柔性吸能结构在抗震设计中的应用
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【摘要】本文针对柔性吸能结构在一些建筑中的利用进行一系列的阐述，柔性吸能结构提高建筑物抗震能力的设计理念。
【关键词】柔性设计；柔性吸能结构；隔震
2011年3月10日12时58分在云南盈江发生5.8级地震，震源深度约10公里。地震房屋倒塌1039户、3147间，严重损坏2994户、22054间，轻度损坏7532户、24950间。2008年5月12日14时28分04秒四川汶川、北川发生8级强震，震源深度14公里。据不完全统计，严重损坏房屋593.25万间、倒塌房屋546.19万间，地震房屋倒塌率达到80%以上。1976年7月28日3时42分，发生于唐山市的7.8地震，震源深度11公里，震中烈度11度，地震破坏范围超过3万平方公里，唐山地区震毁公产房屋1479万平方米，倒塌民房530万间，极震区地面建筑几乎全部倒塌。地震伤亡主要是由于房屋倒塌以及洪水、海啸、滑坡、泥石流、火灾、爆炸、毒气泄漏、疫病、寒冷、饥饿等造成的。从全球的重大地震灾害调查中可以发现，95%以上的人命伤亡都是因为建筑物受损或倒塌所引致的。如何提高地震中房屋建筑的抗震能力，尤其是如何针对地震的破坏机理依据柔性结构设计思想通过优化结构设计提高建筑物的抗震能力？
地震（又称地动、地振动），是地球上经常发生的一种自然现象。由于地壳运动引起的地球表层的快速振动，地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波，地震释放的能量通过地震波传递。地震所引起的地面振动是一种复杂的运动，它是由纵波和横波共同作用的结果。在震中区，纵波使地面上下颠动。横波使地面水平晃动。由于纵波传播速度较快，衰减也较快，横波传播速度较慢，衰减也较慢，因此离震中较远的地方，往往感觉不到上下跳动，但能感到水平晃动。因此，对于建筑物的破坏防范重点应主要针对地震横波。
建筑结构设计中的抗震设计思想基本分两种体系，即刚性设计理念和柔性结构设计理念。
刚性设计理念源自西方砖石结构建筑的“以刚克刚”的设计思想，着重强调通过增强建筑物自身的结构强度，达到抗震的目的，由此衍变出使用刚性十足的钢筋混凝土部件构筑的建筑物，以其坚硬无比浑然一体的风格矗立于世界的各大城市甚至乡村，组成现代世界文明标志。刚性设计一般通过不断增强建筑物的硬度强度以及建筑物构件的耦合度来增加抗震能力。现行世界各国所实行的建筑结构体系，是与地震冲击波相对抗、硬抗（死抗）的捆住地震内力的结构体系。从结构动态平衡的根本原理来分析，这种与地震力相对抗的结构体系的静态平衡在地震中完全破坏了。也就是说，现行的建筑结构体系，只能满足静态（无地震冲击波）状况下的作用力与反作用力的平衡。当地震爆发时，建筑结构内力的静态平衡被破坏了。这就是现行建筑结构体系抵抗不了地震冲击破坏的根本原因所在。现行建筑结构的抗震设计，只是尽可能加大了建筑结构的静态刚度，使其增加了对地震冲击力的对抗力（静态抗冲击力），没有从结构动态平衡的基础上去寻求，建筑结构与地震冲击波的动态平衡，建立一个与地震内力相适应的“释放地震内力的建筑结构动态平衡体系”。但是当地震来临时，这些坚硬无比的建筑抵御着地震波的破坏，保护着建筑物中的人们，但是当无法抵御时，这些庞然大物会瞬间轰然倒塌瞬间给里面的生命带来灭顶之灾，曾经坚固同时也拥有巨大质量的框架、梁、墙体破碎断裂随即变成可怕的杀手，如前所述95%以上的人命伤亡都是因为建筑物受损或倒塌所引致的。
柔性设计刚性设计理念源自中国木结构建筑的“以柔克刚”的设计思想，通过种种巧妙的措施，其目标是以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑，千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。当代建筑设计以抵御9度地震为目标，而我国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求，而且其代价远远小于西方的“刚”，不能不让人叹服“柔”的力量。中国的传统木结构，具有框架结构的种种优越性，同时木材相对于现代化的钢筋混凝土具有更好的吸能效果，这使这些建筑具有“墙倒屋不塌”的功效，但其柔性的连接，又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。这次汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。
通过分析地震中建筑物里面人员导致伤亡原因分析，我们发现墙体倒塌导致建筑物主体坍塌造成人员被砸伤和掩埋。当前通用的抗震方法是建筑物采用整体浇筑框架结构的方式使建筑物成为一个高强度的钢筋混凝土整体以提高建筑物的抗震能力，由于地震作用于建筑物的各部位作用力不均匀，另外，由于内应力的作用建筑物的疲劳也是非线性的，因此抗震效能并不理想，而且地震对建筑物的伤害也无法避免，随着地震的多次作用，损毁的富集作用会越来越大。
地震对建筑物的作用主要通过建筑物的地基基础完成，然后通过建筑物的各部件进行传递作用于各支撑点，破坏建筑物的结构造成坍塌。建筑的基础和地基牢固地联结在一起，由于地震动的发生，引起上部结构一起发生运动，上部结构就象电路上的放大器对地面的运动产生放大作用（一般说来可放大2-5倍左右），从而使上部结构承受很大的惯性力作用，当超过材料的承载力时就会发生破坏。建筑结构在地震时，将地震破坏力直接传递给上部结构，使上部结构发生摇摆，由于上部结构是刚箍捆住内力的结构，因而在摇摆中产生的巨大能量没有释放点，而被迫返回基础，地震又很快的不断的冲击建筑物的基础，向上部结构输送地震能量。这样上部结构返回的作用力，同基础传来的地震内力发生冲撞，冲撞最厉害的集中点，就是能量集中释放的突破点，也是结构的破坏点，通常都在基础与上部结构的交面上，破坏的形式是剪切破坏，而整个建筑物不是倒塌就是倾斜。
柔性吸能结构则是依据中国古老的“四两拨千斤”的哲学思想，适度降低建筑物部分部位的刚度和强度，使用吸能材料或者构建吸能结构，通过合理的形变吸收或抵消地震破坏能量，保证建筑物主体结构的完整性，进而降低伤害性。针对上述地震破坏作用分析，如何加强作为地震对建筑物作用的集中点即建筑物地基基础的吸能能力是减少建筑物损毁的关键。
二十世纪，特别是近二、三十年人们对建筑物的抗振动的能力的提高已经做了巨大的努力，取得了显著的成果。这一成果中最引以为自豪的是“结构的保护系统”。人们跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震，风力的破坏。基础隔震（Base Isolation），各种利用阻尼器(Damper) 吸能，耗能系统， 高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统（TMD）和主动控制( Active Control)减震体系都是已经走向了工程实际。有的已经成为减少振动不可少的保护措施。特别是对于难于预料的地震，破坏机理还不十分清楚的多维振动，这些结构的保护系统就显得更加重要。使用这些阻尼结构及装置的目的就是通过适当的形变尽可能的吸收消耗地震的破坏能量。即在建筑物的基础地基大量使用吸能材料，在建筑物的结构支撑点上也是用延展性较好的材料，确保建筑物“墙倒屋不塌”。
以上是笔者在建筑结构设计过程中应用柔性吸能结构提高建筑物抗震能力的一点拙见，不当之处，敬请专家不吝赐教。