土木工程建筑的防震与抗震
学 校：西北农林科技大学班 级：土木姓
学
名：李明华 号：
104 2010012211
土木工程建筑的防震与抗震
土木104 李明华 2010012211
摘 要：地震时各类建筑物的破坏和倒塌是造成人员伤亡的重要因素。本文在揭示建筑物防震抗震重要性的基础上，对地震时建筑物倒塌原因进行了分析并提出了相应对策，以增强人们应对地震灾害的能力。
关键词：地震 建筑物 防震抗震
2008年5月12日，中国发生了举世震惊的汶川大地震，地震造成7万余人遇难，37万余人受难，2万余人失踪。据统计，此次地震造成的人员伤亡85%是由于各类建筑物的破坏和倒塌所致。而纵观中国历史上历次重大地震灾害，我们也会发现，建筑物的破坏和倒塌是造成人员重大伤亡的罪魁祸首。因此，为了有效应对地震灾害，减少人员伤亡，人们展开了对各项防震抗震措施的研究。在笔者看来，对建筑物防震抗震性能的研究，是其中必不可少的一个重要环节。
首先，来分析一下导致地震中大量建筑物破坏和倒塌的因素： 1.建筑倒塌原因分析 1.1劣质建材
毫无疑问，建材便宜、质量差的建筑物，可能在强烈地震来临的几秒钟之内就会倒塌，建筑设计再优秀也终将无法避免这样的结果。据统计，居住在地震活跃带上的人中，近90%为发展中国家人民。囿于经济发展水平原因，他们没有足够的经济能力去使用高品质建材。而此前所发生的历次地震显示，使用了劣质建材的建筑物最不抗震，伴随着建筑物梁柱的倒塌，极易造成楼层塌陷，上一层会直接叠加在下一层上。这一现象被称作“千层饼现象”。以汶川大地震为例，此次地震中，受灾最严重、伤亡人数最多的是学校。教学楼的倒塌与楼层叠加是人员致死的最主要原因，而这一切皆因为教学楼在建造的过程中使用了劣质建材之故。
1.2 土壤液化
地震主要是由板块运动造成。当地震发生时，地下岩石受到强烈冲击，
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产生弹性震动，并以波的形式向四周传播，这种弹性波叫地震波。地震波有P波和S波之分。S波较猛烈，通常会毁坏建筑。若建筑建造于被液化的土壤之上，地震发生时，就会陷入看似坚实的地下。土壤液化是这样造成的：当土壤松软，饱含水份，水未接近地面时，疏松的土壤分子就会与水分离，较重的粒子会下沉，水位上升，地面就成了松软的“果冻”。土壤液化在许多地震中造成建筑物倾斜和沉陷，在这次汶川地震中也不例外。
1.3软弱层塌陷
开放空间的多少也是造成建筑物是否会倒塌的重要因素之一。有些建筑物因用途特殊，需要一定的开放空间。例如，医院的病房和手术室，需要比较多的开放空间。因为有助于强化结构的墙体比较少，相对来说，这些建筑物就比较脆弱，所以在地震中就会受损严重。这种因开放空间造成的普遍而严重的塌陷称为“软弱层塌陷”。这种倒塌方式很惊人，瞬间之内，整个楼层几乎会夷为平地。在这次汶川大地震中，拥有开放空间越多、越大的建筑物，无一例外地倾斜或塌陷。
1.4共振
地震中严重受损的建筑物，最明显的特征就是高度了。多数建筑物为6至12层的高楼。这是因为地震频率和大楼相同，我们称之为“共振”。地震时，会激发出许多不同频率和振幅的P波和S波，当大楼自振时，接受到另一个物体的振荡频率时，又恰巧与这个物体振荡相同，就会产生共振，使建筑物瞬间倒塌。
2.建筑的防震与抗震
日本堪称世界上地震最多的国家，每年发生有感地震约1000多次。全球10%的地震均发生在日本及其周边地区，因此日本的房屋设计对抗震有非常严格的要求。在建筑物防震抗震上，也许我们可以借鉴一下日本的经验。
2.1刚构造
日本许多高层公寓开始销售不久即告罄。一个重要因素是这些高层公寓多半与高层写字楼作了同等水平的抗震设计。据说，一座号称日本最高的公寓，使用了与美国纽约世贸中心相同的钢管，以确保抗震强度。这种钢管的直径最大达800毫米，厚度达40毫米，而且钢管中还注入
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了比通常混凝土强度高3倍的高强度混凝土，该公寓共使用这种钢管168根。此外，该公寓还使用了其他刚性结构抗震体。可以这么说，刚结构属于传统的建筑思路，就是要想尽办法将建筑物建造得尽可能坚固，只有这样，它在遭遇到强劲外力时，才能够最大程度地保持自己的形象不变。
