引言

抗震工程总是在巨大的地震灾难的推动下不断发展。目前,工程师与研究者们不但在抗震技术与理论等方面取得了丰硕的成果,相关专著、参考书、设计指南与规范等已经非常丰富,而且我们拥有了前人无法想象的强大的计算与仿真能力,我们的施工技术也在不断进步。但所有这些,并不能保证我们设计的结构一定能够经受住未来地震的考验。一方面,这是因为我们的对手是无法预知的强大的自然;另一方面,则是因为对于抗震设计而言,结构理论、计算分析、施工技术,包括各种各样的手册、规范等等都只是工具,真正保证建筑物在地震作用下的安全性,是抗震设计的理念。一百年多年来,抗震设计理念经历了长期的刚柔之争。近年来,建筑物在地震作用下的损伤与破坏模式对于建筑物抗震性能的重要性日益受到人们的重视。“破坏-安全”的抗震理念就是一种从破坏模式出发对建筑物的抗震安全性进行设计的思路。本文在阐述该理念的基本内容之后,着重介绍国内外现有的符合“破坏-安全”抗震理念的应用实例,希望对提高我国建筑结构的抗震安全性有所帮助。

1 “破坏-安全”抗震理念

经过100多年的发展,现行房屋建筑抗震设计方法在对结构抗震性能的理解与控制方面已经取得了巨大的进步。但与此同时,一个多世纪以来的历次大地震仍总是给人类社会造成出乎意料的损失,尤其是特大地震中房屋建筑的倒塌所造成的重大人员伤亡。2008年5月12日的汶川大地震在我国经济欠发达地区造成的巨大灾难,迫使我国的结构工程师们不得不更多的关注大量经济实用房屋建筑结构的抗震安全性问题。1976年唐山地震中大量砌体结构房屋倒塌所造成的巨大损失同样引起了广泛的关注,但在一片废除砌体结构的呼声中,砌体结构仍然是我国经济欠发达地区的主要建筑形式。汶川地震中,砌体结构房屋的倒塌破坏再一次成为造成巨大人员伤亡与经济损失的主要原因之一,这突出地反映了我国地震工程界30年来对于经济欠发达地区大量存在的传统砌体结构等经济简易的建筑物的抗震性能缺乏反思,相关研究和抗震技术措施的推行缺乏力度。经济欠发达地区的建筑抗震问题不能消极地用废除某种结构形式的方法来对待,也不能不顾经济条件而盲目推广先进的建筑抗震技术,而应结合自身抗震性能较差却又普遍存在的各类结构的特点,针对经济欠发达地区建筑抗震设防的首要目标,即安全性目标,反思目前结构抗震设计中存在的问题,寻找适合于经济欠发达地区现实经济条件的建筑抗震解决方案。在这方面,本文所讨论的“破坏-安全”抗震理念及其相关研究和案例值得借鉴和推广应用。

1.1 “破坏-安全”抗震理念的含义

依据损失与经济均衡的原则,房屋建筑结构在强烈地震下发生一定程度的损伤乃至破坏是不可避免的,但应满足安全性的目标,即应避免房屋建筑倒塌造成人员伤亡。早在20世纪中期,结构工程师就意识到结构中部分构件达到其承载力后的延性对于结构抗震能力的重要意义。在强烈地震作用下,结构中部分构件发生损伤以至破坏,改变结构的动力特性并耗散地震输入能量,能够保护结构的其他部分免受破坏。由于未来发生大地震的不确定性以及社会经济条件的制约,利用结构中部分构件损伤后的延性和耗能能力来提高结构的抗震能力,是比单纯追求更高承载力更加可行的方法。为此,世界上主要的建筑结构抗震设计规范均引入了承载力降低系数的概念,考虑结构部分损伤破坏构件的延性和耗能能力对结构抗震能力的贡献。如美国现行的抗震规范ASCE 7-05(2005)基于早年关于弹塑性反应谱以及R--T关系的研究成果,确定了不同类型结构的承载力降低系数R和变形调整系数Cd,以对一般建筑的承载力需求和变形验算结果做出修正。我国的《工业与民用建筑抗震设计规范(TJ 11-78)》(国家基本建设委员会,1979)也基本采用了这一做法。而日本建筑基准法BSL(2004)中的保有水平耐力计算则采用结构影响系数Ds来考虑结构部分损伤破坏构件的延性和耗能能力对结构承载力需求的折减。20世纪七八十年代由Pauley等(1980;1983;1992)提出的能力设计法在结构抗震设计中更加深入地考虑了构件损伤对于结构抗震性能的影响,提出了以控制结构的损伤模式为前提的能力设计法思想,并根据结构预期损伤模式的研究得到了一些能够直接指导结构抗震设计的承载力级差系数。抗震设计方法中的这些变化,都直接反映出在一定的社会经济条件下,结构在强烈地震作用下发生损伤以至部分破坏是不可避免的,并且是可以加以利用的。

