建筑抗震技术及其发展走向

白 纪 韬

(天津大学建筑工程学院，天津 300072)

0 引言

地震是常见的自然灾害之一，每次发生，特别是6级以上大地震，往往会造成巨大的人员伤亡与财产损失。有研究表明，目前全球已进入地震活动高发期[1]，全球6级以上地震发生次数近似呈指数增长：公元前2150年到公元1900年(4050年)共687次，1901年到2000年(100年)共5 901次，2001年到2010年(9.5年)共1 894次。由此可见，在20世纪的100年间，6级以上地震的发生频率约为过去4050年的8.6倍，频密度增加约348倍；在21世纪第一个10年间，6级以上地震发生次数达到了20世纪100年间的约1/3，频密度增加为20世纪的3倍，是过去4050年的2.8倍，频密度增加约1 134倍[2]。地震活动对全球范围内人类的生产生活构成的威胁越来越大。

我国位于全球两大地震带——欧亚地震带与环太平洋地震带之间，地震活动十分活跃。历史上中国大部分省、自治区、直辖市都发生过多次破坏性地震[3]。20世纪以来，我国共发生6级以上地震650多次[4]，严重危害人民群众的生命财产安全，干扰了我国经济建设。因此，在我国大力发展、推广建筑抗震技术，符合我国国情，对于保障我国经济社会健康发展具有重要意义。

1 抗震建筑选址与基础设计

1.1 场地条件划分与抗震建筑选址

根据地段的地质、地形与地貌是否有利于抗震，可将不同地段划分为有利地段、一般地段、不利地段和危险地段。

有利地段通常为平坦、开阔的区域，具有稳定的基岩，土质为坚硬土或密实、均匀的中硬土。有利地段是优良的天然地基，可不经处理或简单处理即可作为建筑物地基。当条件允许时，建筑物应优先选址在有利地段，以最大限度地避免地震引发的次生地质灾害对建筑物稳定性的影响。

不利地段包括软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸或边坡边缘、平面分布上成因，岩性或状态明显不均匀的土层(包括故河道、疏松断裂层破碎带、暗埋的塘滨沟谷等)、高含水量的可塑黄土、地表的结构性裂缝等。在不利地段发生的震害通常包括液化、滑坡、地裂、震陷等。“液化”是指饱和松散的砂土或粉土在地震时呈悬浮状态，往往表现为地表喷水冒砂、地面下陷，造成地基的不均匀沉降，引发建筑物的下沉或整体倾覆乃至上部结构的破坏[5]，是导致建筑物损毁的主要因素之一。该现象在我国唐山大地震等地震中广泛存在。滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象[6]，在我国多发于山地，会对运动路径上的建筑物造成冲击破坏或掩埋。地裂是由于地质活动造成地面开裂的现象，可分为构造性地裂和非构造性地裂。地陷是地震中地面下沉的现象，多发于软土、松散砂类土、不均匀地基及人工填土中。不利地段是我国许多城市的主要地段类型，如天津、上海等地，土层软弱，地下水位高。对于这类不利地段，采取一定措施(如设计桩基础)后仍可作为建筑物地基，但总体而言对抗震不利。当条件允许时，仍应尽量避开不利地段。

危险地段则是地震时易发生滑坡、崩塌、泥石流、地表位错等地质灾害的区域，选址时应极力避免。不属于上述三种地段的区域统称为一般地段，通常情况下适宜作为建筑选址。

1.2 抗震建筑地基处理与基础设计

地基起到承受载荷并将建筑物固定在地表的作用。它虽不属于建筑的组成部分，但对保障建筑物稳定性具有重要作用。因此，在抗震建筑设计中，应格外关注对地基的处理。首先，为避免后期出现不均匀沉降的问题，地基应具有同一性。在条件适宜的情况下，建筑地基可选用天然地基。当地基条件不利时(如软土地基等)，可通过设置桩基础等方式促进建筑刚性与稳定性的提升，从而使建筑的抗震性得到充分保障[7]。同时，在建筑基础埋设时应合理控制深度，避免因埋深过浅而导致嵌固作用下降，从而提升建筑在地震中的稳定性。此外，对于承载力薄弱的地基，还可设置圈梁，以促进整体水平的提升，增强抗震能力。

