浅谈建筑抗震现状与抗震技术展望
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摘要：20世纪以来，各个国家都在积极探索抵抗地震的方法，由于科技和经济文化发展的不均衡，各国建筑的抗震能力也有较大差异。本文将以地震为背景介绍了美国、日本和中国的建筑抗震现状以及未来建筑抗震技术新的发展方向。简略阐述了隔震技术、消能阻尼器、加固技术以及主动控制技术等几种新型抗震技术的基本原理与应用。
关键词：建筑抗震；新技术；隔震技术；主动控制技术
一、背景
随着科技的进步，人类进入了崭新的发展阶段，而突发其来的地震往往对人类社会造成难以抵御的冲击，给经济建设和人民生命财产带来严重危害。特别是在人口稠密、工业发达的地区，大地震给人类带来了巨大的灾难。
2008年5月12日发生在汶川的大地震，就造成了极其惨重的人员伤亡和财产损失，近7万人丧生，1.8万人失踪，1600万间房屋倒塌。
2011年3月11日日本本州东海岸附近海域的里氏9.0级地震，造成近3万人死亡或失踪，其次生灾害对全世界产生的影响危害至今。
据统计，20世纪全球因地震死亡120万人，我国占59万人，居各国之首。我国大陆大部分地区位于地震烈度VI度以上地区，50%的国土面积位于VII度以上的地震高烈度区域，其中包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市。
如何避免和减轻地震灾害，是当前社会发展必须首先要考虑的问题之一。而地震中建筑物的破坏是造成地震灾害的主要原因。因此，研究建筑抗震技术具有特别重要的意义。
二、建筑抗震现状
20世纪以来，各个国家都在积极探索抵抗地震的方法，由于科技和经济文化发展的不均衡，各国建筑的抗震能力也有较大差异，当前各国建筑抗震的现状以美国，日本和中国为例可窥见一斑。
1、美国
美国住宅建筑占美国建筑工业总投资的40%左右，平均每年新建居住建筑总户数在200万户左右。
目前美国住宅建筑广泛采用的建筑体系是：以钢筋混凝土和混凝土砌块为基础，以石膏板，玻璃棉、纤维板（聚氨酯硬质泡沫板）复合轻质板为围护墙体或以木型材为框架的木结构建筑体。
美国住房主要结构有木结构，混合结构和轻钢结构三种类型。其中以木结构居多，占到半数以上，大多是可装配的木柱、木梁、木柁。其中木材大多从加拿大进口，具有较高的强度和较好的防腐蚀和抗震性。
美国西部地区，由于受到地震影响，高层建筑很少，混合结构建筑墙体材料大多采用承重混凝土小型砌块，很少使用粘土砖作为墙体材料。
美国的大型建筑用钢材较多，其中大部分建筑采用钢结构，抗震性抗风性较高。梁柱用电焊焊接或用螺栓连接，楼板大多用凹形钢板铺设。
2、日本
日本的住宅建筑，每年新增住宅建筑面积1.4亿平方米，占总建筑面积50%，一、二层的小住宅为主，多层和高层公寓为辅。日本地处强烈的地震区，日本的住宅建筑从60年代开始，突破旧式木结构和砖混结构的旧有框框，采用现浇法（现称旧法施工）建造高层建筑，但是，日本地少人多，人均资源比较紧张，旧法施工材料和技术工期长（跨年度完工），材料耗用大，不符合日本住宅发展的国情。80年代，日本开始从旧法施工向工业化施工转型，工业化施工很快就蓬勃发展起来。最近几年，日本工业化法施工的房屋，外型美观，性能优良，内部格局好，取代了统称为H、P、C法的剪力墙结构或钢筋混凝土框架结构。日本的房屋工厂很多，日本的国民可以从房屋工厂买回房屋装配材料，在专业人士指导下，自己安装。日本在工业法建造住宅的性能方面如隔热性、防水性、防露性、防火性、耐久性、隔音性、抗震性都拥有了大量的数据，特别是抗震试验，模拟日本阪神、淡路大震灾2.4倍的地震波进行试验，并实现了地震临界点4.3倍巨大地震进行加振试验。使日本建造的住宅不仅是安全住宅，更是安心住宅。
3、中国
随着城市化进程的加快，我国是世界每年新建建筑量最大的国家，每年20亿平方米新建面积，相当于消耗了全世界40%的水泥和钢材。新建建筑大多以混凝土结构为主，多层以框架结构，高层以框架-剪力墙结构和剪力墙结构为主。新建建筑具有较好的抗震性。
但由于历史原因，我国仍然是世界上少数几个砖砌体材料占大部分的国家之一，特别是外墙体材料，大大落后于美国和日本，资源浪费极大。
砖砌体材料虽然取材方便，成本较低，但其自重过大，整体性差，因此历次地震中受灾最严重倒塌房屋最多的建筑主要以砖砌体结构为主。国家下发了逐渐限制和禁止使用实心粘土砖等多项法规，虽然近来在大中城市中取得了一定的成果，但广大的农村地区建筑抗震仍然令人担忧。
三、抗震技术发展展望
虽然目前建筑的抗震性能并不能让人满意，特别是在我国很多地区的建筑还不具备抗震性，但是在人口稠密的大城市里，一些新型的抗震技术已经开始出现。抗震方法也由原有传统的加强建筑横向刚度的抗震技术，发展到现在的多方向抗震体系。随着材料科学和计算机科技的进步，还出现了一些抗震技术的新思路，这些新思路以及一些还在实验中的技术为我们展示了未来建筑抵御地震的新方向。