然而,现行考虑结构延性对结构承载力需求折减的抗震设计方法(包括中国按小震计算结构承载力需求和保证结构延性措施的设计方法),对一般结构(尤其是经济欠发达地区的一般房屋建筑)都没有要求工程师在设计中直接对损伤模式进行设计计算控制。现行基于结构弹性受力分析并获得组合设计内力的构件层面的抗震设计方法,使结构工程师很难充分把握结构在线弹性范围之外的实际抗震行为,然而这时结构的行为和破坏状态恰恰对于结构在强震作用下的抗震安全性至关重要。因此,目前的抗震设计方法的现状是,建筑结构最重要的抗震性能——安全性,无论对于工程师、业主还是公众都并不明确。这是本末倒置的。

“破坏-安全”抗震理念在维持现行结构抗震设计原则的前提下,更加突出地明确结构在强烈地震下的损伤破坏部位,并通过这些预期部位的损伤与破坏,达到保证建筑结构内(非预期损伤和破坏部位)人员安全的目标。“破坏-安全”抗震理念主要针对经济欠发达地区大量存在的一般建筑结构,在不过多增加结构建造成本的前提下实现结构抗震安全性这一最重要的目标。所谓“破坏”,即承认建筑结构在一定强烈地震作用下必然要发生局部破坏,在结构抗震设计中必须考虑结构在发生局部破坏后的抗震性能。所谓“安全”,即要求在建筑结构遭受局部破坏时,仍能保证整体结构安全,及不因结构倒塌而造成人员伤亡。因此,“破坏-安全”抗震理念符合经济欠发达地区的实际需求,即以最低的经济代价达到最重要的抗震设防目标——生命安全。

1.2 基于“破坏-安全”抗震理念的结构概念设计

基于“破坏-安全”抗震理念的结构概念设计应主要遵循以下两条原则:

第一,应通过充分可靠的措施和方法控制结构在强烈地震下的预期损伤破坏部位,且损伤破坏部位不会影响建筑物内人员的生命安全。由于未来地震作用的不确定性以及结构本身在材料、施工与使用期间存在的种种不确定因素,为实现预期的破坏模式,必须通过充分可靠的措施和方法来控制结构在强烈地震作用下的变形模式。一般来说,结构预期的破坏模式越简单越明确,就越容易控制。

第二,在实现强烈地震下结构预期损伤破坏模式的前提下,尽可能提高结构的耗能能力。结构中损伤与破坏的部位有助于耗散地震输入能量,从而使结构的其余部分免受破坏,提供安全的生存空间。

在上述两条设计概念中,控制结构的损伤破坏模式是重中之重,也是提高结构耗能能力的前提。损伤破坏模式控制与结构耗能能力,两者是相互关联的,是实现所希望的“安全”目标的不可或缺的两个方面。应该说,现行结构抗震设计方法中也强调结构在地震作用下的“损伤破坏模式”,即通过一定的承载力级差调整来控制结构破坏模式,但实际震害表明这种方法的效果并不好,其原因在于如真正实现现行抗震设计方法中所预期的破坏模式,其经济代价过高。以框架结构为例,“强柱弱梁”机制是框架结构所希望的破坏模式,然而汶川地震表明,目前抗震规范中所给出的柱端弯矩增大系数不足以在强烈地震下实现“强柱弱梁”机制。有研究表明,按实配钢筋计算的柱端弯矩增大系数要达到2.0以上,才具有一定的保证率使框架结构实现“强柱弱梁”机制,而如果遭遇超大震水准的强烈地震,则柱端弯矩增大系数可能需要更大(Dooley等,2001)。按这一要求进行设计,框架柱的配筋量势必显著增大,我国目前的经济水平似乎还不能接受这种经济上的代价。