2 结构抗震设计

2.1 结构抗震设计思路的变迁

抗震建筑结构的设计思路大体经历了由“刚性设计”到“柔性设计”再到“延性设计”的发展历程。所谓“刚性设计”，即尽可能提高结构刚度与强度，使其与基础形成一个刚性整体，从而缩短自振周期，增强抗震能力。而“柔性设计”则强调通过降低结构刚度以减少建筑与地震发生共振的几率，进而起到抗震的作用。但事实证明，无论是“刚性设计”还是“柔性设计”，都存在较大缺陷：“刚性设计”使结构高度、跨度与复杂性都受到了很大的限制，不利于建筑设计的创新；而按照“柔性设计”理念设计的结构往往刚度过小，难以满足结构的形变要求，甚至在小震下就因发生过大变形而破坏[8]。因此，综合两种理念优点，“刚柔兼济”的“延性设计”思想成为目前主流的结构抗震思路。当然，该思路也并非没有缺点，其最大的问题就是在强烈地震中，一些构件会发生较大破坏，而重要构件的损毁往往会引发连续破坏，造成更大的生命财产损失。因此，结构控制设计逐渐引起了人们的关注。

2.2 结构控制技术

结构控制技术是通过在结构上设置控制系统来降低结构地震响应或风荷载响应的方法。根据是否需要外部能量输入，结构控制技术可分为被动控制、主动控制、半主动控制与混合控制[9]四大体系。

被动控制是一种不需要外界能量输入的结构控制技术，主要包括隔震技术、消能减震技术和调谐减震技术[10]。其中，隔震技术应用较为广泛，效果较好，故此处做重点介绍。一般意义上的隔震结构是在结构的某一部位设置隔震装置或隔震层，以延长结构的自振周期。隔震层通常由隔震橡胶支座组成，支座内有较大阻尼，能阻隔输入上部结构的地震能量[11]，从而起到隔震减震的作用。例如，2013年4月20日的雅安地震中，采用该隔震技术修建的芦山县人民医院主楼外观完整且受损较小，而周围其他未采用隔震设计的建筑物则损毁严重，这充分体现了隔震结构的巨大优越性。此外，随着技术发展，又逐渐衍生出了滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震[12]等隔震结构。

主动控制即依靠外界能量输入实现对外部扰动和结构动力响应的即时跟踪与反应的控制方法[13]。由于主动控制系统需配置作动器、传感器、控制器等设备，不仅技术难度较大，且成本高昂，故目前应用尚少。

半主动控制系统的组成与主动控制系统相同，但它是由控制系统发出指令后，通过调整阻尼力来减小结构响应[8]。相比主动控制，半主动控制需要更少的能量即可实现。研究表明，经过合理设计的半主动控制系统，其性能要比被动控制系统更优越[14]。

混合控制体系一般是主动或半主动控制结合隔震等被动控制构成的新型控制模式，由于融合了多种结构控制理念，可以发挥综合优势，取得更为理想的抗震效果。例如，日本三菱重工界碑塔[15]采用主动控制与被动控制相结合的方式控制楼层扭转与层间位移，并取得了较理想的抗震效果。

同济大学鲁亮等[16]在混合控制理念的基础上进行创新，提出了“基底悬摆隔震结构”。常规意义的悬吊结构最早在桥梁工程领域得到普遍应用。在梁桥、拱桥、斜拉桥与悬索桥四种主要桥梁类型[17]中，有两种(斜拉桥与悬索桥)均属于悬吊结构。随着高强度钢丝等建材的规模化生产，悬吊式楼盖结构出现并开始应用于大跨空间和高层建筑领域，例如位于德国慕尼黑的宝马总部大楼和中国香港的汇丰银行总部大楼[18]等。而基底悬摆隔震结构则与此不同，其上部通过吊杆或吊索悬于刚性基础上，形成类似单摆的结构，利用单摆结构自振周期远长于一般地震波周期的特点，实现阻隔振动、减小结构地震响应的目标。同时，该结构可通过调整吊杆或吊索的长度来改变结构整体的动力特性，从而控制结构的地震响应。此外，该结构还在竖向与横向设置减震弹簧和耗能阻尼器，从而使其具备三向隔震能力。