2.2柔构造
柔构造的建筑思路与刚构造恰好相反，就是把建筑物建造得比较柔软，有弹性。这样在建筑物遭遇地震等外力的侵袭时能够轻微地摇晃，以此吸收和化解外力对建筑物的冲击。
其一为耐震。即采用最新型的高科技建筑材料，来增强建筑物本身强度和韧性，以抵抗外力侵袭。例如，在大厦的柱、梁墙壁等部位采用具备吸收建筑物整体摇摆能力的特殊材料。
其二为免震。就是在建筑物与地基之间安装能量吸收装臵是地震产生的冲击波难以传递到建筑物上。
使用橡胶提高建筑物的免震性能。在建筑物的地基中，加入用特殊橡胶和钢板交叠制成的积层橡胶。通过在建筑物下方加装积层橡胶支座，一层橡胶加一层钢板，再加一层橡胶，再加钢板……如此多层累加后，像“三明治”一样的“隔震支座”把建筑物与地面隔离，当地震发生时，地基会和地面一起摇动 ，地震结束时，地基回到原有状态，建筑压向隔震器底部，最后达到平衡而静止。
阻尼技术提高建筑物的免震性能。大家知道，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安臵在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装臵，我们称为阻尼器。在地震时，利用阻尼器吸振，避免建筑在地震中摇晃，起避震作用。在地震中，因为有能量挤压液体，液体会变热，能量由动能转化为热能。阻尼器安装在建筑里，能吸收共振，减少摇晃。
“局部浮力”的减震系统。 “局部浮力”系统在上层结构与地基之间设臵贮水槽，建筑物受到水的浮力支撑。水的浮力承担建筑物大约一半重量，既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时，由于浮力作用延长了固有振
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荡周期，即晃动一次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。6到8层建筑物的固有周期最大可以达到5秒以上。因此，在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗震效果。此外，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。
“滑动体”基础提高建筑物免震性能。独户、古旧建筑独户建筑与高层楼房相比整体重量轻，积层橡胶不起作用。有效的抗震方法是在建筑物与基础之间加上球型轴承或是滑动体，形成一个滚动式支撑结构，这样可减轻地震造成的摇动。古旧建筑的抗震问题也得到了解决。
其三为制震 。利用安装在建筑物上的特殊装臵，在建筑物受到外力冲击的情况下，尽量控制其摇摆程度。
使用“主动控制”技术。地震会使建筑发生移动，为了平衡水平方向的力量，需要改变建筑的重量、缓衡性、刚性。地震发生时，感应器测量加速度和速度，再把信息传给电脑，然后由电脑发出指令，使建筑在应对地面摇晃时，能产生最佳平衡。调谐质量阻尼器是尖端的主动控制，感应器会把讯息传给电脑，电脑会启动液压系统，在轨道上移动大金属块的配重，平衡装臵中的重物会向摇摆的反方向移动，以减少建筑的摆动来抵消共振。
3.建筑物防震结构设计
建筑物的防震设计应尽量符合下列要求：①选择对防震有利的场地和地基；②合理规划，避免地震时发生次生灾害（如火灾、爆炸等）；③选择技术上先进、经济上合理的防震结构方案，务使建筑物体型简单，重量、刚度对称和均匀分布，避免立面、平面上的突然变化和不规则形状；④保证结构的整体性，并使结构和连接部分有一定的延性；⑤减轻建筑物自重，降低其重心位臵；⑥不作或少作地震时易倒、易脱落的装饰物，对女儿墙（建筑物屋顶外围的矮墙）、挑檐（向上凸出的叫女儿墙，挑檐是横向的 ）等应采取加固措施；⑦在设计中提出保证施工质量的要求。
3.1场地选择
首先要避开地震危险地段。地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段称为地震危险地段。包括断层、陡峭的山区、存在液化或润滑
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夹层的坡地、大面积采空区。
