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从震害谈房屋建筑的抗震性能

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:02:13 [收藏]

    　　2008年5月12日，在四川省汶川县发生的地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，也使得人们对日常居住的房屋，以及整个社会生活所涉及的各种公共建筑如办公楼、学校、医院、商场等的安全性有了更多关注。那么我们现在居住或使用的房屋在地震中是否安全呢？

    　　从抗震性能看房屋建筑的工程抗震设计

    　　地震的危害性非常大，建筑物的抗震性能就显得尤为重要。目前我国抗震设计的目标是“小震不坏，大震不倒”。即当地震烈度小于设防烈度时，房屋应基本完好；当地震烈度大于设防烈度时，房屋建筑即使产生较大破坏，也应保证不出现即时的垮塌，以使人员能够有逃生的时间。

    　　我国目前房屋建筑的结构形式主要有：以砖石为主要建筑材料的砌体结构；以钢筋混凝土为主要建筑材料的钢筋混凝土框架结构、钢筋混凝土框架――剪力墙结构、钢筋混凝土剪力墙结构；以钢材为主要建筑材料的中国建筑金属结构信息网框架以及钢与钢筋混凝土的组合结构。其中，住宅多为砌体结构或钢筋混凝土剪力墙结构；公共建筑由于需要较大空间，一般为框架结构或框架――剪力墙结构。

    　　砌体结构和框架结构多见于多层建筑

    　　从抗震性能的角度分析：砌体结构由于由砖、石等砌筑而成，砌块之间的连接较差，虽然设置了钢筋混凝土构造柱、圈梁等加强措施，但当遇到强震时，在水平和竖向交替振动作用下，砌块之间的连接容易被破坏，导致砌体松散，竖向受力构件破坏，建筑物垮塌；相比之下，框架结构能够提供较为宽敞的使用空间，有利于建筑功能的组织和分割，但其抗侧刚度较弱，在强震作用下易出现较大位移，导致结构产生较严重破坏，因此也属抗震不利结构。

    　　钢筋混凝土剪力墙结构多用于多高层住宅

    　　钢筋混凝土剪力墙结构有较大的抗侧刚度，在地震作用下位移较小。经过抗震设计的剪力墙结构，在大震作用下，破坏会局限于门窗洞口处出现裂缝，即使墙体开裂，各墙肢也可支承楼板，不会发生大规模的垮塌。从日本坂神地震的实例来看，钢筋混凝土剪力墙结构房屋未出现大的破坏，震害较轻。

    　　框架――剪力墙结构主要用于公共建筑和多高层建筑

    　　框架－剪力墙结构是在框架结构中合适的部位增设剪力墙，在提供满足功能需要的大空间的同时，由增设的剪力墙提供较大的抗侧刚度，提高结构的抗震性能。

    　　上述各种结构形式的抗震性能，即指结构在小震和大震下的表现各不相同。总体来说，钢筋混凝土剪力墙结构和框架－剪力墙结构的抗震性能较好，砌体结构和框架结构的抗震性能相对差一些。

    　　由于历史原因，在我国，80年代以前的建筑大量存在，这些建筑大多未考虑抗震或抗震能力较差，有些房屋虽经过抗震加固，整体抗震性能依然较差。此次汶川地震中垮塌的房屋大部分为建造较早的砌体结构和多层框架结构。同时，由于我国经济发展不均衡，在部分经济欠发达地区及交通运输能力较差的地区，使用就地取材的砖石作为主要建筑材料的砌体结构在今后相当长的时期内仍将大量存在，而作为低层公共建筑的主要结构形式，框架结构也将大量存在。因此如何从设计上提高高设防烈度地区砌体结构和框架结构的抗震性能，特别是在罕遇的强震作用下的防倒塌能力，应是今后工程抗震研究的重点。

    　　从建筑结构上减轻地震灾害的新技术

    　　近年来，随着科学技术的发展，新技术、新材料甚至新的设计思想得到大量的应用，大大丰富了提高建筑抗震能力的手段。如使用更高强度的建筑材料，能够提高构件的极限承载能力并降低结构自重。与之相比，新技术、新设计思想的应用，能够更有效地减轻地震灾害。其中，隔震和消能减震就是两种建筑结构减轻地震灾害的新技术。

    　　隔震技术在建筑结构中的应用

    　　隔震技术是国际上热门的工程抗震新技术。它通过把隔震消能装置（如橡胶隔震垫）安放在结构物底部和基础（或底部柱顶）之间，把上部结构和基础“隔开”。这样，改变了结构的动力特性和动力作用，明显地减轻结构物的地震反应，达到“以柔克刚”的效果。

    　　国内外大量的试验和工程实践证明，隔震体系一般可使结构水平地震加速度反应下降60%左右，从而消除或有效减轻结构的地震损坏，提高建筑物及其内部人员的安全性。隔震体系具有很大的垂直承载力（50T～2000T）及很大的垂直压缩刚度，而其水平变形刚度较小（0.25kN/mm～1.8kN/mm），水平极限变位值较大（10～50cm），它具有足够大的初始刚度，以抵抗风荷载和轻微地震，当强地震发生时，又能自由柔性滑动；而变形过大时，刚度回升，具有保护和限位作用，钢板夹层橡胶隔震垫具有较大的复位能力，在多次地震中自动瞬时复位。

