應(yīng)用釋放地震內(nèi)力結(jié)構(gòu)體系—新技術(shù)抵抗地震災(zāi)害

陸建衡
（北京泰中建科技發(fā)展有限公司）
摘 要：地震給人力造成的災(zāi)難是十分嚴重的。大地震所造成的影響遠遠超過了它的實際災(zāi)害，房屋、橋梁、堤壩、礦井等工程坍塌，是造成大量傷亡和巨大財產(chǎn)損失的直接原因。人類對地震成因進行長期的觀察和研究，重視和發(fā)展地震預(yù)報理論和實踐，不斷提高建筑物抵抗地震破壞的能力。長期以來，人類對提高建筑物抵抗地震災(zāi)害能力進行大量理論研討、模擬實驗及實際工程抗震設(shè)計和建造。然而這些工作都是在牛頓動力學即經(jīng)典力學范圍內(nèi)進行的。某些重要方面仍然沒有擺脫靜力學理論確定的力學模型，并將靜力學理論確定的力學模型同經(jīng)典動力學的力學模型混在一起，用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和建造中，有的并以理論方式編寫進教科書和建筑抗震設(shè)計規(guī)范中。地震是無情的自然規(guī)律，任何與其對抗的建筑物體，都逃避不了毀滅性的打擊，歷史上的教訓太多了。本文將針對提出與地震水平?jīng)_擊力相適應(yīng)的--釋放地震內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。
關(guān)鍵字：釋放地震內(nèi)力；新技術(shù)

　　地震給人力造成的災(zāi)難是十分嚴重的。大地震所造成的影響遠遠超過了它的實際災(zāi)害，房屋、橋梁、堤壩、礦井等工程坍塌，是造成大量傷亡和巨大財產(chǎn)損失的直接原因。人類對地震成因進行長期的觀察和研究，重視和發(fā)展地震預(yù)報理論和實踐，不斷提高建筑物抵抗地震破壞的能力。
長期以來，人類對提高建筑物抵抗地震災(zāi)害能力進行大量理論研討、模擬實驗及實際工程抗震設(shè)計和建造。然而這些工作都是在牛頓動力學即經(jīng)典力學范圍內(nèi)進行的。某些重要方面仍然沒有擺脫靜力學理論確定的力學模型，并將靜力學理論確定的力學模型同經(jīng)典動力學的力學模型混在一起，用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和建造中，有的并以理論方式編寫進教科書和建筑抗震設(shè)計規(guī)范中。
1 現(xiàn)行抗震（理論）技術(shù)存在的問題
世界各國采用的抵抗地震破壞的建筑物體的基本類型，是以吸收地震能量為主的插入式整體結(jié)構(gòu)（對地球而言），即將建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為絕對不可分割的剛體插入地球，因而建筑物抵抗地震破壞力的受力分析和設(shè)計，就不得不從結(jié)構(gòu)整體考慮建筑物的抗震性能，地震破壞力是通過土層和巖石沖擊建筑物的基礎(chǔ)，并直接將沖擊力傳遞給上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的作用力（荷載）加上地震產(chǎn)生的內(nèi)力又反作用于基礎(chǔ)，因而建筑物基礎(chǔ)的強度設(shè)計要求，應(yīng)是地震力和上部結(jié)構(gòu)反作用力的疊加。地震破壞力是往覆水平剪切力，上部結(jié)構(gòu)的反作用力是垂直于地面的。這樣兩個方向互相垂直，并處于運動沖擊狀態(tài)的作用力，在一個平面上會交了。地震破壞力以強大的往覆水平剪切力，上部結(jié)構(gòu)的反作用力是垂直于地面的。這樣兩個方向互相垂直，并處于運動沖擊狀態(tài)的作用力，在一個平面上會交了。地震破壞力以強大的往覆水平推動力，推動著（抓住）建筑物基礎(chǔ)做水平往覆運動，而建筑物上部結(jié)構(gòu)垂直于地面的作用力又阻礙著這個運動，因而很容易分析，在這兩種力的會交面上，實質(zhì)上形成了遠大于地震破壞力的往覆剪切力。因此，建筑物的抗震能力在插入式整體結(jié)構(gòu)中是很難達到實際抗震設(shè)計要求的，現(xiàn)在的建筑物一般都是偏于保守的理想設(shè)計和建造，因而投資也在大大增加，即便如此，在實際的地震災(zāi)害中，建筑物受破壞的程度依然是很嚴重的，進而也無法擺脫和減輕地震災(zāi)害，給人民的生命和財產(chǎn)造成的巨大損失。