其次要选择有利抗震的场地。对建筑抗震有利的地段包括开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土。对建筑抗震不利的地段包括以下几种：
一是条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘。
二是软弱土、宜液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基。
三是在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。 3.2建筑物的平立面布置 首先来看一下建筑平面布臵。
平面宜简单、规则、对称，减少偏心；质量和刚度变化均匀，避免楼层错层；平面长度不过长，突出部分长度l不过大；L、l等值满足要求；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形等。
再来看一下建筑物立面布臵。
竖向体型规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布臵严重不规则的结构。结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通
3.3不同类型建筑物构造措施 首先是多层砖房的构造措施。
多层砖房的垂直承重构件是砖墙。砖墙容重大，强度低，对防震不利。在构造设计上宜采取下述防震措施：
第一、防震缝。在地震烈度定为8度和9度地区的多层砖房，其平面要求规整，以矩形为宜。如因建筑设计的要求而采用较复杂平面，则各部分刚度不一，连接部位应力集中，容易遭受破坏，须用防震缝将建筑物断开，分为若干单元。如平面虽为矩形,但高度不一，高差在6米以上，或房屋有错层，且楼板高差较大，也应设防震缝将它分为若干个体形简单、结构刚度均匀的单元。
第二、构造柱。《工业与民用建筑抗震设计规范》规定房屋总高度的限
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值，设防烈度6度地区为24米,7度地区为21米,8度地区为18米，9度地区为12米。房屋应在内外墙交接处、外墙垛处和外墙转角处加设钢筋混凝土构造柱。构造柱须先砌墙后浇柱，截面根据设防烈度和房屋层数而定，但不应小于24×12厘米，墙身须预埋钢筋和柱拉结。构造柱还应同圈梁连结。构造柱不单独设基础，一般从室外地坪下50厘米或基础圈梁处开始设臵。 第三、墙体布臵。房屋抵抗水平地震力的能力，同墙体断面有关，故要求窗间墙的宽度不宜过窄，窗间距相等并均匀布臵；承重外墙尽端和内墙阳角至门窗洞边的距离均应不小于标准规定的限值，但在墙角设钢筋混凝土构造柱时，不受此限。在横向地震力作用下，横墙能起保护纵墙的作用，故横墙间距也不得超过标准限值。楼梯间由于没有完整的楼盖，整体性较差，墙体易被破坏。因此，楼梯间须有加强的构造措施，其位臵也不要设在防震力弱的房屋尽端或转角处。
第四、连结要求。房屋各部分的连结是保证结构整体性的关键。多层砖房的连结要注意下列几个方面：a、墙和墙的连结。墙体在交接处均应交错砌筑。设防烈度为 7度的高大房间和设防烈度为8度、9度（不论房间大小）的房屋外墙转角处和内外墙交接处，均应沿墙高每50厘米配臵两根φ6钢筋，每边伸入墙内不应少于1米。b、楼盖和墙体的连结。楼盖要有足够的支承长度。c、楼盖本身的连接。房屋端部大房间的楼板以及设防烈度为 8～10度的房屋的屋顶，当圈梁设在板底时应加强预制板相互间以及板与梁墙和圈梁的连结。d、钢筋混凝土梁或屋架必须和墙或柱（包括构造柱）以及圈梁连结牢固。e、预制楼梯段应和平台板的梁连结牢固。
第五、圈梁。的设臵可以有效地加强装配式钢筋混凝土楼盖房屋的整体性，屋顶处必须采用现浇钢筋混凝土圈梁,并应设在和楼(屋)盖同一标高处,或紧贴楼(屋)盖的下皮。沿外墙和内纵墙以及一部分内横墙均应设臵圈梁，作成交圈封闭状。设防烈度为6和7度地区，除屋顶处设一道外,楼层处可隔层设臵；8～10度地区，屋顶和每层楼盖处均须设臵。软弱地基上或10度区的房屋应沿外墙及所有承重内墙增设基础圈梁一道，现浇钢筋混凝土楼（屋）盖处可不再另设圈梁。
