要和建築師一起看的災難片

汶川地震已然過去十年，而這十年間，地震並未遠離我們，地震災害不時發生，不斷造成人員的傷亡和財產損失。此時以當下的技術條件，面對地震預報這樣的問題，人們似乎顯得有點束手無策。而從提高房屋建築抵抗地震災害的能力，似乎成了較為現實的選擇。

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地震災害

2000年以後全球地震分布及傷亡人數（美國USGS）

自2000年至今，全球每年7-7.9級以上的地震出現的頻次在15-20次左右，而幾乎每年都有一次8級以上的地震。統計2000-2015年的全球地震死亡總人數達到了801629人，年均因地震死亡人數達到了50102人，地震作為一種極端的自然災害，其造成的破壞及對人類社會產生的影響不言而喻。

2008年來國內破壞性較大的幾次地震

（國家地震局網站）

2008年的汶川地震之後的十年間，我國又經歷了諸如2010年玉樹地震，2014年雲南魯甸地震等破壞性較大的地震，造成了大量的人員傷亡。

汶川地震倒塌的房屋

2011年來全球破壞性較大的幾次地震

（國家地震局網站）

日本311地震引發的海嘯

而放眼全球，每年都有各種破壞性較強的地震發生。但是2014年和2015年智利發生的兩次8級以上的地震分別僅造成了8人和20人死亡，而2016年紐西蘭發生的8級地震也僅造成了2人死亡，數十人受傷，相較於我國汶川地震，這樣的地震等級下的如此小的損失，實在讓人嘆為觀止。

地震造成人員傷亡大體有如下三方面的因素：

①地震造成的自然環境的破壞，如地裂，山崩，海嘯，水災，瘟疫等。

②房屋建築的破壞和倒塌。

③社會環境的破壞，如飢餓，社會動亂等。

由原因②導致的人員死亡可稱為直接性死亡，由原因①，③引起的死亡可稱為間接性死亡。

隨著人類社會和經濟的發展，間接性死亡的幾率相對較低，而房屋建築是任何人離不開的棲息地，目前多數地震人員傷亡都是直接性死亡。因此可以說地震發生時造成人員傷亡的最主要原因是地震引起的房屋建築和各類工程設施的破壞倒塌。因而建築結構的抗震設防對減小地震災害，確保居民的生命財產安全有著顯著的意義。

地震引起的建築破壞

研究表明，房屋建築抗震設防烈度提高一度，所增加的投入不足房屋建築總造價的5%。對房屋建築結構進行合理的設計來抵抗地震的作用，確保住戶的居住安全，減少地震時的傷亡，就顯得尤為重要。而這，就需要結構工程師基於現有的手段，對建築進行合理的設計，實現預防地震災害的目的。而尋找減輕地震災害的第一步，就是要找到地震對建築結構作用的方式。

地震造成建築破壞的原因

地震，顧名思義就是地面的震動。而地面的震動又如何引起建築結構的震動呢？我們可以用高中物理就學過的牛頓第二定律來解釋，力等於質量乘以加速度：

F=ma

即地震給了建築一個加速度，而建築本身有質量。質量與加速度共同形成了一個作用在建築物上的作用力。我們經常用糖葫蘆串模型來描述地震作用下的建築。即將各層的柱子等效成單根桿件，而在樓層位置處為集中質量，在集中質量處施加水平作用力，就得到了的地震力作用下建築的基本力學模型。

糖葫蘆串模型

那麼，單看牛頓第二定律，是否施加的加速度越大，或者結構質量越大，所產生的地震力越大，從而引起的結構地震破壞越大呢？來看幾個質量相同但高度不同的框架在不同振動頻率下的反應。

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振動頻率4HZ

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振動頻率6.35HZ

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振動頻率11.35HZ

在質量恆定的情況下，各結構的隨震動反應的大小是隨著震動頻率的變化而變化的。這種現象可以用共振來解釋。結構自振頻率與振動頻率接近時，結構的反應也就越大。外部激勵振動頻率越快時，越低矮的建築的反應越大。

