地震波對(duì)建筑物的影響

在當(dāng)前的科技能力方面，減少地震損失的最佳辦法應(yīng)該是提高建筑物的抗疲勞動(dòng)能力。要達(dá)到這一目的,首先必須了解地震是怎樣對(duì)建筑物造成破壞的?底層柱、墻出現(xiàn)時(shí)間差由于建筑物依附在地球表面,建筑物受地震破壞的方式主要受地震波的傳播方式影響。簡(jiǎn)單地說(shuō),建筑物破壞有三種方式:上下顛簸、水平搖擺、左右扭轉(zhuǎn)。多數(shù)的時(shí)候,還是三種方式的復(fù)合作用。地震波的傳播方式有縱波、橫波、表面波,由于地球表層巖性的復(fù)雜性,傳播過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)像激流中“旋渦”一樣的復(fù)雜情況。縱波首先到達(dá)地面的波被稱為縱波。它是一種像手風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣一伸一縮的地震波。這種波使建筑物上下顛簸,力量非常大,建筑物來(lái)不及跟著運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致底層柱子和墻突然增加很大的動(dòng)荷載,疊加建筑物上部的自重壓力,若超出底層柱、墻的承載能力,柱、墻就會(huì)垮掉。底層垮掉后,上面幾層建筑的重量就像錘子砸下來(lái)一樣,又壓壞第二層,發(fā)生連續(xù)倒塌,整個(gè)建筑物直接“坐”下來(lái),原來(lái)的第三層瞬間變?yōu)榈谝粚印瓩M波在縱波之后到達(dá)地面的是橫波。它可引起地面水平晃動(dòng),傳播較慢,減弱也較慢,傳播的距離也遠(yuǎn)些。所以,在震區(qū)內(nèi),先是感到地面激烈的上下跳動(dòng),然后才是水平晃動(dòng)。離震中較遠(yuǎn)的地方,上下跳動(dòng)就不如水平晃動(dòng)那么明顯。離震中更遠(yuǎn)的地方,往往只能感到水平晃動(dòng)了。與縱波不同,橫波只能在固體中傳播,不能在液體中傳播。表面波當(dāng)縱波和橫波到達(dá)地面后,一部分轉(zhuǎn)化成表面波。它比前兩種波傳播得慢,但其破壞性也大,有的表面波能把地面震動(dòng)得像波浪翻滾的大海一樣,建筑物就像浪尖上的小船。表面波使建筑物水平搖擺,相當(dāng)于對(duì)建筑物沿水平方向施加了一個(gè)來(lái)回反復(fù)的作用力,若底部柱、墻的強(qiáng)度或變形能力不夠,就會(huì)使整棟建筑物向同一方向歪斜或傾倒,在震區(qū)常常看到這種現(xiàn)象。破壞建筑物的第三種作用方式是扭轉(zhuǎn)。引起扭轉(zhuǎn)的原因是有的地震波本身就是打著“旋兒”過(guò)來(lái)的,也有的情況是因?yàn)楸砻娌ǖ竭_(dá)建筑物兩端早晚的時(shí)間差引起的,這種情況引起建筑物扭動(dòng)。震區(qū)有的房子角部坍塌,多屬這種情況。此外,每棟建筑都有自己特定的自震頻率,如果這個(gè)頻率與地震作用的頻率接近,還會(huì)引起類似共振的效用,那樣帶來(lái)的破壞力就更可怕了。基礎(chǔ)隔震建筑的特點(diǎn)傳統(tǒng)的抗震方法,主要是針對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu),通過(guò)合理的設(shè)計(jì),保證建筑物在規(guī)定的地震烈度范圍內(nèi)不受破壞,比如在磚混結(jié)構(gòu)中設(shè)置構(gòu)造柱、建設(shè)框架結(jié)構(gòu)的建筑等。但這是一種“剛性”抗震結(jié)構(gòu),其地震反應(yīng)是“放大晃動(dòng)型”,容易發(fā)生脆性破壞。另辟蹊徑的隔震技術(shù)是將過(guò)去傳統(tǒng)的“硬抗”技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椤败浛埂?將建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)“隔開”。所謂“基礎(chǔ)隔震”,是在建筑物底部與地基之間,增加適當(dāng)?shù)木彌_物,使建筑物在受到地震波作用后的加速度反應(yīng)大大減弱,同時(shí)讓建筑物的位移主要由隔震系統(tǒng)承擔(dān),從而使建筑物在地震中產(chǎn)生的變形非常小,以達(dá)到防護(hù)目的。一般來(lái)說(shuō),基礎(chǔ)隔震機(jī)構(gòu)的地震反應(yīng)只是抗震結(jié)構(gòu)的1/4～1/12,大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度。目前應(yīng)用較多的隔震元件是疊層橡膠支座。隔震橡膠支座是由一層鋼板一層橡膠層層疊合起來(lái)的,并經(jīng)過(guò)加工將橡膠與鋼板牢固地結(jié)合在一起。首先,隔震支座有很高的豎向承載能力和很小的壓縮變形,可確保建筑的安全;第二,隔震支座還具有較大的水平方向上的變形能力,在地震作用下,橡膠墊可以隔離水平方向的運(yùn)動(dòng)分量;第三,橡膠隔震支座具有彈性復(fù)位特性,地震后可使建筑自動(dòng)恢復(fù)原位。采用隔震橡膠支座的建筑物,設(shè)防目標(biāo)一般可以提高一個(gè)設(shè)防等級(jí)。傳統(tǒng)建筑的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞,中震可修,大震不倒”,而設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)隔震建筑通常能做到“小震不壞,中震不壞或輕度破壞,大震不喪失功能”。疊層橡膠支座作為隔震系統(tǒng)最初是在1965年用于倫敦的地鐵車站上面的建筑,采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動(dòng)傳給上部建筑物。