的整體性，最大限度地避免造成人員的傷亡，設(shè)計(jì)時(shí)的構(gòu)造抗震為一種較為經(jīng)濟(jì)合理的抗震方式。構(gòu)造抗震主要有以下原則：強(qiáng)柱弱梁；強(qiáng)墩弱梁；強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等，這些原則的原理都是相似的，即為強(qiáng)剪弱彎。

由于目前對(duì)于地震的研究尚不完善，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)著重考慮構(gòu)件的變形能力。由于結(jié)構(gòu)在地震中的變形能夠消耗大量的能量，因此在設(shè)計(jì)過程中提高構(gòu)件的塑性對(duì)于抗震有著現(xiàn)實(shí)的意義。

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

然而對(duì)構(gòu)件進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)需要通過構(gòu)造強(qiáng)化抗剪強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置。在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器（或減震器）來減振消能。從二十世紀(jì)七十年代后，人們開始逐步地把這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到建筑、橋梁、鐵路等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)工程界接受以前，經(jīng)歷了大量實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)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(jié)構(gòu)分析中所假定的粘滯阻尼一致，這使得減震結(jié)構(gòu)的分析有可能比較方便、精確。在結(jié)構(gòu)中合理布置阻尼器可以消耗輸入結(jié)構(gòu)中的大部分地震能量，減小結(jié)構(gòu)位移，改善和提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。[2]

阻尼器減震是當(dāng)前結(jié)構(gòu)最重要的抗震方法之一，各國工程抗震專家和學(xué)者均積極致力于該技術(shù)的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用。阻尼器的形式多種多樣，其中不乏臺(tái)北101大廈的造型奇特的大型阻尼器。為了因應(yīng)高空強(qiáng)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)吹拂造成的搖晃，臺(tái)北101內(nèi)設(shè)置了“調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器”，是在88至92樓掛置一個(gè)重達(dá)660公噸的巨大鋼球，利用擺動(dòng)來減緩建筑物的晃動(dòng)幅度。據(jù)臺(tái)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(tái)北101調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器。

1.3 破壞釋能

由于構(gòu)建破壞時(shí)能夠釋放大量的能量，因此通過在地震發(fā)生時(shí)選擇性破壞部分構(gòu)件也為目前較為常用的一種抗震設(shè)計(jì)方式。由于梁柱節(jié)點(diǎn)為地震荷載作用時(shí)最為薄弱的環(huán)節(jié)，且節(jié)點(diǎn)一旦破壞建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常選擇引導(dǎo)能量在非梁柱節(jié)點(diǎn)處釋放，及引導(dǎo)地震作用至某非梁柱節(jié)點(diǎn)后通過該處構(gòu)件的破壞以釋放能量達(dá)到抗震的目的。目前無論建筑結(jié)構(gòu)或是橋梁結(jié)構(gòu)，多選擇在基礎(chǔ)連接處破壞以達(dá)到釋放能量的目的，首先結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)連接處破壞能夠使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與地面的約束依然可看作為剛接，基礎(chǔ)連接處破壞后結(jié)構(gòu)依然能夠保持其整體穩(wěn)定性以達(dá)到首先保護(hù)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(jí)較大的地震。該方法能夠釋放大量的能量，但地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也是巨大的，結(jié)構(gòu)破壞處修繕維護(hù)通常較為繁復(fù)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，在小震發(fā)生時(shí)或正常使用時(shí)引導(dǎo)破壞處產(chǎn)生破壞，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此設(shè)計(jì)計(jì)算在破壞釋能的抗震方法中顯得尤為重要。

2 設(shè)防目標(biāo)

2.1 性能指標(biāo)

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(qiáng)度各不相同，選擇抗震設(shè)計(jì)方法時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮不同地區(qū)對(duì)于抗震處理的需求程度。我國國家規(guī)范對(duì)不同地區(qū)設(shè)置了不同的抗震設(shè)防等級(jí)，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮規(guī)范中的抗震設(shè)防等級(jí)，合理考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

由于不同地區(qū)或國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力差距較大，因此抗震設(shè)防指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)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(gè)城市，造成重大人員傷亡。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，我國在GB5001-2010國家規(guī)范中向各設(shè)計(jì)單位明確提出了具有三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，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(nèi)超越概率為63.2%的多遇地震，中震在五十年內(nèi)超越概率為10%的設(shè)防地震，大震的定義為在五十年內(nèi)超越概率為2%的罕見地震。規(guī)范既要求建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理，也要求建筑在多遇地震或設(shè)防地震中達(dá)到正常使用或可修復(fù)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(shí)常遭受地震的侵襲。作為發(fā)達(dá)國家的日本其設(shè)防目標(biāo)不同于中國三標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)，日本的設(shè)防目標(biāo)僅分兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即“中震不壞，大震不倒”[4]。但是日本在抗震設(shè)計(jì)中對(duì)“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(duì)抗震的設(shè)計(jì)方法由兩次設(shè)計(jì)組織：一次設(shè)計(jì)， 校核應(yīng)力，要求結(jié)構(gòu)在第一水準(zhǔn)地震作用下的應(yīng)力值小于容許應(yīng)力；二次設(shè)計(jì)，校核變形， 即結(jié)構(gòu)在第二水準(zhǔn)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(qiáng)度與變形能力。[5]由此可見，由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力的差異以及對(duì)抗震設(shè)計(jì)需求的不同，日本對(duì)于地震作用的規(guī)定取值與中國相比偏大。

經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范不同的是，印尼設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)僅分為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即在發(fā)生50年超越概率為10%的地震時(shí)結(jié)構(gòu)能夠保持整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不至破壞，能夠保證國民的人身及基本財(cái)產(chǎn)安全。這與我國“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防差距較大，因此我國的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)更為安全合理。

可見不同國家根據(jù)自身的抗震設(shè)計(jì)需求，應(yīng)根據(jù)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范，使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)語

對(duì)于擁有不同經(jīng)濟(jì)實(shí)力，地處不同地理位置的國家或地區(qū)，在選擇其抗震設(shè)計(jì)方法時(shí)均應(yīng)考慮與當(dāng)?shù)氐卣鹦阅苤笜?biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)所匹配的抗震方法。對(duì)于本文所介紹的若干種設(shè)計(jì)方法中，構(gòu)造抗震或通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的抗震方法適用于中小地震，能夠保證結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)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(shè)資金，對(duì)于國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力有著較高的要求。采用阻尼器抗震為抗震技術(shù)發(fā)展至今一個(gè)非常重要的突破，能夠通過預(yù)埋在建筑內(nèi)部的阻尼器釋放部分地震能量，從而達(dá)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(shè)計(jì)方式，對(duì)于經(jīng)常發(fā)生特大地震，或經(jīng)濟(jì)實(shí)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(xiàn)：

[1]丹下健三.橋梁不僅是榮耀地標(biāo)，更應(yīng)是災(zāi)難時(shí)的脊梁——日本橋梁抗震方法設(shè)計(jì)解析[A].養(yǎng)護(hù)與管理2013年10月號(hào)（總第31期）[C].2013：4.

[2]鄭久建.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)分析方法及設(shè)計(jì)理論研究[D].中國建筑科學(xué)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(duì)比探討[D].中國地震局工程力學(xué)研究所，2010.

[4]土木學(xué)會(huì)，《混凝土標(biāo)準(zhǔn)示范書》[S].德島大學(xué)附屬圖書館.

[5]花林林，石建光.中國與日本在混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的比較分析[J].福建建筑，2006，04：25-27.