3 抗震建筑材料

建筑的抗震性能与其自重大致成反比，即建筑整体质量越大，在地震中受损情况越严重。因此，抗震材料通常具备质轻的特点。此外，为提高结构的抗拉伸能力以及缓冲能力，材料还应具有高强、高韧的特性。常用的具有一定抗震功能的建筑材料有加气混凝土、橡胶、碳纤维等。其中，加气混凝土多用于高层建筑的填充墙和低层建筑的承重墙，是典型的通过大幅减轻建筑自重来增强建筑抗震能力的低密度建材；橡胶是制造隔震层或阻尼器的常用材料，主要通过吸收地震能量起到缓冲减震的作用；而近年来兴起的碳纤维则凭借其密度低、强度高、抗拉伸能力强等综合优势被越来越多地应用于建筑加固或混凝土改性。日本建筑师隈研吾曾使用密布在办公楼周围的混合碳纤维将办公楼与地面相连，从而对其进行加固并取得了良好的艺术效果。这也是世界上第一座使用碳纤维加固的具有抗震功能的商务办公楼[19]。

一些建筑材料可凭借其特殊的性能影响建筑结构设计，而结构的优良力学特征与材料性能的耦合往往会赋予建筑更强的抗震性能。例如，位于日本九州村区的480座穹顶泡沫房屋全部由粘合在一起的超轻聚苯乙烯泡沫塑料件构成。由于其自重轻、保温防水性能好且易于加工，该材料被直接制成各种构件经粘合形成壳式结构而无需设计柱子和横梁。在2016年4月的熊本地震(7.0级)中，该建筑群几乎未遭受任何破坏[19]，充分展现了该材料的巨大优越性。

4 中国传统建筑的抗震措施及机理

中国传统建筑发展历史悠久。现存的许多古建筑，如天津蓟县独乐寺、应县木塔、山西华严寺等，历经多次地震而屹立不倒，充分体现了中国传统建筑优良的抗震性能。而其中的原因值得探讨与借鉴。

4.1 中国传统建筑的抗震措施与机理

中国传统建筑优良的抗震性能可以从材料、结构与布局方面得到解释。首先，在建筑材料方面，中国传统建筑多由砖木构成，特别是承力构件，几乎全部为木质。作为天然抗震材料，木材具有众多优点，最突出的便是质量轻、强度与容重的比值高。小质量与高阻尼的结合可以大大减小惯性力，因此只需要一个较弱的侧力抵抗系统即可维持稳定[20]。另外，古代高级庙宇及皇家建筑的木构件表面多有漆饰，这些漆饰对木构件起到了很好的保护作用，缓解了木构件易受潮腐蚀而导致的力学性能变差的问题，使得建筑能在较长时间内维持较好的抗震能力。

其次，中国传统建筑的一些常见结构也在抗震方面发挥着重要作用。从整体上看，中国传统建筑基本都属于柔性的框架结构，这使得建筑的主体结构具有相当的弹性与一定的自我恢复能力。“墙倒而屋不塌”便很好地概括了这一特点。逐个分析古建筑的结构单元，不难发现，古代建筑一般都由台基、梁架、屋顶构成，高级别建筑在屋顶与梁柱间还有斗拱层。其中，台基类似于现代的“整体浮筏式基础”，能有效避免建筑基础遭受剪切破坏，减少地震波对上部结构的冲击；传统梁架通常采用抬梁式设计，在竖直方向上形成下大上小的结构，有利于在地震中保持稳定；庞大的屋顶则通过大量构件与下部结构相连，极大地增强了建筑的整体性，不易散架；斗拱则通过减震消能进一步提高了建筑抵御地震的能力。此外，对于佛塔等高耸建筑还存在类似于“自复位”结构的“心柱”设计，这也在一定程度上解决了地震中建筑倾斜程度(侧移程度)随自身高宽比增大而增大[21]的问题。