歷史的教訓足已充分說明，插入式建筑結(jié)構(gòu)體系受到了嚴峻的檢驗，即似地球為相當好的慣性參考系，又將建筑物體插入地球，形成不可分割的剛體。在過去的年代，建筑物還處于低層范圍時，問題還不太嚴重，而在現(xiàn)代化高層、重型建筑中，仍然是采用插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)，在實際的地震災(zāi)害中存在著嚴重的隱患。插入式整體建筑物結(jié)構(gòu)體系在正常情況下，即非地震靜止狀態(tài)，是沒有什么問題，而在地震災(zāi)害爆發(fā)時，插入式整體建筑物體系的結(jié)構(gòu)受力傳力路線明顯發(fā)生混亂，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的極其重要的力學原則：
1）不論在任何情況下，結(jié)構(gòu)的傳力路線必須清楚。
2）以當?shù)氐淖畈焕饨缫蛩貫樵O(shè)計依據(jù)，如很多地區(qū)必須考慮可能發(fā)生的最大地震破壞力。這就是說建筑物抵抗地震破壞的正確條件是：運動中建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞必須正確、清楚。
插入式整體建筑結(jié)構(gòu)在地震時，將地震破壞力直接傳遞給上部結(jié)構(gòu)，使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生搖晃，由于上部結(jié)構(gòu)是剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)，因而在搖晃中產(chǎn)生的巨大能量沒有釋放點，而被迫返回基礎(chǔ)，地震又很快的不斷的沖擊建筑物的基礎(chǔ)，向上部結(jié)構(gòu)輸送地震能量。這樣上部結(jié)構(gòu)返回的作用力，同基礎(chǔ)傳來的地震內(nèi)力發(fā)生沖撞，沖撞最厲害的集中點，就是能量集中釋放的突破點，也是結(jié)構(gòu)的破壞點，通常都在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的交面上，破壞的形式是剪切破壞，而整個建筑物不是倒塌就是傾斜。
目前，許多國家在高層建筑的抗震設(shè)計方案中，已經(jīng)出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)，如：美國紐約的42層高層建筑物，建在與基礎(chǔ)分離的98個橡膠彈簧上，日本的建在弧型鋼條上的防地震建筑物，以及前蘇聯(lián)的建在與基礎(chǔ)分離的沙墊層上的建筑物，以及在中國已經(jīng)獲得了美國、中國和英國發(fā)明專利權(quán)的，剛?cè)嵝愿粽稹p震、消震建筑結(jié)構(gòu)與抗震低層樓房加層結(jié)構(gòu)，這些新結(jié)構(gòu)十分成功的應(yīng)用于工程實踐中，都明顯的在建筑結(jié)構(gòu)體型上，改變了傳統(tǒng)的插入式剛箍捆住內(nèi)力（吸收地震能量）的結(jié)構(gòu)體系。總之都在建筑設(shè)計的結(jié)構(gòu)方面，設(shè)法擺脫了在地震災(zāi)害時，嚴重威脅著人們的生命安全的插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。其實質(zhì)都反映了對“似地球為相當好的慣性參考系”為指導理論。所制定的現(xiàn)行抗震硬抗、死抗地震打擊設(shè)計規(guī)范的動搖，本質(zhì)上也是改變了建筑結(jié)構(gòu)受力體系，而不再似地球為絕對靜止不動的慣性參考系了。
2 釋放地震內(nèi)力結(jié)構(gòu)體系的理論基礎(chǔ)
我們從現(xiàn)代地球物理學家關(guān)于對地球板塊運動力學分析中，以及對地震客觀規(guī)律的不斷揭示，更進一步對地球的認識，有了新的力學見解，我們認為地球是一個在運動中自身求得內(nèi)力平衡的結(jié)構(gòu)體，它有兩個階段的運動規(guī)律：
2.1 地球內(nèi)力的平衡階段
地球結(jié)構(gòu)體，在自轉(zhuǎn)和圍繞太陽周轉(zhuǎn)運動的過程中，所產(chǎn)生的內(nèi)力，在平衡階段，地球運動處于內(nèi)力平衡，地表運動處于靜止狀態(tài)，此階段可似地球為慣性參考系階段。
2.2 地球內(nèi)力的釋放階段
地球結(jié)構(gòu)體系處于內(nèi)力平衡階段后，其內(nèi)力仍然在不斷的增加，而地球結(jié)構(gòu)體不能承受日益增大的內(nèi)力，而在運動中，通過地球板快的運動，地震和火山等形式釋放出來，以求得新的內(nèi)力平衡，這個階段是地表的活躍階段。其不斷增加的內(nèi)力，將在地球內(nèi)力集中點釋放出來，此階段可似為非慣性參考階段。地球內(nèi)力平衡過程中的這兩個階段，在地球內(nèi)部不斷循環(huán)下去，形成了地球生態(tài)平衡的必然規(guī)律。