    　　同时，它耐久性能好，一般使用寿命可在70年以上，远远超过一般民用建筑物50年使用寿命的要求。1994年1月17日，美国洛杉矶大地震中，该市相距不远的两个医院，一个是隔震的，地震时医师护士照常工作；另一个是不隔震的，损坏厉害，一直无法恢复工作。1995年1月17日，日本神户大地震，该市的西部邮政大楼和松村研究所大楼等隔震房屋经受了地震的考验，房屋结构安全完好，仪器、设备、装修等丝毫无损。根据其特性，一般来说隔震技术主要适用于较重要的低层和多层建筑，如医院、学校、商场、科研机构以及重要的指挥职能单位。

    　　减轻地震灾害的新技术

    　　建筑结构消能减震技术的应用

    　　结构消能减震技术的方法是指在结构的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等）设置消能阻尼装置或元件，通过消能装置产生摩擦非线性滞回变形耗能来耗散或吸收地震能量以减小主体结构的水平和竖向地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，以达到减震抗震的目的。这种方法主要用于高层或超高层建筑。

    　　隔震和消能减震技术目前在日本、美国已有了一定数量的应用，并在震害中有较好的表现。我国从1990年代开始，也以试点的方式在一些工程中应用了这些技术并获得了一些好的经验。新的抗震设计规范已给出了隔震和消能减震技术工程应用的指导性意见，标志着这些新技术已进入实用性阶段。

    　　隔震和消能减震技术虽然能够大幅度提高建筑结构的抗震性能，但目前建造成本较高，且该技术从设计到构造，施工较复杂，正确合理地掌握和实施尚存在一些问题，因此新技术距离大规模推广和应用还需要一定时间的准备。

    　　合理的建筑设计，也可提高建筑结构的安全可靠性

    　　其实从建筑设计的角度出发，在正确的抗震理论指导下，依据合理的设计原则，同样可以提高甚至保证建筑结构的安全可靠性。这些原则包括：结构构件应具备足够大的承载能力；结构应具有足够大的刚度以减小地震作用下的扭转和位移；结构应具有足够大的延性和耗能能力，这一点对结构在强震作用下的安全性尤为重要。延性是指构件和结构屈服后，具有承载力不降低或基本不降低且有足够塑性变形能力的一种性能。延性大，说明塑性变形能力大，强度或承载力的降低缓慢，从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌。

    　　综合运用抗震原则，以承载力、刚度和延性为主导目标，多道防线刚柔结合，同时保证结构体型简单，结构受力和传力途径直接，整体结构与结构构件共同作用，如此一来就可以从设计上确保建筑结构在地震作用下的安全性。

    　　以著名美籍华裔设计师林同炎设计的尼加拉瓜首都马那瓜美洲银行大楼为例，该楼18层61米高，采取了多道防线刚柔结合的设计思想，通过在总体系中预设薄弱环节作为强烈地震作用下可被破坏但不影响整体安全的耗能构件，以保证结构的抗震性能。1972年马那瓜强烈地震时，该楼仅出现少量裂缝，经过简单维修加固后至今仍可使用，而周围大量建筑物倒塌，5000多人死亡。美洲银行大楼在马那瓜地震中的表现充分证实了概念设计思想的创造性和前瞻性，这说明以承载力、刚度和延性为主导目标，在罕遇的强烈地震作用下，通过充分发挥结构和构件的延性与耗能能力，仍可使结构具有足够的承载能力。

    　　地震灾害对建筑行业的启示

    　　工程抗震是一门在实践中不断发展的学科，每一次地震都会为我们提供新的信息，推动建筑抗震设计向更好的方向发展，从而提高建筑的安全性。我国的建筑结构抗震的设计与研究50多年来取得了巨大的进步，随着我国经济实力的提升，建筑结构设计中的安全储备大幅提高。近年来，新技术、新型建材以及新的设计思想得到越来越多的应用，建造出大批高质量的建筑。这些在新的抗震规范指导下设计的建筑，基本能够保证在地震下的设计目标。

    　　应该看到，近年来在房地产行业，也确实存在着一些片面追求建筑造型的新奇独特、忽视建筑整体抗震性能的问题。无论如何，对建筑结构来说，良好的抗震性能一定来自于相对简单的体型，来自简单而直接的传力体系以及地震作用下结构的多道防线。考虑到地震可能造成的巨大灾难，防患于未然，未雨绸缪是非常必要的。

    　　在考虑房屋建筑抗震能力的同时，也应高度重视由地震引发的次生灾害。对房屋建筑来说，最主要的次生灾害就是火灾，以及由地震引起的地质灾害。因此在今后房屋设计中有必要增加结构抗火设计，同时地基和基础的设计也应充分考虑到地基变形对房屋安全的影响。

    　　地震是一场灾难，为了最大限度地保护人民以及整个社会的利益，建筑行业有责任更加努力地工作，战胜灾难，建设美好的家园。
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