周福霖院士廣州大學(xué)工程抗震研究中心團(tuán)隊(duì)
引言：地震是人類面臨的最主要自然災(zāi)害之一。土木工程是人類抵御地震的重要屏障。為了減輕土木工程的地震破壞，人類曾發(fā)明傳統(tǒng)抗震技術(shù)。它雖可減少一定的倒塌概率，但不可避免會(huì)造成工程自身損害，對于保護(hù)工程內(nèi)部重要構(gòu)件與人員安全有一定的局限性?，F(xiàn)代社會(huì)，人類又建立了“以柔克剛”理念為基礎(chǔ)的工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)。工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)不僅能有效避免工程地震倒塌，還能很好地保護(hù)工程內(nèi)部構(gòu)件與人員的安全，使工程成為地震中的安全島。
1. 災(zāi)害嚴(yán)重的基本國情
我國是世界上遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，地震活動(dòng)頻率高、強(qiáng)度大、分布廣?！俺鞘懈唢L(fēng)險(xiǎn)、農(nóng)村不設(shè)防”的現(xiàn)狀還沒有根本改變，“小震致災(zāi)、中震大災(zāi)、大震巨災(zāi)”還偶有發(fā)生。這迫使我們要從一次次地震災(zāi)難中吸取教訓(xùn)，對原有的抗震設(shè)防要求和抗震技術(shù)體系進(jìn)行反思和創(chuàng)新，有效防范地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。
2.傳統(tǒng)抗震技術(shù)的局限
傳統(tǒng)抗震技術(shù)是在假設(shè)建筑遭遇一定烈度的地震，通過增大建筑構(gòu)件剛度、加強(qiáng)建筑與基礎(chǔ)連接，提高建筑直接抵御所假定烈度地震能力，同時(shí)允許內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生一定破壞，最終達(dá)到避免地震倒塌的目的。簡而言之即是“硬抗”！傳統(tǒng)抗震技術(shù)雖然能避免一定程度的地震倒塌，但其卻存在難以可靠避免超烈度地震倒塌、難以保護(hù)建筑內(nèi)部構(gòu)件和設(shè)備安全、難以保證建筑功能不喪失等問題。
3.工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)的減災(zāi)作用
地震的能量異常巨大，一次8.0級地震所釋放的能量相當(dāng)于5600顆廣島原子彈爆炸。對付這樣狂暴無控的災(zāi)害敵人，“硬抗”總是有限的，“以柔克剛”或許是最佳甚至唯一的選擇。工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)正是基于“以柔克剛”理念而建立起的新防震技術(shù)。
3.1 工程隔震技術(shù)
工程隔震技術(shù)就是在結(jié)構(gòu)物底部或某層間設(shè)置由柔性隔震裝置（例如，疊層橡膠隔震支座）組成的隔震層，形成水平剛度很小的“柔性結(jié)構(gòu)”體系。地震時(shí)，上部結(jié)構(gòu)“懸浮”在柔性的隔震層上，只做緩慢的水平整體平動(dòng)，“隔離”從地面?zhèn)髦辽喜拷Y(jié)構(gòu)的震動(dòng)使上部結(jié)構(gòu)的震動(dòng)反應(yīng)大幅降低，從而保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、室內(nèi)設(shè)備、儀器等不受任何損壞，使隔震結(jié)構(gòu)在大地震中成為“安全島”。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)有確保建筑結(jié)構(gòu)地震安全、保持上部結(jié)構(gòu)彈性乃至避免后期修復(fù)等突出優(yōu)點(diǎn)。
隔震體系與傳統(tǒng)抗震體系的對比
3.2 工程消能減震技術(shù)
工程消能減震技術(shù)，就是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件（如支撐、剪力墻等）設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位（節(jié)點(diǎn)或聯(lián)結(jié)處）安裝耗能裝置（阻尼器等），在風(fēng)荷載或小地震時(shí)，這些消能桿或阻尼器仍處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度，以滿足正常使用要求。在中強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大，這些消能構(gòu)件和阻尼器率先進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入明顯的破壞并迅速衰減結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中免遭過度破壞。
