现代城市建筑物主要抗震结构技术及实例

刘邦禹

大连理工大学建筑工程学部，辽宁省 大连市 116024

现代城市建筑物主要抗震结构技术及实例

刘邦禹

大连理工大学建筑工程学部，辽宁省 大连市 116024

改革开放以来，我国城市化和工业化规模不断扩大，随着人口不断增长，城市基础设施及建筑物的数量急剧增长。但地震灾害时刻对人民群众的生命和财产安全带来严重的威胁。因此，防震减灾背景下发展建筑物抗震技术尤为重要。对国内外主要防震减灾研究成果的综合评述基础上,介绍了主要的建筑物抗震技术类型及其在防震减灾工作上的贡献，并对未来我国抗震建筑的发展提出了建设性意见。

城市建筑物; 防震减灾; 抗震技术

引言

作为世界上主要的自然灾害之一，地震所造成危害让人们深刻意识到地震防治的重要性。中国自古以来都是一个地震频发的国度，进入21世纪以来，我国已经发生了四川汶川、青海玉树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伤亡的地震之一，它夺走了超过8万同胞的生命，也造成了8452亿元的经济损失，这些惨痛的教训无疑向我们启示了地震防治的重要性和迫切性。就现阶段来说，地震的防治主要包括预和防两种途径。预，是指地震预测，即通过对地震前兆，地壳变化，还有地震发生的统计规律的研究，来科学的预测地震的发生时间和强度；防，就是通过必要的防范措施和设备有效地减少地震所造成的人员及经济损失。这两种方法之中，地震预测一直是公认的科学难题，我国乃至世界各国都处在深入探索阶段，因此通过在建筑物中应用抗震结构与技术应对地震侵袭加强对建筑和人员的防护无疑更加实用高效。

1 抗震结构技术及实例

1.1 刚性和柔性建筑结构

在日本，绝大多数的建筑物均采用了刚性结构建造，当地震来临时一般摇动都很小，不易倒塌。在2011年发生的东日本大地震中，虽然造成大量人员伤亡和部分的建筑物的破坏，但多数是由于地震诱发的海啸所造成的。地震结束后仍有很多建筑物依然屹立，其中包括不少高楼；不少建筑物仅有些扭曲歪斜，仍可使用，而坚固的学校、医院等建筑也成为灾民的临时避难所。这些建筑的挺立无疑是采用轻型钢木结构所带来的成果。

在很多超高层建筑中日本也采用了柔性结构设计，东京的很多超高层大厦都是典型的例子，地震来临时，这些高层建筑并不“硬抗”，它们会随着地震缓慢晃动，但由于地震时晃动情况不同，减小了发生共振的可能性，所以震动不会导致楼梯和墙体的坍塌。

此外，日本也有不少高层建筑仍采用了刚性性建筑结构，并且也获得了优秀的抗震性能。在一座日本的超高层公寓中，就使用了和美国世贸大厦同样的钢管材料，并在其中添加了超高强度的新型混凝土，这些40mm厚的钢材保证了大楼优秀的抗震能力。根据测验，在发生地震时，这种刚性结构的大楼摇晃程度仅为同样高度的柔性结构大楼的三分之一[2]。

1.2 隔震技术

自从1924年日本人鬼头健三郎提出了基础隔震的构想并在1978年由美国学者攻克技术难关后，新型隔震技术开始被大量运用。在日本，利用橡胶隔离体隔震早已是建筑抗震的基本技术。如地处府中市原日本制钢所东京制作所旧址的第一生命府中大厦，它在1988年开始了总体设计。在结构上,采取了当时成为热门话题的隔震构造。该大厦地下一层,地上七层,为劲性钢筋混凝土造框架

抗震墙结构,于1990年8月开始动工,1992年8月底主体工程竣工。大厦全楼采用隔震构造, 是当时全世界规模最大的超一流的隔震建筑，其隔震装置是由设置在地下一层楼板梁与基础之间,内部插入铅芯的层压橡胶垫(LRB)构成的。层压橡胶垫的直径为1100mm、1200mm、1300mm和1500mm。在选择隔震装置时,考虑到施工上和将来维修等方面的因素,采用了阻尼器型层压橡胶垫, 其中的LRB长期面压为68kg/cm2～98 kg/cm2,在当时是面压高和可信度高的。在针对地震进行设计时, 隔震层的屈服层剪力设定得较低(阻尼器的屈服剪力系数为0.035),这样不仅能在发生大地震时,发挥其隔震功能, 而且在发生中、小地震时也能起到隔震作用。地震反应模拟分析结果表明,由于采用了隔震构造, 标准层的反应加速度与一般的经过抗震设计的结构相比降低到其1/5以下的程度[3]。

我国的建筑中也多有应用隔震技术，尤其是在汶川的灾区重建工作中，广东省援建的十余所中小学校均采用了最先进的隔震技术，达到了九级设防，能抵抗八级地震的水平。学校的橡胶垫隔震技术由中国工程院周福霖院士亲自指导，隔震垫能将建筑的基础和上层楼体分隔开，当地震来临时，其能量会被隔震垫吸收消耗，以保证建筑安全。周院士的这种技术在甘肃陇南武都县的三栋六层民用住宅也有应用，在汶川大地震中这几栋民用住宅均完好无损，内部居民也并未感到强烈的震动。

