建筑抗震技術(shù)及其發(fā)展走向

白 紀 韜

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

地震是常見的自然災(zāi)害之一，每次發(fā)生，特別是6級以上大地震，往往會造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。有研究表明，目前全球已進入地震活動高發(fā)期[1]，全球6級以上地震發(fā)生次數(shù)近似呈指數(shù)增長：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。由此可見，在20世紀的100年間，6級以上地震的發(fā)生頻率約為過去4050年的8.6倍，頻密度增加約348倍；在21世紀第一個10年間，6級以上地震發(fā)生次數(shù)達到了20世紀100年間的約1/3，頻密度增加為20世紀的3倍，是過去4050年的2.8倍，頻密度增加約1 134倍[2]。地震活動對全球范圍內(nèi)人類的生產(chǎn)生活構(gòu)成的威脅越來越大。

我國位于全球兩大地震帶——歐亞地震帶與環(huán)太平洋地震帶之間，地震活動十分活躍。歷史上中國大部分省、自治區(qū)、直轄市都發(fā)生過多次破壞性地震[3]。20世紀以來，我國共發(fā)生6級以上地震650多次[4]，嚴重危害人民群眾的生命財產(chǎn)安全，干擾了我國經(jīng)濟建設(shè)。因此，在我國大力發(fā)展、推廣建筑抗震技術(shù)，符合我國國情，對于保障我國經(jīng)濟社會健康發(fā)展具有重要意義。

1 抗震建筑選址與基礎(chǔ)設(shè)計

1.1 場地條件劃分與抗震建筑選址

根據(jù)地段的地質(zhì)、地形與地貌是否有利于抗震，可將不同地段劃分為有利地段、一般地段、不利地段和危險地段。

有利地段通常為平坦、開闊的區(qū)域，具有穩(wěn)定的基巖，土質(zhì)為堅硬土或密實、均勻的中硬土。有利地段是優(yōu)良的天然地基，可不經(jīng)處理或簡單處理即可作為建筑物地基。當條件允許時，建筑物應(yīng)優(yōu)先選址在有利地段，以最大限度地避免地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害對建筑物穩(wěn)定性的影響。

不利地段包括軟弱土、液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸或邊坡邊緣、平面分布上成因，巖性或狀態(tài)明顯不均勻的土層(包括故河道、疏松斷裂層破碎帶、暗埋的塘濱溝谷等)、高含水量的可塑黃土、地表的結(jié)構(gòu)性裂縫等。在不利地段發(fā)生的震害通常包括液化、滑坡、地裂、震陷等。“液化”是指飽和松散的砂土或粉土在地震時呈懸浮狀態(tài)，往往表現(xiàn)為地表噴水冒砂、地面下陷，造成地基的不均勻沉降，引發(fā)建筑物的下沉或整體傾覆乃至上部結(jié)構(gòu)的破壞[5]，是導(dǎo)致建筑物損毀的主要因素之一。該現(xiàn)象在我國唐山大地震等地震中廣泛存在。滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象[6]，在我國多發(fā)于山地，會對運動路徑上的建筑物造成沖擊破壞或掩埋。地裂是由于地質(zhì)活動造成地面開裂的現(xiàn)象，可分為構(gòu)造性地裂和非構(gòu)造性地裂。地陷是地震中地面下沉的現(xiàn)象，多發(fā)于軟土、松散砂類土、不均勻地基及人工填土中。不利地段是我國許多城市的主要地段類型，如天津、上海等地，土層軟弱，地下水位高。對于這類不利地段，采取一定措施(如設(shè)計樁基礎(chǔ))后仍可作為建筑物地基，但總體而言對抗震不利。當條件允許時，仍應(yīng)盡量避開不利地段。

危險地段則是地震時易發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流、地表位錯等地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，選址時應(yīng)極力避免。不屬于上述三種地段的區(qū)域統(tǒng)稱為一般地段，通常情況下適宜作為建筑選址。