基礎(chǔ)隔震技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到實(shí)際應(yīng)用,取得很好的防震減災(zāi)效果。例如,1994年1月17日,在美國(guó)發(fā)生的洛杉磯地震,震級(jí)為6.7級(jí),傷亡超過(guò)7000人,損失很大。大多數(shù)醫(yī)院因建筑內(nèi)部設(shè)備損壞而失去使用功能。與此相反,南加州大學(xué)醫(yī)院是一個(gè)地下一層、地上七層的隔震建筑。地震中該建筑內(nèi)的各種儀器設(shè)備均未損壞,甚至花瓶也沒(méi)有一個(gè)掉下來(lái)。之后的1995年1月17日,日本發(fā)生了7.2級(jí)“阪神”地震。震區(qū)內(nèi)有兩棟基礎(chǔ)隔震建筑,一個(gè)為郵政樓,一個(gè)是研究所。同樣神奇的是,基礎(chǔ)隔震建筑不僅結(jié)構(gòu)保持完好無(wú)損,內(nèi)部設(shè)施也完全正常。廣東省汕頭市陵海路有一座8層住宅樓,它建成于1993年,不僅是中國(guó)第一幢橡膠支座隔震房屋,也是當(dāng)時(shí)世界上最高、最大的基礎(chǔ)隔震住宅樓。它雖沒(méi)有直接經(jīng)受過(guò)地震的考驗(yàn),但也間接驗(yàn)證了隔震建筑的不同尋常。2006年12月26日,發(fā)生在臺(tái)灣海域的強(qiáng)震也同樣撼動(dòng)了南粵大地,市民普遍有感,而隔震樓中的居民卻完全沒(méi)有感覺(jué)到晃動(dòng)。隔震技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐表明,隔震建筑的抗震效果令人信服,這促使各國(guó)相繼制定出適合自己國(guó)情的隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),其中以中、美、日三國(guó)具有代表性。我國(guó)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2001年)在基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)上規(guī)定:在遭受小強(qiáng)度地震影響時(shí),建筑結(jié)構(gòu)基本不受損壞和影響使用功能;當(dāng)遭遇設(shè)防烈度的地震影響時(shí),不需修理仍可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí),將不發(fā)生危及生命安全和喪失使用功能的破壞。美國(guó)在《建筑統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范》(1997年)中規(guī)定了如下隔震設(shè)計(jì)目標(biāo):受中、小地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)元件或建筑物內(nèi)的設(shè)備等不出現(xiàn)破壞;受大震作用時(shí),隔震系統(tǒng)不出現(xiàn)破壞,結(jié)構(gòu)元件不出現(xiàn)大的破壞,非結(jié)構(gòu)元件不出現(xiàn)重大破壞,并且不影響結(jié)構(gòu)的功能。日本在《日本建筑隔震設(shè)計(jì)指南》中的隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)為:在大地震時(shí),隔震建筑上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)產(chǎn)生破壞,人員和財(cái)產(chǎn)安全可以得到保證。目前,除了研究和應(yīng)用較多的疊層橡膠支座隔震技術(shù)外,還有砂墊層隔震、石墨墊層隔震、摩擦滑移支座隔震及橡膠隔震支座與摩擦滑移支座并聯(lián)復(fù)合隔震技術(shù)等。隔震技術(shù)的發(fā)展,可充分地適應(yīng)各地區(qū)、城市及鄉(xiāng)村的不同要求。基礎(chǔ)隔震技術(shù)可作為地震防御區(qū)城市抗震防災(zāi)的措施之一,應(yīng)用于防災(zāi)指揮中心、生命線工程、避難中心、救護(hù)中心以及居民住宅建筑的建設(shè)。可以預(yù)見(jiàn),基礎(chǔ)隔震技術(shù)將在防震減災(zāi)事業(yè)中起到巨大的積極作用。量的裝置和阻尼器地震中建筑物的節(jié)點(diǎn)處受力最大,破壞也最嚴(yán)重,在建筑物節(jié)點(diǎn)處設(shè)置阻尼器的消能減震技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。在物理學(xué)上,使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其他阻礙作用,稱為“阻尼”。安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的特殊構(gòu)件,可以提供阻力來(lái)耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置,就稱為“阻尼器”。這種阻尼器用在建筑物的某些關(guān)鍵點(diǎn)上,可大量消耗地震波輸入到建筑物的能量,保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免遭破壞。目前,應(yīng)用較多的阻尼器叫粘滯阻尼器,它由缸體、活塞和粘性體組成。與增強(qiáng)梁、柱、墻來(lái)提高抗振動(dòng)的傳統(tǒng)方法相比,這種消能減震的阻尼器具有保持建筑原貌、效果明顯、節(jié)約經(jīng)費(fèi)和縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。例如,美國(guó)舊金山的威爾斯·法戈銀行大樓在198