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    建筑結構 · 解惑丨王亞勇大師關于“512汶川地震建筑震害啟示錄”相關問題的回復

    發布時間:2022-06  瀏覽:1028

    5月12日,我公司組織全體員工,參加了由《建筑結構》雜志社主辦“5·12大師論壇丨紀念汶川地震十四周年:我國抗震與減震技術”直播活動,我們跟隨大師們在線學習減隔震相關規范和經典案例分析。直播期間,全國工程勘察設計大師,中國建筑科學研究院顧問副總工程師王亞勇作了題為512汶川地震建筑震害啟示錄的精彩報告。以下為王亞勇大師對觀眾所提部分問題的回復。

    Q:新抗規中關于中震彈性在減震設計中的理解?

    A:周福霖院士在多年以前跟我討論過關于消能減震的設計?,F行的《建筑抗震設計規范》是三水準小震設計,他認為按中震設計可能更為合理,更為符合隔震技術的路線、有利于將來的技術推廣,在這方面我是支持他的。我覺得應該是按照中震設計,從國際上來看也是這個潮流。所以周院士在編的《建筑隔震設計標準》就是按照中震的思路來做的。這個就不能叫“抗震設計”了,因為“抗”和“隔”是兩個概念,所以他們現在這一本標準的編制方向應該是對的。但是由于目前的《建筑抗震設計規范》是小震設計,而且20年前,中國的隔震技術和產品相對還比較落后。所以當時有點擔心推廣隔震技術和隔震產品,是否會有安全問題?所以在抗震規范里是留有余地的,把隔震墊作為一個安全儲備。

    現在的《建筑隔震設計標準》思路還是比較清晰的。規范按照中震來設計,對上部結構有一些要求,抗震措施做了一些調整,有所降低。但是沒有降得太多,是怕上部結構抗震措施若是降得太多,會有一些安全問題,所以做得有所保留。這樣一來造價可能不會降低得太多。

     

    所以現在隔震減震技術的推廣會面臨一些障礙,有些業主考慮造價時會有些顧慮。目前我們國家的兩本國標,一本是《建筑抗震設計規范》,一本《建筑隔震設計標準》,思路不太一樣,一個是按小震設計,另一個是按中震設計,但從目前來看都是可行的。因為《建筑抗震設計規范》已經使用了幾十年,是比較成熟的?!督ㄖ粽鹪O計標準》是剛出了一本新的標準,即便執行過程當中會遇到一些問題,這些問題也是能夠解決的,這就是我對它的理解。


    Q:汶川地震發生較多柱端先出鉸震害情況,在保障設計和施工建造實現真正意義上的“強柱”,及對今后規范的進一步修訂方面有哪些規劃和設想?現階段結構設計給工程師有哪些合理化建議?

    A:簡單來說,這是“強柱弱梁”的抗震設計理念。在框架結構,特別是鋼筋混凝土框架結構和鋼結構設計中,工程師所追求的目標,就是要做到“強柱弱梁”。“強柱弱梁”最大的好處,就是在遇到地震以后,梁可以破壞,柱子沒有遭到破壞或者只產生輕微的破壞。這樣就保障了在大震情況下,建筑可以保證不倒,這是我們的追求。但實際的建造過程當中,包括設計、施工等等環節,特別是混凝土結構,要做到真正的“強柱弱梁”是十分困難的。例如:規范的有關條文,盡管設計時做了很多努力,但是實際的情況,包括在汶川地震當中,很多的破壞后展現的,還是“強梁弱柱”的破壞,真正實現“強柱弱梁”的情況比較少。

    到目前為止,我認為這始終是一個難題。目前有很多的博士生,包括我自己的博士生在內,都做過關于強柱弱梁的研究,也做過一些理論上的探討、設計方法的探討等。但是很難真正實現強柱弱梁,因為有其他的制約因素,會造成梁總是比柱子“強”,比如正常使用下對重力荷載的要求,可能會要求梁做得比較“強”。這樣跟抗震設計的“強柱弱梁”是有沖突的。

     

    要解決這個問題,還是需要做出努力,做一些研究和實驗,還要積累一些經驗,才能夠實現規范的修訂,以及將來在施工過程中,對施工的要求做出變化。否則還會存在“強梁弱柱”的問題。簡單而言,到目前為止這個問題并沒有解決得太好,這是我的看法。還是要繼續做研究,理論上的研究以及實驗研究,另外,要積累一些震害的經驗,特別是設計上的經驗。要對規范做進一步的修訂,才能真正解決這個問題。目前這是全世界結構工程師都在追求的目標,不是中國工程師做不到,國外的工程師也很難做到,是要努力解決的難題。

    Q:地震斷裂帶對地震設計參數的影響問題?