如前所述,由于“破坏-安全”抗震理念首先把设计目标集中于通过结构中部分部位的破坏来实现“安全”的目标上,因此通过降低预设部位的承载力来实现结构的损伤破坏模式控制,不会显著增加结构的造价。因此,利用基于控制结构破坏模式的“破坏-安全”抗震理念来构建新型的结构体系更加有效,因为这种控制结构的破坏模式方法不仅要依靠设计与分析手段的进步,更重要的是需要结构工程师根据长期震害的经验积累和智慧,提出结构体系层次的创新。隔震结构与摇摆耗能结构就是这种结构体系创新的成功代表,下面结合国内外隔震结构与摇摆耗能结构的发展,具体阐述“破坏-安全”结构理念的实际应用,并结合具体结构形式的特点,讨论设计原则。

2 隔震结构

利用建筑物基础底部滑动来隔离地震动输入的想法已有近百年的历史。20世纪70年代叠层橡胶隔震支座的成功开发使建筑隔震成为一项专门技术并逐渐在世界范围内得到广泛应用。目前已有许多种不同原理的隔震支座以及用于隔震层的阻尼器可供选择,但对于我国大量存在的砌体结构等低造价一般建筑,推广这种使用专门隔震装置的隔震技术并不具备现实的经济条件。隔震结构作为一种将变形(破坏)几乎全部集中在隔震层的结构形式,其变形(破坏)模式很容易控制,并且可以利用隔震层变形集中的特点,在隔震层设置耗能装置或采用其他方法提高结构耗能能力。因此,隔震结构符合“破坏-安全”抗震设计的基本概念。如果能不采用昂贵的现代隔震装置,而实现类似的隔震效果,则可以以非常经济的代价实现“破坏-安全”的抗震设计。滑动基础隔震和软弱底层隔震即属于此类。

2.1 滑动基础隔震

王文明(1991)报告了我国历史上几次大地震中发现的因为房屋底部出现水平滑动破坏裂缝而使上部结构得以保全的实例。如1969年渤海地震中,在Ⅷ度半区内有许多土坯房因为在墙根处设有约10cm厚的芦苇防潮层,起到了隔震的作用而没有倒塌。又如1976年唐山地震中,在Ⅹ度区有2幢相距仅10m的相同的3层砖房,震后1幢完全倒塌而另1幢未毁。调查发现,未倒塌的1幢砖房在墙根处整个建筑物有一条水平破坏裂缝,砖墙上下部分有约6cm的残余位移,这条水平裂缝也起到了隔震作用。在2008年汶川地震中,类似的现象也有出现。震害调查发现,有些建筑物在底部地平以上出现通长的水平裂缝,如图1所示的绵竹某砌体结构房屋在地梁顶面出现的裂缝,客观上起到了隔震的作用,上部结构的震害明显减轻。

图 1 汶川地震中绵竹某砌体结构房屋的底部水平裂缝(李爱群提供) Fig. 1Horizontal cracks at the bottom of a masonry building in Mianzhu in Wenchuan earthquake (from Li Aiqun)

王文明(1991)提出了一种用于抗震能力较弱、延性较差的结构(如砌体结构、土坯结构等)的经济简便的砂层隔震做法,即在基础高出室外地坪100mm左右处砌筑一层磨石板,光滑面向上。同时,在上面铺一层经过筛选的砂粒,再在砂层上砌筑一层磨石板,光滑面向下。之后,即可按照传统的方法在磨石板上建造房屋,如图2所示。为验证砂层隔震的有效性,王文明(1991)还进行了缩尺的振动台试验,如图3所示。试验模型为5个高700mm,宽800mm的土坯房,其底部通过砂层隔震缝与振动台相连。试验结果显示,5个模型在振动台激励下均在隔震缝处发生滑动,而上部土坯房则均免于倒塌。由此可见,对于土坯房这种承载力很低的房屋建筑,如果通过砂层隔震降低建筑底部承载力进行损伤破坏控制,可以以比较经济的代价有效实现“破坏-安全”抗震理念。