1.2 抗震建筑地基處理與基礎(chǔ)設(shè)計

地基起到承受載荷并將建筑物固定在地表的作用。它雖不屬于建筑的組成部分，但對保障建筑物穩(wěn)定性具有重要作用。因此，在抗震建筑設(shè)計中，應(yīng)格外關(guān)注對地基的處理。首先，為避免后期出現(xiàn)不均勻沉降的問題，地基應(yīng)具有同一性。在條件適宜的情況下，建筑地基可選用天然地基。當?shù)鼗鶙l件不利時(如軟土地基等)，可通過設(shè)置樁基礎(chǔ)等方式促進建筑剛性與穩(wěn)定性的提升，從而使建筑的抗震性得到充分保障[7]。同時，在建筑基礎(chǔ)埋設(shè)時應(yīng)合理控制深度，避免因埋深過淺而導(dǎo)致嵌固作用下降，從而提升建筑在地震中的穩(wěn)定性。此外，對于承載力薄弱的地基，還可設(shè)置圈梁，以促進整體水平的提升，增強抗震能力。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思路的變遷

抗震建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路大體經(jīng)歷了由“剛性設(shè)計”到“柔性設(shè)計”再到“延性設(shè)計”的發(fā)展歷程。所謂“剛性設(shè)計”，即盡可能提高結(jié)構(gòu)剛度與強度，使其與基礎(chǔ)形成一個剛性整體，從而縮短自振周期，增強抗震能力。而“柔性設(shè)計”則強調(diào)通過降低結(jié)構(gòu)剛度以減少建筑與地震發(fā)生共振的幾率，進而起到抗震的作用。但事實證明，無論是“剛性設(shè)計”還是“柔性設(shè)計”，都存在較大缺陷：“剛性設(shè)計”使結(jié)構(gòu)高度、跨度與復(fù)雜性都受到了很大的限制，不利于建筑設(shè)計的創(chuàng)新；而按照“柔性設(shè)計”理念設(shè)計的結(jié)構(gòu)往往剛度過小，難以滿足結(jié)構(gòu)的形變要求，甚至在小震下就因發(fā)生過大變形而破壞[8]。因此，綜合兩種理念優(yōu)點，“剛?cè)峒鏉钡摹把有栽O(shè)計”思想成為目前主流的結(jié)構(gòu)抗震思路。當然，該思路也并非沒有缺點，其最大的問題就是在強烈地震中，一些構(gòu)件會發(fā)生較大破壞，而重要構(gòu)件的損毀往往會引發(fā)連續(xù)破壞，造成更大的生命財產(chǎn)損失。因此，結(jié)構(gòu)控制設(shè)計逐漸引起了人們的關(guān)注。

2.2 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是通過在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制系統(tǒng)來降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)或風荷載響應(yīng)的方法。根據(jù)是否需要外部能量輸入，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可分為被動控制、主動控制、半主動控制與混合控制[9]四大體系。

被動控制是一種不需要外界能量輸入的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，主要包括隔震技術(shù)、消能減震技術(shù)和調(diào)諧減震技術(shù)[10]。其中，隔震技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，效果較好，故此處做重點介紹。一般意義上的隔震結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)的某一部位設(shè)置隔震裝置或隔震層，以延長結(jié)構(gòu)的自振周期。隔震層通常由隔震橡膠支座組成，支座內(nèi)有較大阻尼，能阻隔輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量[11]，從而起到隔震減震的作用。例如，2013年4月20日的雅安地震中，采用該隔震技術(shù)修建的蘆山縣人民醫(yī)院主樓外觀完整且受損較小，而周圍其他未采用隔震設(shè)計的建筑物則損毀嚴重，這充分體現(xiàn)了隔震結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)越性。此外，隨著技術(shù)發(fā)展，又逐漸衍生出了滑移隔震、擺動隔震、懸吊隔震[12]等隔震結(jié)構(gòu)。

主動控制即依靠外界能量輸入實現(xiàn)對外部擾動和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的即時跟蹤與反應(yīng)的控制方法[13]。由于主動控制系統(tǒng)需配置作動器、傳感器、控制器等設(shè)備，不僅技術(shù)難度較大，且成本高昂，故目前應(yīng)用尚少。