1.3 耗能减震技术

耗能减震技术就是利用耗能减震装置吸收地震的能量，从而保护建筑物及人员的生命安全。这种技术最先是在20世纪70年代由美国科学家提出，并成功设计了软钢屈服耗能器。软钢是一种承载能力较低，但延性强的材料，它能在地震时能在房屋的承载结构断裂之前先发生塑性变形，而这种变形能吸收外界输入的大量能量，从而保障建筑物及人员的安全[4]。此后，世界各国掀起了研究耗能减震技术的热潮，并研究出了很多新型耗能减震装置并投入使用，包括黏滞液体阻尼器和干摩擦耗能器等。

我国也在耗能减震技术上有所研究，例如在北京汽车产业研发基地结构中就应用了黏滞液体阻尼器。北京汽车产业研发基地工程位于北京市顺义区西二环南，主要包括工程中心、产品研究中心、宿舍、试验室、游泳馆等。其结构体系较复杂，造型中心为钢框架-斜支撑体系，外环为斜钢柱剪力墙体系，北部为框架-剪力墙体系，南部为型钢混凝土框架体系。各部分之间由屋顶钢梁连接。工程的三个部分之间通过钢梁连接而成弱连接结构，三个部分的刚度存在显著差异，南侧框架结构和北侧框剪结构的刚度远小于造型中心和外环。为了同时抵抗地震内力和减小相对水平位移，连梁和南部框架的连接节点设置成双向滑动支座，并在支座附近布置12个黏滞阻尼器，布置在连梁层边梁和南北结构边梁之间。为了评估黏滞阻尼器在大震下的减震性能，采用MIDAS/ Genver730 软件分别对布置阻尼器结构模型和取消阻尼器结构模型进行了大震弹塑性分析。经过分析，原始模型最大相对速度达到了1.27m/s，而耗能模型最大相对速度为0.29m/s，原始模型最大相对位移达到了206mm，而耗能模型最大相对位移为53mm。可见，黏滞流体阻尼器的设置，大大减小了结构在大震作用下的动能和变形能，起到了保护主体结构的作用，黏滞流体阻尼器发挥了良好的消能减震作用，并使建筑的抗震性能得到了提高[5]。

1.4 其它结构抗震技术

1.4.1 吸振减震技术

吸振减震技术是指在建筑物顶端设置一子结构，且此结构自振频率与建筑本体自振频率相同，则地震时该结构振幅将增大，建筑体振幅减小，使大部分振动能量从建筑体转移至子结构，从而保护建筑。此技术在许多超高层建筑已有应用，但目前科学对其安全性仍有质疑。

1.4.2 “局部浮力”的抗震系统

日本清水建设公司开发了一种名为“局部浮力”的抗震系统, 即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。局部浮力系统在上层结构与地基之间加设一贮水槽，靠水的浮力承担建筑物大约一半重量。这样既减轻了地基的承重负荷,又可以把隔震橡胶小型化,降低支撑构造部分的刚性,从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时,由于浮力作用延长了固有振动周期,建筑物晃动的加速度得以降低。据清水建设公司推算,一栋8层建筑物的固有周期最大可以达到5s以上。采用这种系统在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗展效果。此外,贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火,地震发生后可作为临时生活用水。这一系统成本并不算高,以8层楼医院建筑为例成本比普通抗震系统仅高出大约2%[6]。

1.4.3 “滑动体”抗震基础

在日本，很多老建筑因材质过轻不适合使用积层橡胶垫隔震技术，于是日本建造师发明了滑动体抗震技术，用轴承及其他球形体分隔建筑体与地下基础，地震时建筑物可以轻微的滑动，减轻了震动的破坏[6]。与之相似的是美国的“滚珠大楼”：如硅谷最近兴建的一座电子工厂大厦，在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来，发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动，可以大大减弱地震的破坏力[1]。

2 结语

中国的建筑抗震尚在起步阶段，从建筑结构与材料上说，中国建筑仍有很多是采用预制板的多层砌体房屋结构，这种材料房屋脆性极强，在受到强烈冲击后就会发生结构断裂从而造成房屋倒塌；而在建筑技术上，利用橡胶垫隔震的基础隔震技术已在世界上被广泛应用，但在国内仍不常见。为了增强我国建筑的抗震能力，在地震频发地区积极采用基础隔震、耗能减震等已在世界广泛采用的先进技术是十分必要的。此外，建立严格完善的抗震建筑法规并对学校等重要基础设施进行抗震强度检测也十分重要，当地震来临，坚固的学校既可以保护学生的安全也可以成为市民的紧急“避难所”。总体来说，我国对地震等自然灾害的抵抗能力与唐山地震时相比已有大幅增强，相信随着新技术的不断应用，我国在与地震的抗争中必会取得更大的成效。

[1]苏房.世界知名抗震建筑给我们的启示[N].中华建筑报,2011年3月22日,第011版.

[2]杨杰.日本建筑抗震技术及其启示[J].成都航空职业技术学院学报,2011,87(2):45-47.

[3]李传林,郭子雄.建筑结构隔震技术在日本的应用与发展[J].基建优化,2006, 27(5):104-107.

[4]周云,邓雪松,黄文虎.耗能减震结构的抗震设计原则与设计方法[J].世界地震工程, 1998,14(4):49-56.

[5]张胜,张凡,周忠发等.耗能减震技术在北京汽车产业研发基地结构中的应用[J].建筑结构, 2011,41(9):141-142.

[6]牛盛楠,马剑,杨现国.“以柔克刚”——谈汶川地震后对日本建筑结构抗震新技术的借鉴[J].新建筑,2008,4:109-111.

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.016

刘邦禹，大连理工大学建工学部。