消能減震體系的減震機(jī)理
3.3 工程振動(dòng)控制技術(shù)
工程振動(dòng)控制技術(shù)，是指在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位設(shè)置一些控制裝置，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，被動(dòng)或主動(dòng)地施加與結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的質(zhì)量慣性力或控制力，迅速減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)，以滿足結(jié)構(gòu)安全性和舒適性的要求。該技術(shù)主要是為滿足高層建筑、超高層建筑、電視塔等高聳建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震要求。
4. 工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)在我國的應(yīng)用
工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于各類土木工程等，有些工程還成功經(jīng)歷地震考驗(yàn)。
【實(shí)例1】汕頭澄海隔震住宅樓——工程隔震技術(shù)
該建筑是我國第一棟橡膠支座隔震房屋，是聯(lián)合國工發(fā)組織（UNIDO）隔震技術(shù)國際示范項(xiàng)目，1993年建成使用。在1994年臺灣海峽地震中安然無恙，內(nèi)部居民毫無震感。
我國第一棟橡膠支座隔震房屋，8層住宅
【實(shí)例2】北京通惠家園——工程隔震技術(shù)
該建筑隔震建筑面積48萬平方米，是當(dāng)年世界面積最大的層間隔震建筑群，采用三維隔減震體系，震振皆防。
北京地鐵地面樞紐站大面積平臺上隔震住宅樓
【實(shí)例3】蘆山縣人民醫(yī)院——工程隔震技術(shù)
該建筑是2008年汶川地震援建醫(yī)院。2013年蘆山地震，該建筑結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)備儀器完好無損，震后馬上投入緊張繁重的醫(yī)療搶救工作，隔震門診樓成為震后全縣急救醫(yī)院。
蘆山縣人民醫(yī)院隔震與抗震樓
【實(shí)例4】汶川第二小學(xué)——工程隔震技術(shù)
2013年蘆山地震，該建筑地震反應(yīng)只有相鄰的抗震房屋地震反應(yīng)的1/6～1/8，有隔震樓完好無損，猶如“安全島”。
【實(shí)例5】昆明新機(jī)場隔震航站樓——工程隔震技術(shù)
該機(jī)場隔震建筑面積50萬平方米，是目前世界最大的單體隔震建筑。2015年云南嵩明4.5級地震，該建筑樓面加速度反應(yīng)僅為地面加速度反應(yīng)的1/4，顯示非常明顯的隔震效果。
昆明新機(jī)場隔震航站樓
【實(shí)例6】港珠澳大橋——工程隔震與消能減震技術(shù)
港珠澳大橋，長約26千米，橋梁采用隔震技術(shù)，是目前世界最長的隔震橋梁。試驗(yàn)表明，該技術(shù)使地震反應(yīng)降低4/5，防震安全性大幅提高，能確保橋梁在大地震時(shí)的安全。
港珠澳大橋隔震體系及振動(dòng)臺試驗(yàn)
【實(shí)例7】廣州塔——工程振動(dòng)控制技術(shù)
該建筑是我國在超高層建筑中成功應(yīng)用混合控制技術(shù)的典范。該塔建成后，經(jīng)歷了多次大臺風(fēng)的考驗(yàn)，實(shí)測有效減震30%～50%。
廣州塔混合控制
結(jié)語：工程隔減震與振動(dòng)控制技術(shù)是四十年來地震工程領(lǐng)域的重大創(chuàng)新成果，是城鄉(xiāng)建筑大幅提高地震安全性、防止地震破壞的有效途徑，也是目前避免大地震災(zāi)難的技術(shù)選擇！正如第14屆國際隔震減震與控制大會(huì)上的國內(nèi)外專家們所說：“工程結(jié)構(gòu)，包括舊有結(jié)構(gòu)，廣泛采用隔震減震技術(shù)的時(shí)代來臨了！”