半主動控制系統(tǒng)的組成與主動控制系統(tǒng)相同，但它是由控制系統(tǒng)發(fā)出指令后，通過調(diào)整阻尼力來減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)[8]。相比主動控制，半主動控制需要更少的能量即可實現(xiàn)。研究表明，經(jīng)過合理設(shè)計的半主動控制系統(tǒng)，其性能要比被動控制系統(tǒng)更優(yōu)越[14]。

混合控制體系一般是主動或半主動控制結(jié)合隔震等被動控制構(gòu)成的新型控制模式，由于融合了多種結(jié)構(gòu)控制理念，可以發(fā)揮綜合優(yōu)勢，取得更為理想的抗震效果。例如，日本三菱重工界碑塔[15]采用主動控制與被動控制相結(jié)合的方式控制樓層扭轉(zhuǎn)與層間位移，并取得了較理想的抗震效果。

同濟大學(xué)魯亮等[16]在混合控制理念的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，提出了“基底懸擺隔震結(jié)構(gòu)”。常規(guī)意義的懸吊結(jié)構(gòu)最早在橋梁工程領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。在梁橋、拱橋、斜拉橋與懸索橋四種主要橋梁類型[17]中，有兩種(斜拉橋與懸索橋)均屬于懸吊結(jié)構(gòu)。隨著高強度鋼絲等建材的規(guī)模化生產(chǎn)，懸吊式樓蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)并開始應(yīng)用于大跨空間和高層建筑領(lǐng)域，例如位于德國慕尼黑的寶馬總部大樓和中國香港的匯豐銀行總部大樓[18]等。而基底懸擺隔震結(jié)構(gòu)則與此不同，其上部通過吊桿或吊索懸于剛性基礎(chǔ)上，形成類似單擺的結(jié)構(gòu)，利用單擺結(jié)構(gòu)自振周期遠長于一般地震波周期的特點，實現(xiàn)阻隔振動、減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目標。同時，該結(jié)構(gòu)可通過調(diào)整吊桿或吊索的長度來改變結(jié)構(gòu)整體的動力特性，從而控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。此外，該結(jié)構(gòu)還在豎向與橫向設(shè)置減震彈簧和耗能阻尼器，從而使其具備三向隔震能力。

3 抗震建筑材料

建筑的抗震性能與其自重大致成反比，即建筑整體質(zhì)量越大，在地震中受損情況越嚴重。因此，抗震材料通常具備質(zhì)輕的特點。此外，為提高結(jié)構(gòu)的抗拉伸能力以及緩沖能力，材料還應(yīng)具有高強、高韌的特性。常用的具有一定抗震功能的建筑材料有加氣混凝土、橡膠、碳纖維等。其中，加氣混凝土多用于高層建筑的填充墻和低層建筑的承重墻，是典型的通過大幅減輕建筑自重來增強建筑抗震能力的低密度建材；橡膠是制造隔震層或阻尼器的常用材料，主要通過吸收地震能量起到緩沖減震的作用；而近年來興起的碳纖維則憑借其密度低、強度高、抗拉伸能力強等綜合優(yōu)勢被越來越多地應(yīng)用于建筑加固或混凝土改性。日本建筑師隈研吾曾使用密布在辦公樓周圍的混合碳纖維將辦公樓與地面相連，從而對其進行加固并取得了良好的藝術(shù)效果。這也是世界上第一座使用碳纖維加固的具有抗震功能的商務(wù)辦公樓[19]。

一些建筑材料可憑借其特殊的性能影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，而結(jié)構(gòu)的優(yōu)良力學(xué)特征與材料性能的耦合往往會賦予建筑更強的抗震性能。例如，位于日本九州村區(qū)的480座穹頂泡沫房屋全部由粘合在一起的超輕聚苯乙烯泡沫塑料件構(gòu)成。由于其自重輕、保溫防水性能好且易于加工，該材料被直接制成各種構(gòu)件經(jīng)粘合形成殼式結(jié)構(gòu)而無需設(shè)計柱子和橫梁。在2016年4月的熊本地震(7.0級)中，該建筑群幾乎未遭受任何破壞[19]，充分展現(xiàn)了該材料的巨大優(yōu)越性。