    A:現行的《建筑抗震設計規范》和《建筑與市政工程抗震通用規范》,做了一些規定,要求要避讓斷裂帶??赡苡袃蓚€問題,第一個問題,現在的斷裂帶都是根據過去的資料劃出來的,一般是給一個城市的土地利用和城市規劃使用的,是針對將來土地利用和城市建設規劃。如果有斷層,特別是活動斷層經過,需要避讓。說明這塊地不適合做建筑用,最好是作為綠化帶、避難場所、公園這類沒有建筑的地方,如遇地震影響小,因為這里沒有房子、房屋不倒,就不會有傷亡,不會有財產損失。

    地震斷裂帶是一個非常復雜的問題,就建筑行業來說,是沒有能力來判斷地震斷裂帶的情況的,比如:是否活動、走向如何、埋深多少等等,這些問題,作為建筑勘察部門是不可能判斷的,應該是由地震部門來定。以往地震部門有很多資料留下來,但都比較宏觀。所以若是作為土地利用、作為城市規劃這種宏觀的工作,是需要這些資料。但是要具體到每一棟建筑,要用這些資料判斷就比較困難。比如判斷某個斷裂有多大,勘察部門做不到,只能找一些資料使用。
    這就產生了問題,一個是現在的城市開發建設發展過快,導致土地利用不斷突破土地紅線,把原來不適合做建筑的土地都用來做建筑。這就不可避免地會觸碰土地紅線,觸碰到斷裂帶,這就做不到避讓。所以在規范里定避讓多少,不會要求避讓太遠,只能避讓幾十米,不能避讓幾百米,那這個土地就利用不了了。所以這是一個兩難的問題,這是一個方面。

     

    第二個方面,對建筑結構造成直接破壞的并不是斷裂帶,而是斷裂帶在它破裂的過程當中穿出地表。在穿出地表以后,如果穿過建筑群、穿過城鎮,就會造成直接破壞。這是不可抗拒的力量,沒有什么辦法可以抗拒。但是如果距離建筑有一段距離,比如距離達到六十米或者七八十米,就能夠避免建筑的倒塌,建筑可能只是受一些損傷。如果距離到了一公里以上,可能就只產生很輕微的破壞,還是在允許范圍內。
    再有,如果斷裂不出露地面、地面沒有破裂,而是斷層埋藏在地底下很深的地方,比如深度達到60m~80m,那其上方的建筑就可以不考慮斷裂帶。設計時要把地震斷裂帶所產生地震波的地震作用加以放大,所以《建筑抗震設計規范》里規定放大到1.25倍到1.5倍,也是考慮到結構的安全,是規范有所考慮的。在設計時,按規范做即可。

    Q:半主動控制系統在國內有無應用?
    A:半主動控制主要是講的消能減震、阻尼器的應用,在國內是有應用實例的,而且應用已經不少,特別是最近十幾年來,用得相當多。最著名的就是上海中心,632m高的超高層建筑,是目前中國最高的建筑,也是世界上比較高的建筑,上海中心就用了半主動控制。另外還有其他超高層建筑,以及大跨度建筑上的應用,半主動控制以后使用會越來越廣泛。

    Q:減震隔震在現實中推廣普及的最大困難是什么?

    A:減震隔震并不是說不能推廣,現階段各地都在推廣。只是推廣的力度不太一樣,各省推廣的情況也各不相同。主要原因還是造價問題,因為開發商要考慮造價,如果使用隔震和消能減震要增加造價,開發商是希望采用隔震和減震技術以后,把上部結構的造價省下來,就能達到節省造價的目的??墒乾F在不論是規范還是設計單位,在做隔震和消能減震技術應用的時候,不敢把上部結構的抗震措施降得太快,因為我們國家這方面的經驗相對來說比較少,不像日本已經有五六十年的經驗。

    第二個方面,隔震和消能減震的產品和技術相對來說還不是太完好。

    第三個方面,是管理問題,在采用了隔震和消能減震技術以后,產品的維護和將來的替換如何考慮?在使用過程當中,比如:通常說的橡膠隔震墊,它設計的使用壽命通常規定在30年左右,實際可能更長一點,但是設計時只敢用到30年,而建筑的壽命是50年,實際建筑的壽命可能會達到70年之久。由此將面臨橡膠墊到使用壽命時,要不要因為老化去更換的問題,這些都要考慮的。

    不論是建設方還是將來的業主,都要考慮這個問題,隨之帶來需要增加考慮很多問題。不像普通建筑,通常在完工以后,主體結構可以50年不管,裝修方面可能有變動,但對建筑影響不大,然而主體結構要改變的話,問題就比較多,這是管理上的第一個問題。

    第二個問題,在正常使用情況下,從現在國內的實際工程來看,管理是出了一些問題的。比如使用隔震墊以后,房屋建筑的周邊是要留出隔震溝的。隔震溝要為了防止地震時隔震墊產生位移,從而造成房屋的碰撞。但是在正常使用情況下,房屋建完后就交接給物業,物業不具備專業知識,把隔震溝全填了起來,這類案例很多。在好幾次國內的地震當中,都出現了這樣的問題。地震發生后,由于隔震溝被填失去隔震效果,這是管理上的問題。所以這一系列的問題,給這項技術的推廣帶來一定的阻力。因此要解決這個問題,應該要從產品質量方面來解決。

    對于設計方法,還是解決得比較好的,比較大的問題出在管理方面,使用期間的管理和將來的替換問題。產品可能三十年以后要替換了,但是當時設計的人員已經不對接了、業主也更換了、使用的人也不一樣了,找不到人員來承擔責任,就沒有人管理,會出現這樣的問題,這個問題需要解決。

    Q:小震的地震作用計算中,地震烈度區劃圖、加速度反應譜(含特征周期確定)和振型分解反應譜法等因素起了很大的作用,請問這幾者研究是否與時俱進,有最新進展?