而一條地震波可以被看成n條不同頻率下的簡諧波的疊加。結構在地震作用下的反應不僅與地震動加速度的大小和頻率有關，還與結構本身的特性和地震動的周期有關。那麼在外部動力激勵的情況下，建築結構能發生多大的反應呢？

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美國Tacoma Narrows Bridge坍塌事故

上世紀四十年代美國Tacoma Narrows Bridge由於風荷載激勵引發的共振而產生了過大的結構反應而發生坍塌。同樣的道理也適用於地震荷載對建築結構的激勵。在特定的條件下，地震力對建築物的傷害是致命的。

因此，想和建築師說明的是，在面對地震時，建築結構的震害程度不僅與地震的震級相關，同時也與建築結構本身的地震動特性有關。合理的結構形式和抗震體系是保證建築抗震安全的首要因素。這就需要在建築設計，乃至建築方案階段，建築師與結構師進行充分有效的溝通，保證建築結構合理的抗震能力，避免潛在的風險。這樣不僅對結構本身的抗震性能有利，從某種程度上也能讓結構在經濟性方面避免不必要的浪費。

地震引起的框架結構破壞

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某框架結構振動台試驗

框架結構的振動台試驗中，結構首先在底層發生了破壞，這主要是由於框架首層的反應過大，超過了首層的承載力，導致結構首層產生了薄弱層，薄弱層破壞引起了結構整體的坍塌。而薄弱層根據結構本身的特點，可以出現在建築的不同樓層。

首層薄弱層

二層薄弱層

除了結構整體的受力特性之外，還需要從構件，即結構的梁板牆柱的層面去保證結構的安全性。對結構而言，現行的設計思想是確保結構柱的安全冗餘度大於結構梁的安全冗餘度，確保結構在地震發生時不至垮塌，即結構設計中「強柱弱梁」的概念。同時，保證樑柱節點的安全冗餘度大於樑柱構件本身的冗餘度，即結構設計中的「強節點弱構件」的思想。

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某框架結構振動台試驗

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某框架結構振動台試驗節點破壞

地震引起的砌體結構破壞

砌體結構是中國廣大農村地區建築的主要結構形式，包括廣泛存在於閩南地區的石砌體結構。城市中年代較早的建築中，也有較大比例的砌體結構。由於砌體結構塊材之間的連接能力較差，在地震發生時，容易發生較為嚴重的破壞。

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砌體結構振動台試驗

文中砌體結構振動台試驗中結構的從窗框的角部呈45°角向四周發展。這是典型的砌體結構的破壞形態。類似的震害同樣出現在石砌體結構上。而砌體結構的破壞主要是沿著薄弱環節發展。

在多層砌體結構中，多層砌體中的上下層窗之間的牆體出現了斜交的裂縫。這時由於砌體結構多肢牆由受力能力較弱的連梁（窗下牆）連接組成的變形系系統。由於窗下牆弱於窗間牆，導致了窗下牆率先破壞。

砌體結構震害1

砌體結構震害2

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石結構震害

總結

隨著社會經濟的發展，房屋建築的設計及建造的技術也隨之不斷進步。但是地震並未就此遠離我們。雖然在建築結構抗震領域，人們取得了豐碩的成果，但是無法迴避的是，地震的發生，仍然會造成巨大的災難。因此，我們需要採取一定的手段，準確地計算地震對房屋建築的影響，研究地震對不同類型房屋的破壞形式，得到相關的科學規律，為地震發生時人們的生命財產安全做好充分的準備。

[1]馬玉宏，謝禮立.關於地震人員傷亡因素的探討[J].自然災害學報，2000.8（3）：84-90

[2]葉列平，曲哲，陸新征，馮鵬.建築結構的抗地震倒塌能力——汶川地震建築震害的教訓.汶川地震建築震害調查與災後重建分析報告，2008:538-550

[3]汶川地震VIII度和VII度區城市房屋震害及若干典型震害討論[J].地震工程與工程振動，2009（6）：65-73

非解構

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