4 中國傳統(tǒng)建筑的抗震措施及機理

中國傳統(tǒng)建筑發(fā)展歷史悠久。現(xiàn)存的許多古建筑，如天津薊縣獨樂寺、應(yīng)縣木塔、山西華嚴寺等，歷經(jīng)多次地震而屹立不倒，充分體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)建筑優(yōu)良的抗震性能。而其中的原因值得探討與借鑒。

4.1 中國傳統(tǒng)建筑的抗震措施與機理

中國傳統(tǒng)建筑優(yōu)良的抗震性能可以從材料、結(jié)構(gòu)與布局方面得到解釋。首先，在建筑材料方面，中國傳統(tǒng)建筑多由磚木構(gòu)成，特別是承力構(gòu)件，幾乎全部為木質(zhì)。作為天然抗震材料，木材具有眾多優(yōu)點，最突出的便是質(zhì)量輕、強度與容重的比值高。小質(zhì)量與高阻尼的結(jié)合可以大大減小慣性力，因此只需要一個較弱的側(cè)力抵抗系統(tǒng)即可維持穩(wěn)定[20]。另外，古代高級廟宇及皇家建筑的木構(gòu)件表面多有漆飾，這些漆飾對木構(gòu)件起到了很好的保護作用，緩解了木構(gòu)件易受潮腐蝕而導(dǎo)致的力學(xué)性能變差的問題，使得建筑能在較長時間內(nèi)維持較好的抗震能力。

其次，中國傳統(tǒng)建筑的一些常見結(jié)構(gòu)也在抗震方面發(fā)揮著重要作用。從整體上看，中國傳統(tǒng)建筑基本都屬于柔性的框架結(jié)構(gòu)，這使得建筑的主體結(jié)構(gòu)具有相當?shù)膹椥耘c一定的自我恢復(fù)能力。“墻倒而屋不塌”便很好地概括了這一特點。逐個分析古建筑的結(jié)構(gòu)單元，不難發(fā)現(xiàn)，古代建筑一般都由臺基、梁架、屋頂構(gòu)成，高級別建筑在屋頂與梁柱間還有斗拱層。其中，臺基類似于現(xiàn)代的“整體浮筏式基礎(chǔ)”，能有效避免建筑基礎(chǔ)遭受剪切破壞，減少地震波對上部結(jié)構(gòu)的沖擊；傳統(tǒng)梁架通常采用抬梁式設(shè)計，在豎直方向上形成下大上小的結(jié)構(gòu)，有利于在地震中保持穩(wěn)定；龐大的屋頂則通過大量構(gòu)件與下部結(jié)構(gòu)相連，極大地增強了建筑的整體性，不易散架；斗拱則通過減震消能進一步提高了建筑抵御地震的能力。此外，對于佛塔等高聳建筑還存在類似于“自復(fù)位”結(jié)構(gòu)的“心柱”設(shè)計，這也在一定程度上解決了地震中建筑傾斜程度(側(cè)移程度)隨自身高寬比增大而增大[21]的問題。

最后，中國傳統(tǒng)建筑的整體布局也在減小地震影響方面起到了一定的作用。我國的古建筑群往往有明確的中軸線，各個建筑關(guān)于中軸線呈對稱分布。對稱式布局有利于減輕地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[22]，從而降低地震損害。另外，就單個建筑而言，傳統(tǒng)建筑通常是當心間最大，兩側(cè)房室逐漸縮小，這有利于抵抗地震的扭矩，保護建筑。

4.2 中國傳統(tǒng)建筑對現(xiàn)代建筑抗震設(shè)計的借鑒意義

古建筑表現(xiàn)出的卓越的抗震性能令人矚目。事實上，對于當代建筑抵御9度地震的設(shè)計目標，很多傳統(tǒng)建筑基本都能達到。這表明古建筑對現(xiàn)代建筑抗震設(shè)計仍具有重要借鑒意義。