人類是在地球生態(tài)的環(huán)境中生存的，因此，人類必須遵循地球生態(tài)環(huán)境中的各種自然規(guī)律去發(fā)展。從人們開始認識到對過去認識的不足，即理論上的不足和錯誤，又不斷的在生活實踐中，提高了對地球生態(tài)環(huán)境的認識，進而不斷的揭示自然規(guī)律，掌握和運用規(guī)律為現(xiàn)代人類和將來造福。應(yīng)該明確的指出，人類對地球認識的提高和深化，其指導人類如何適應(yīng)地球生態(tài)的科學理論，也就隨之進入了更高的階段。
3 新技術(shù)的設(shè)計依據(jù)、技術(shù)特征及經(jīng)濟效益
已經(jīng)獲得中國、美國和英國發(fā)明專利權(quán)的新技術(shù)“建筑物抗震減震裝置”、“建筑物消震裝置”和“高層建筑隔震消能裝置”完全改變了傳統(tǒng)的插入式剛箍捆住地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)體系，將建筑物整體有機的隔離成兩個受力體系，這樣地震破壞力的傳遞媒介改變了，由直接傳遞轉(zhuǎn)化為間接傳遞。不言而喻，“建筑物抗震減震裝置”將大大減少地震對上部結(jié)構(gòu)的沖擊，反之，上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的作用力也大大減小。
新技術(shù)的設(shè)計依據(jù)是以柔克剛的動態(tài)平衡原理，該技術(shù)的主要特點是：能十分有效的大大減弱地震災(zāi)害對建筑物的打擊破壞。目前，發(fā)展中國家和發(fā)達國家的科學家們在研究抵抗地震災(zāi)害方面，都從過去只是單純考慮建筑結(jié)構(gòu)加大剛度的硬抗（死抗）方式，而向建筑結(jié)構(gòu)隔震減震的方面發(fā)展了。原因十分清楚，過去幾百年來建筑物硬抗地震災(zāi)害方法的不斷失敗，告訴和啟發(fā)人們要尋求一種適應(yīng)地震客觀規(guī)律的抗震方式。用一句通俗的話來講，以柔克剛，才能達到建筑物在地震沖擊中的動態(tài)平衡，而不被破壞，反之，以硬抗來對抗地震的打擊，即以剛克剛設(shè)計的建筑物是根本抵抗不了地震的打擊的。因為人們設(shè)計建筑物的剛度，不可能達到（保證）比地震破壞力還要大得多的程度。否則現(xiàn)代的專家們?nèi)パ芯拷ㄖ锏南稹⒏粽鹋c減震，不就失去意義了嗎？
“建筑物消震裝置”發(fā)明專利技術(shù)，就是要從根本上解決地震爆發(fā)時對建筑物基礎(chǔ)的安全保護，其形式是沿建筑物四周一定距離內(nèi)，在基礎(chǔ)底面到地面的位置，設(shè)置“建筑物消震裝置”，該裝置的作用是從任一方向完全切斷地震波沖擊基礎(chǔ)的傳力路線，使基礎(chǔ)處于安全保護之中，基礎(chǔ)都安全了，上部建筑自然也就安全了。如果是高層建筑，還要結(jié)合采用另一項“建筑物抗震減震裝置”發(fā)明專利技術(shù)，將更加有效的保護高層建筑的安全使用。該技術(shù)還可以用于50—80年代舊建筑物的消震保護，特別是對大會堂、大禮堂、展覽館、影劇院等，對無法抗震加固的大型建筑和古建筑的消震保護是十分有效的。該發(fā)明專利技術(shù)是在不影響舊建筑物的繼續(xù)使用，不用搬遷的情況進行，比常規(guī)抗震加固安全，還節(jié)省40%左右的投資，用于新建筑中，比常規(guī)設(shè)計節(jié)省20%左右，并能完全達到地震設(shè)防要求。該專利技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于中央黨校、國務(wù)院二招等舊建筑的加高和消震減震工程中。創(chuàng)新科技經(jīng)評審已列為中國北京市重大科技成果推廣計劃，國家科委成果辦發(fā)文向全國推廣，中央電視一臺、二臺、十臺均新聞和專題報道。
“建筑物抗震減震裝置”和“建筑物消震裝置“完全適應(yīng)于新建筑結(jié)構(gòu)，也適應(yīng)于使用中的已建成的建筑結(jié)構(gòu)的抗震、減震和消震措施。即適用于工業(yè)和民用建筑、鐵路橋梁和公路橋梁、塔式和倒擺式結(jié)構(gòu)、大型水庫的大壩以及地面和地下的建筑物。
地震給人類造成的災(zāi)害，使人類越來越清醒的認識到，科學技術(shù)的不斷發(fā)展是人類在地球生態(tài)環(huán)境中生存和發(fā)展的需要，人類為了更好的在地球生態(tài)環(huán)境中生存和發(fā)展下去，就必須不斷的認識地球的生態(tài)環(huán)境及自然規(guī)律，不斷的提高科學理論和更先進的技術(shù)水平，使人類建造的、賴以生存和發(fā)展的建筑物適應(yīng)地震破壞力的能力不斷增強，以減免地震災(zāi)害時人民的生命和財產(chǎn)的巨大損失。
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