最后，中国传统建筑的整体布局也在减小地震影响方面起到了一定的作用。我国的古建筑群往往有明确的中轴线，各个建筑关于中轴线呈对称分布。对称式布局有利于减轻地震扭转效应[22]，从而降低地震损害。另外，就单个建筑而言，传统建筑通常是当心间最大，两侧房室逐渐缩小，这有利于抵抗地震的扭矩，保护建筑。

4.2 中国传统建筑对现代建筑抗震设计的借鉴意义

古建筑表现出的卓越的抗震性能令人瞩目。事实上，对于当代建筑抵御9度地震的设计目标，很多传统建筑基本都能达到。这表明古建筑对现代建筑抗震设计仍具有重要借鉴意义。

在材料上，考虑到现代建筑的特征，和古建筑一样用木材作为主要建材并不现实，因此，应积极寻找密度低、强度与容重比值高，同时又耐腐蚀的材料代替木材并发挥和木材类似的作用；结构上，采用浮筏式基础，借鉴有一定柔性的框架结构并加强建筑整体性，同时可在关键部位加入与斗拱结构作用类似的减震部件；布局上，尽量采用对称式设计，以最大程度上减小地震的危害。

5 中国抗震建筑产业的发展走向

5.1 抗震建筑的国内发展机遇与走向

近年来，我国装配式建筑行业发展迅猛。预制装配式结构能有效缩短施工周期、提高施工安全性、减少施工人力需求、保障施工质量、减少建筑垃圾、降低建筑生命周期能量消耗、提升建筑工程的生态环境效益，目前在部分发达国家和地区已有较多应用[23]。而装配式钢结构作为主要的装配式建筑结构之一，具有优良的抗震性能，因此，抗震建筑在国内的发展应牢牢把握装配式建筑发展热潮，与时俱进，不断增强自身的竞争力。同时，抗震建筑产业亦应充分利用国家的利好政策，努力实现更大的发展。

改革开放以来，我国积极引进并自主研发先进的建筑抗震技术与地震工程实验技术，目前已在高性能抗震材料研究、大型抗震工程建造等领域取得了丰硕的成果。然而，当前我国在前沿抗震技术研发方面仍与日本等发达国家存在一定差距。因此，在未来一段时间工程抗震仍将是土木工程领域研究的重要方向。结合建筑抗震技术的发展历程与当前存在的问题，笔者认为未来建筑抗震技术研究将重点围绕三个方向展开：首先是构建更完善的抗震设计理论以解决当前理论存在的问题；其次是继续在现有理论的框架内探索更优的抗震结构，以进一步提高建筑在地震中的稳定性；最后，建筑抗震技术研究亦应密切关注材料科学的发展，及时吸收借鉴性能优良的新材料，从而不断提高抗震建筑的安全性与宜居性。

5.2 抗震建筑与“一带一路”

随着“一带一路”战略的深入推进，我国融入全球化浪潮的趋势愈发明显。在此背景下，抗震建筑产业“走出去”已然成为扩大效益、增强整体竞争力、推动产业升级改造的必然选择。而一带一路沿线国家的地质状况则又为抗震建筑产业提供了旺盛的市场需求与广阔的发展空间。

对比“一带一路”沿线与全球地震带分布可以发现，“一带一路”沿线国家大多位于主要地震带上，例如地震频繁的印尼和意大利。这些国家对抗震建筑都有非常旺盛的需求，特别是发展中国家。因此，以“一带一路”战略为契机，在沿线国家大力推广抗震建筑，不仅能为该产业带来丰厚的回报，更将在提升沿线国家人民生活水平、保障经济社会持续健康发展等方面发挥建设作用。

6 结语

地震作为频发的地质灾害，对人民群众的生命财产安全构成了巨大的威胁。因此，大力发展建筑抗震技术，体现了“以人为本”的思想，对于保障经济社会持续健康发展具有重要意义。本文从工程地质条件、结构抗震设计与抗震建筑材料三个方面论述了建筑抗震技术的主要成果与发展历程，并结合古建筑在抗震方面的优点、现有技术存在的不足及国家政策提出了建筑抗震技术未来的发展方向与潜在机遇。