1、隔震技术
隔震技术是一种新型的建筑结构抗震形式，通过在房屋的基础或某层柱顶设置隔震垫层，阻止地震作用向上传递，从而达到减弱结构地震反应的效果。
隔震层一般是由薄钢板与天然橡胶重合制成的，通常用于支撑建筑物的重量。吸收结构如果仅仅是橡胶，其垂直方向会显得松软，加钢板后起坚固压重作用。横向柔软，比重适宜。在吸收结构的中心加进了铅芯和铅塞。铅塞的功能主要是把地震的动能转变成热能，以阻止震动传向建筑物。例如钢筋一旦弯伸就会生热，吸收结构一变形，铅塞也随之变形生热。地震时吸收结构可在水平方向柔软地变形，以阻止地震的力直接传向建筑物，就是说，吸收结构起着缓冲地震力的作用，将地震力从1/3减至1/7,即使遇到强震也只感觉到轻微的晃动。
加入了隔震系统，减震效果一般可以达到50%到90%，并且在抗震设防烈度8度及以上的抗震区，可以显示出较为明显的经济性。
目前，世界上大约已经建成了3100多幢基础隔震建筑，其中80%以上采用的是叠层橡胶垫隔震系统。
1984年新西兰建造了世界上第一栋以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物。1985年美国建成了第一座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州・圣丁司法事务中心。目前世界上最高的防震楼在日本，这座楼高14层，地下2层，高约80米。建筑物装有超塑性橡胶减震器，可使建筑物的振动衰减常数达到20%。安装防震设备后，大大提高了工程的安全系数。基础隔震原理（图）
2、消能阻尼器的应用
阻尼器技术在20年前开始应用在军事基地上，使洲际导弹从地下发射井受近距离攻击时仍然能够正常运作。地震工程师利用阻尼器吸收地震能量，避免建筑在地震时摇晃。消能阻尼器类似于避震器的作用，用于工程中的主要是以液压阻尼器为主。
液体从微小的孔洞流向另一端以达到吸收地震能量，地震能量挤压液体（图），使液体变热，能量也由动能转化为热能。将消能阻尼器安装在建筑里，可以使阻尼比仅为2%抗弯钢框架，有效粘滞阻尼比增加到8%以上，能吸收共振，对于减少建筑摇晃，从而使底部地震剪力和顶点侧移降低50%。
3、加固技术
近日，一种新型廉价的仿真加固技术悄然兴起，这种技术采用树脂材料作为抗震“绷带”包裹建筑物支柱，在支柱外部增加紧箍作用，增强支柱的竖向承载能力，从而增加支柱在水平方向抵抗剪力的能力和变形能力。
由日本“构造品质保证研究所”科研人员开发的这种防震加固技术被称为“SRF”工艺。抗震“绷带”采用树脂纤维制造形状类似安全带。施工时，将抗震“绷带”涂上粘合剂，包裹固定在建筑物支柱上。地震发生时，支柱即使出现内部损伤也不会倒塌，这可以确保人员的生存空间。
以一座每层有12间房屋的4层楼为例，通常加固工程需要花费5000万到1亿日元，采用这一技术后，仅需500万日元左右，如果是木质建筑，仅需数十万日元。工程施工也相当简单，“构造品质保证研究所”此前已经完成了250个此类项目，包括新干线高架桥、医院以及约40栋学校建筑物等。
4、主动控制技术
主动控制技术是一种新型智能防震技术。这种技术将生物工程原理应用在建筑工程中。人类以肌肉系统平衡身体，大脑和肌肉合作无间，控制身体平衡。建筑也是一样，神经把讯息传到大脑，装在建筑里的感应器把讯息传给电脑，电脑和相当于人体肌腱与肌肉的液压与配重系统连接，通过高速计算机运算，建筑能在最短的时间里在应对地面摇动时就能产生最佳的平衡。
主动控制技术能使建筑做出即时反应，日本台湾和上海已经安装这项技术的第一代。其中最具代表的就是调谐质量阻尼器。台北101大厦在地上第88层就安装有这种质量阻尼器。感应器在地震时会把信息传给中央电脑，电脑会启动液压系统，在轨道上移动大质量金属块在水平两个方向的配重，调整建筑物重心，使其保持平衡。
结束语
虽然人类科学技术得到了很大的进步，但地震将会伴随人类的文明一直存在。安居才能乐业，而现有建筑的抗震性并不能让我们满意，不管是发达国家还是发展中国家的建筑工程师都面临一个相同的问题，如何才能让我们居住的建筑更加安全可靠。
未来的建筑随着高度的增加，结构体系越来越复杂，受力分析难度越来越大，而地震对建筑的风险也在加大，本文列举了诸如基础隔震和主动控制技术等一批新的抗震技术，为同类建筑抗震设计提供参考的依据。
参考文献：
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.2010.
[2]《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008.
[3]《建筑结构抗震设计》李国强.中国建筑工业出版社.2010.
[4]《不规则建筑抗震设计中的几个问题讨论》刘冬柏，王璇. 中国建筑工业出版社.
[5]《现有建筑抗震设计能力评估》尹之潜. 中国建筑工业出版社.
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