     

    A:目前國內的高等學校和研究院所,都有人在做這方面的工作,也取得了不少進展。從目前我國抗震設計規范三水準的設計思想而言,還沒有比較大的變化,也沒有做太大的變動,可能因為現在的研究工作,還沒有達到成熟的程度,但是將來的方向應該是要慢慢地向以中震為基準的設計來過渡。

    不過這需要有個過程,還要相應做很多工作,包括反應譜的標定、地震區劃圖的修訂。針對反應譜的標定就包括很多內容,如特征周期、地震影響系數等等。過去做了大量的工作,今后如果真的要采用設防烈度進行抗震設計的話,對于反應譜的標定、還有相關的設計方法以及很多系數,都要做相應的改變。

     

    目前這個工作有人在做,但我認為還不成熟,還無法到達可以將整個規范的反應譜從小震變成中震。只有今后繼續努力,才能夠發生改變,我也希望能在最短的時間里能夠實現改變。

    Q:關于隔震設計中,《抗規》分部設計法和新《隔標》整體設計法,兩種方法設計結果出入很大,如何取舍?《抗規》后期修訂版是否會相關規定?

     

    A:這兩本規范都是已經頒布的國標,大家都可以使用,具體要根據設計部門自身對兩本規范的理解和接受的程度。前面提到,從《建筑抗震設計規范》而言,因為使用的歷史比較長,已經在我們國家使用了五六十年,使用經驗比較豐富,問題也相對少一點。但是作為隔震和減震,這本規范是第一本、新出來的規范。在使用中難免會遇到一些問題,這很正常。

    如果問兩本規范如何選擇,我認為都可以用??梢砸砸槐緸橹?,以另外一本作為校核的設計依據,這樣是比較安全的。若要考慮安全性和造價的之間的平衡,就是另外一件事了,不是規范能解決造價的問題。那么就應該去跟建設方詳細地探討,是選擇安全還是節省造價。

    兩本規范都是國標,都要參考。目前部分地區的建設方就是要求按節省造價的方法去設計,也可以實現;但是有的建設方要求以安全為主,那就按照安全為主的方法設計??偠灾?,這兩本規范,作為互相校對使用是可以的,這是我對兩本規范的看法。

     

    作為工程師,我比較偏向于安全的方法;如果作為投資方,我可能考慮造價會多一些,但是也不能忽略安全,畢竟安全問題也是天大的事。

    Q:王大師報告ppt中有個照片是都江堰的樓梯間的一個開間沒倒,其它全倒了,這個是什么原因?

     

     

    A:關于樓梯間倒與不倒的問題。在汶川地震當中,我考察過很多現場,因為我是作為教育部的專家組去作調查。有的是教室倒、樓梯間沒倒,所以跑得比較快的老師和學生,從樓梯間就能夠跑出去,來不及反應或反應慢的學生就被困在教室里。也有反過來的情況,就是樓梯間倒,教室并沒倒,也沒被破壞。但發生地震時,人的第一反應是向外跑,首先往樓梯間方向,所以反應比較快的老師和學生就會跑到樓梯間,但是如果樓梯間倒塌,在樓梯間里就會有傷亡的情況,這兩種情況都有。所以從汶川地震以后,就對樓梯間特別關注。

     

    樓梯間是逃生的通道,另外又是救生的通道,倘若救生員到達,有學生、老師被被封鎖在教室里,此時教室雖然并沒倒,但是很危險,一旦發生余震,教室很可能倒塌,因此要趕快把學生疏散出來。但此時救生員也無法到達教室,因為樓梯間已經發生倒塌。所以汶川地震以后,我們意識到樓梯間是一個很重要的結構部分,它的重要性應該比建筑結構主體還要重要,因此規范做了相應的修訂。我給大家講的報告的ppt中,既有樓梯間倒塌、也有樓梯間不倒的,要去深究具體原因就很難了,由于找不到原始資料,不好判斷具體原因。但是帶給我們的啟發,就是要重視樓梯間的安全性。

     

    現階段也有很多專家針對樓梯間在做相關研究,例如對樓梯間做消能減震,使樓梯間在地震時不壞、不倒;還有對樓梯間結構的構造措施給予加強,對樓梯間的主要構件,像樓梯段樓梯平臺、平臺梁這些受力特征做一些研究,措施上可以加強等等。所以我相信新的抗震規范在這一方面應該做了很多改進,將來再遭遇地震時,防護情況會變得好很多。因此這個問題,不是說只有樓梯間倒塌或者只有樓梯間不倒塌兩種情況,各種情況都有,非常復雜,并不絕對化。但有一條是肯定的,就是要重視樓梯間的安全問題。
    *以上素材來源于微信公眾號“建筑結構”

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