从“屋坚强”谈抗震

阮祥林

4.20 雅安地震牵动了亿万民众的心，到目前已造成196人死亡，21人失踪，13484人受伤。地震直接或间接导致伤亡是目前自然灾害中最多的，而其中建筑倒塌又是伤亡的主要原因，建筑的抗震性能再一次引发广泛的讨论。

老屋为何坚强？

在此次雅安地震中芦山县龙门乡古城村东南的一处山脚的百年古宅引起了人们的注意，这座修筑于清朝同治年间的老宅，在地震中除了屋脊脱落几块瓦片外，没有任何损伤。在这座老屋被捧为“屋坚强”的同时，许多人对于在地震中倒塌的房屋提出了质疑，认为当今建筑不及一座百年前的老屋。

难道如今的建筑质量真的如此不堪，混凝土建筑不及一百年前年的木瓦屋？

其实这其中是有原因的。中国传统建筑以木构架结构为主，木结构抗震的问题已经被众多科研机构反复研究。中国传统的梁柱式木结构建筑、北美木结构建筑和日本的轴组工法木结构建筑等都以抗震性优越著称。东京大学曾在能够模拟地震的测试仪上将木结构建筑、砖结构建筑、钢筋混凝土建筑1:1实物做模拟地震测试，结果证明木结构建筑的抗震性明显优于其他结构建筑。在发生地震时，木结构建筑不会像砖瓦建筑那样立刻坍塌，可为室内居住者获得逃生的可能性。据介绍，本月4日新西兰南岛7.1级地震零死亡的奇迹，便得益于这种轻型木结构房屋。在新西兰，这种木结构房屋在民居中的使用率大约是80%，而在加拿大这一数字达到了98%。

木结构抗震有两方面原因：

第一个原因是材质轻盈，地震发生时，木质房屋不会像砖混结构的建筑那样，容易被自身的重量压垮，而且木材本来就是一种柔性较强的建筑材料，一般也不会对人构成致命伤害。

第二原因，也是更为主要的原因，就是不同的结构形式，抗震性能明显不同。中国传统木结构建筑，由立柱、横梁及顺檩等主要构件组成。各构件之间的结点用榫卯相结合，构成了富有弹性的框架，所以在抗震上具有一定优越性。其次由于这种结构主要以柱梁承重，墙壁只作间隔之用，并不承受上部屋顶的重量，所以即使是遇到强震也不易损坏，“墙倒屋不塌”这一句中国民间的俗语，充分表达了梁柱式结构体系的特点。

“屋坚强”之所以如此“坚强”，其实是其结构有着一定的优越性，而我国目前许多混凝土建筑并不是框架式结构，存在不少承重墙，在地震灾害由于自身负重，极容易遭到破坏。

木结构的取代者

从木结构抗震因素可以看出来，框架式结构是抗震的核心，然而，木结构虽然抗震效果好，但木结构受材料的局限，难以筑造大型建筑，很难满足今天人们的需要，也不符合我国国情。

但随建筑现代化的发展，现代建筑可用的材料更加广泛，钢结构的出现，解决了这个问题。首先，以钢材为建筑主体材质，是可以营造出大形建筑，比如北京鸟巢体育馆。其次，钢结构完全可以模拟出木结构的特性，能起到木结构抗震的效果，且有过之而无不及。不论中国传统的木质结构，还是混凝土结构，都是自然材料的直接取用，钢结构的出现彻底地取代了先前的所有建筑方式，而且钢材可以任意加工成所需的形状，建造也十分方便。

当地震来临时，房屋在地震波循环荷载情况下，极易发生整体垮塌。而钢结构具有良好的延展性，可以将地震波的能耗抵消掉。钢材基本上属各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构建筑相对于其他结构的建筑自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。

钢结构的抗震设计

前面已经说到了，建筑的抗震性除了材料之外，与结构、设计也有极大的关系，而钢结构除材料本身的优越性外，钢结构在抗震设计中也有许多亮点。到目前为止，关于钢结构的抗震设计已经有很多了。

第一种设计，钢结构预制构件拼接建筑结构。在钢结构预制构件拼接建筑结构中，预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数，从而增加了塑性铰的形成数量，构成多道抗震防线，不仅提高了结构的抗震可靠度，更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构(类似于汶川校舍建筑)之类的楼房，也能大大提高其抗震能力。

第二种设计，支撑布置方式。由于高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加强层，增加支撑体系和水平加强层能提高结构整体刚度。

第三种设计，轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型:等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截面的焊接(或轧制)H型钢门架构成，柱脚常设计为铰接或刚接，围护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接H型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度。依据刚架的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组成，而梁则由几个楔形构件组成。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点，近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。

第四种设计，巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大，是巨型钢结构抗震设计中的一个重要问题。巨型梁的数量不是越多越好。此外巨型梁数量要保证结构具有足够的抗侧刚度，且要考虑巨型梁柱线刚度，使其相差不能太大，以利于抗震。在地震动作用下巨型梁位置的改变对结构的反应影响较大，而从反应谱分析中并未看出巨型梁位置改变对结构反应的影响。

第五种设计，轻型钢结构框架节点。冷弯型钢被称为高效截面型钢，具有承载力高，整体刚度较大，节省材料等优点。节点是冷弯型钢结构体系的重要组成部分，是结构传力体系的核心构件。研究证明了初始微小缺陷法是易行的和符合实际的，揭示了初始微小缺陷是实际结构存在非线性分叉失稳的真正原因，指出在研究肘形刚架时，必须考虑其非线性分叉问题才能全面地了解它的稳定性能。

所以钢结构有理由成为目前抗震性能最好的建筑结构。

钢结构的抗震效果

同样是发生在雅安地震时的另一条新闻，雅安地震发生时，四川农业大学雅安校区的学生集体逃往了学校的实验楼。事后经记者采访，学生们表示，因为实验楼是钢结构建筑，他们感觉要比土木结构建筑更加坚固，所以逃到实验楼避难，由此可见，钢结构的抗震性已经被认知。据了解，日本等地震高发地区的建筑中钢结构占38%，木结构占35%，混凝土结构只占20%多。

目前我国在钢结构抗震上已经取得了不小的成绩，远大可建集团投入300人的抗震研发团队和数亿元的研究经费，历经上百次试验，最后总结发明出了“钢构+斜撑+轻量”的减震、抗震的建筑结构技术。2011年的5月远大可建一座纯钢结构1：10的30层大厦模型，在中国建筑科学院进行了抗震实验，最后该钢结构建筑经受了超9级地震的测试，而目前国内建筑最高抗震标准是8级。