在材料上，考慮到現(xiàn)代建筑的特征，和古建筑一樣用木材作為主要建材并不現(xiàn)實，因此，應(yīng)積極尋找密度低、強度與容重比值高，同時又耐腐蝕的材料代替木材并發(fā)揮和木材類似的作用；結(jié)構(gòu)上，采用浮筏式基礎(chǔ)，借鑒有一定柔性的框架結(jié)構(gòu)并加強建筑整體性，同時可在關(guān)鍵部位加入與斗拱結(jié)構(gòu)作用類似的減震部件；布局上，盡量采用對稱式設(shè)計，以最大程度上減小地震的危害。

5 中國抗震建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展走向

5.1 抗震建筑的國內(nèi)發(fā)展機遇與走向

近年來，我國裝配式建筑行業(yè)發(fā)展迅猛。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)能有效縮短施工周期、提高施工安全性、減少施工人力需求、保障施工質(zhì)量、減少建筑垃圾、降低建筑生命周期能量消耗、提升建筑工程的生態(tài)環(huán)境效益，目前在部分發(fā)達國家和地區(qū)已有較多應(yīng)用[23]。而裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為主要的裝配式建筑結(jié)構(gòu)之一，具有優(yōu)良的抗震性能，因此，抗震建筑在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)牢牢把握裝配式建筑發(fā)展熱潮，與時俱進，不斷增強自身的競爭力。同時，抗震建筑產(chǎn)業(yè)亦應(yīng)充分利用國家的利好政策，努力實現(xiàn)更大的發(fā)展。

改革開放以來，我國積極引進并自主研發(fā)先進的建筑抗震技術(shù)與地震工程實驗技術(shù)，目前已在高性能抗震材料研究、大型抗震工程建造等領(lǐng)域取得了豐碩的成果。然而，當前我國在前沿抗震技術(shù)研發(fā)方面仍與日本等發(fā)達國家存在一定差距。因此，在未來一段時間工程抗震仍將是土木工程領(lǐng)域研究的重要方向。結(jié)合建筑抗震技術(shù)的發(fā)展歷程與當前存在的問題，筆者認為未來建筑抗震技術(shù)研究將重點圍繞三個方向展開：首先是構(gòu)建更完善的抗震設(shè)計理論以解決當前理論存在的問題；其次是繼續(xù)在現(xiàn)有理論的框架內(nèi)探索更優(yōu)的抗震結(jié)構(gòu)，以進一步提高建筑在地震中的穩(wěn)定性；最后，建筑抗震技術(shù)研究亦應(yīng)密切關(guān)注材料科學(xué)的發(fā)展，及時吸收借鑒性能優(yōu)良的新材料，從而不斷提高抗震建筑的安全性與宜居性。

5.2 抗震建筑與“一帶一路”

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的深入推進，我國融入全球化浪潮的趨勢愈發(fā)明顯。在此背景下，抗震建筑產(chǎn)業(yè)“走出去”已然成為擴大效益、增強整體競爭力、推動產(chǎn)業(yè)升級改造的必然選擇。而一帶一路沿線國家的地質(zhì)狀況則又為抗震建筑產(chǎn)業(yè)提供了旺盛的市場需求與廣闊的發(fā)展空間。

對比“一帶一路”沿線與全球地震帶分布可以發(fā)現(xiàn)，“一帶一路”沿線國家大多位于主要地震帶上，例如地震頻繁的印尼和意大利。這些國家對抗震建筑都有非常旺盛的需求，特別是發(fā)展中國家。因此，以“一帶一路”戰(zhàn)略為契機，在沿線國家大力推廣抗震建筑，不僅能為該產(chǎn)業(yè)帶來豐厚的回報，更將在提升沿線國家人民生活水平、保障經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展等方面發(fā)揮建設(shè)作用。

6 結(jié)語

地震作為頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大的威脅。因此，大力發(fā)展建筑抗震技術(shù)，體現(xiàn)了“以人為本”的思想，對于保障經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。本文從工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與抗震建筑材料三個方面論述了建筑抗震技術(shù)的主要成果與發(fā)展歷程，并結(jié)合古建筑在抗震方面的優(yōu)點、現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及國家政策提出了建筑抗震技術(shù)未來的發(fā)展方向與潛在機遇。