2006年,日本学者在E-Defense进行钢筋混凝土教学楼足尺模型的振动台试验(Kabeyasawa等,2006)时,比较了非固结基础与固结基础对上部结构损伤破坏的影响,验证了滑动基础的隔震效果。试验模型如图4所示,为一座按照日本1970年抗震规范设计的3层钢筋混凝土教学楼,其抗震能力不满足1981年新抗震规范的要求。该结构纵向3跨(如图4所示),横向2跨,并在横向设置有结构墙。固结基础的教学楼的预期破坏模式是首层框架柱在纵向发生剪切破坏。

图 2 砂层隔震缝做法 Fig. 2Base isolation with sand layers
图 3 砂层隔震的振动台试验 Fig. 3Shaking table test on base isolation with sand layers

为了实现非固结基础,该模型浇筑了2层混凝土基础,如图4所示。浇筑时使下层基础顶面尽可能平整。在下层基础混凝土完全硬化后直接在下基础顶面浇筑上层基础板,从而在2层基础板之间形成施工缝。上层基础板浇筑完成后再在周边填充回填土。这样,上、下基础板只通过施工缝处的混凝土表面的接触作用和摩擦作用相连。在一般的风力或轻微地震引起的侧向作用下,上、下层基础不会发生滑动,与一般固结基础的情况相同。在强烈的地震作用下,上、下层基础板之间的施工缝将发生滑动破坏,由此起到隔震的作用,施工缝处的摩擦还可以耗散地震输入能量,从而减小隔震层变形。这样的“破坏-安全”设计的减震效果得到了试验的验证。同时,图5还比较了滑动基础与固结基础时结构在相同的地震动激励下的破坏情况。当采用滑动基础,输入100%的日本海洋气象厅阪神地震波(JMA Kobe,PGA=818gal)时,上部结构只发生了轻微的破坏,结构最大层间位移角仅为1/250;而固结基础的情况,在同样的地震波输入下,上部结构的首层发生了严重的破坏,最大层间位移角达到1/20。由此可见,滑动基础具有显著的隔震效果,实现了“破坏-安全”抗震理念。

图 4 非固结基础上钢筋混凝土教学楼足尺模型的E-Defense振动台试验立面示意图 Fig. 4Full scale shaking table test on RC school building with flexible foundation at E-Defense
图 5 不同基础固定条件下教学楼在100% JMA Kobe地震作用下的破坏情况对比(Kabeyasawa等,2006 Fig. 5Seismic damage of specimens with flexible and rigid foundation under 100% JMA Kobe ground motion

无论是砂层隔震还是非固结基础隔震,均是在不过多提高结构造价的前提下,利用结构底部在强烈地震中发生相对滑动的“破坏模式”,产生隔震效果,由此减轻了上部结构的地震响应,使上部结构免于严重破坏,达到保障人员生命安全的目标。这种结构形式具有明确且易于控制的破坏模式,即薄弱滑动层破坏,且具有与破坏模式相适应的耗能模式,即利用薄弱滑动层的摩擦作用耗能,因此完全体现了“破坏-安全”抗震设计理念,值得在低造价的小体量建筑结构中推广。

2.2 软弱底层隔震结构

与滑动基础隔震类似,软弱底层隔震也是“破坏-安全”抗震理念的一个实际应用。国内外很多大地震中的薄弱底层房屋建筑震害表明,这类建筑的底部薄弱层往往震害十分严重,甚至倒塌,而上部结构则震害较轻,甚至可以免于破坏。汶川地震灾区中大量采用底框砖混结构的房屋,在地震中出现了大量底层破坏而上部结构基本完好(安全)的震害实例,如图6所示。


(a)北川某底框住宅底层严重倾斜破坏

(b)北川某底框住宅底层倒塌

(c)某底框住宅底层倒塌,2层