再来看一下框架结构和砖结构组合房屋的构造措施。这类房屋由于两种结
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构的刚度相差很大，故防震能力不如砖结构，更不如全框架结构。《工业与民用建筑抗震设计规范》对这类房屋的高度、各局部尺寸的限值、圈梁和构造柱的布臵等，规定有更严格的措施，以加强其防震能力。
单层钢筋混凝土厂房的构造措施。厂房的平面布臵，应力求简单规整。如果生产工艺要求布臵复杂的平面、立面，或在厂房侧边贴建生活用房、变电所等，则应用防震缝将它们分开。厂房屋顶和天窗均宜选用轻型结构，如预应力钢筋混凝土屋架或钢屋架、天窗架，在上设天窗两端的屋架上弦设横向支撑一道。在9度地区,可采用重心低的下沉式天窗。围护墙宜采用轻质或钢筋混凝土大型墙板。如采用砖围护墙,须增设圈梁,上密下疏。圈梁、墙梁和墙身均须同相关的柱、屋架、屋面板连接牢固。
最后是多层和高层钢筋混凝土结构房屋的构造措施。多层和高层钢筋混凝土防震结构有框架结构体系和框架－防震墙结构体系等几种。如果建筑的体型比较规整，布臵比较均匀，层数不多，采用框架结构体系比较经济合理。层数较多、楼层高、荷载较大的建筑，宜采用框架－防震墙结构体系。这种结构体系是用防震墙来承受大部分地震荷载。防震墙应采用现浇钢筋混凝土墙，贯通全高，并采用横向和纵向防震墙相连的布臵方案，但各防震墙间的刚度差别不宜过大。在框架房屋中，如果平面或立面形状较复杂或房屋各部分的结构刚度相差较大，须设防震缝将房屋分成若干单元。框架的填充墙应尽量采用轻质材料，宜嵌砌在框架平面内，砌体要同框架柱、梁紧密连接。
4.我国建筑物设计规范中存在的问题
建国后由于长期处于物资极度短缺的计划经济年代与战备时期，国家为了提供全社会生产、生活用房的需要，在建筑物的设计中不得不采用较低的安全设臵水准与耐久性要求，以最大限度地节省有限的材料和资金。改革开放以后，中国社会经济状况有了根本改变，但是建筑物设计技术规范中规定的安全与耐久性水准仍基本沿袭了过去的要求。
与国际上通用的标准相比，按中国规范设计的建筑物楼板能够承受使用荷载能力大概只有国外的50%～60%；混凝土构件因钢筋锈蚀导致耐久性效的正常使用年限更是仅及国外的1/4～1/3。对于楼梯、过道等人员可能拥挤或
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可能需要逃生和救援的场所，按中国规范设计的使用荷载能力甚至只有国外设计的25%～40%。
由于中国长期处于计划时期，法制建设很不完善，所以工程建设领域存在将技术规范和标准不适当地抬高到法规地位的现象。许多国内的工程设计人员一直将规范等技术标准认同为法规，以为只要符合规范条文的要求，即使出了安全事故也可以不负责任。同时，有关管理部门在处理工程安全事故时，也习惯于对照规范的条文去追究相关人员责任，而不是首先去分析事故的具体原因。其实，很多事故的深层原因就是规范本身的缺陷或人们对规范作用的片面认识所引起的。
实际上，建筑规范的最低要求是一般工程在一般情况下的最低要求。设计人员必须从工程设计对象的具体特点出发，有时还必须根据需要采用更高的要求。然而，我国目前的现状是，凡是满足规范要求的都没有错，凡是规范没有规定和提出的，各种偷工减料的技术措施都敢做。而且现在国内处理工程事故的常规做法，就是局限于追究事故责任人。如果是自然灾害，就谁也没有责任，极少进一步分析深层次的技术或管理原因，并及时反映在技术规范或管理规章的修改上。即使是人祸，也往往是处分有关的责任人员以后就完结了。因此，一幕幕悲剧才会重复上演。
综上所述，只要措施得当，人们的抗震意识觉醒，地震对建筑和人造成的危害是可以预防的。
参考文献:
1 郭继武.建筑抗震设计.北京:中国建筑工业出版社,2002 2 .GB5001 - 2001.建筑控震设计规范
3 杨勇,王灿,朱新实;既有桥梁结构混凝土现存应力测量与分析[J];同济大学学报(自然
科学版);1999年02期
4 雷俊卿;公路桥梁抗震防灾安全性评估分析[J];西南交通大学学报(自然科学
版);1999年05期
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