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应用释放地震内力结构体系—新技术抵抗地震灾害

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2014-06-19 14:11:00【

应用释放地震内力结构体系—新技术抵抗地震灾害

陆建衡
(北京泰中建科技发展有限公司)
摘 要:地震给人力造成的灾难是十分严重的。大地震所造成的影响远远超过了它的实际灾害,房屋、桥梁、堤坝、矿井等工程坍塌,是造成大量伤亡和巨大财产损失的直接原因。人类对地震成因进行长期的观察和研究,重视和发展地震预报理论和实践,不断提高建筑物抵抗地震破坏的能力。长期以来,人类对提高建筑物抵抗地震灾害能力进行大量理论研讨、模拟实验及实际工程抗震设计和建造。然而这些工作都是在牛顿动力学即经典力学范围内进行的。某些重要方面仍然没有摆脱静力学理论确定的力学模型,并将静力学理论确定的力学模型同经典动力学的力学模型混在一起,用于建筑结构的抗震设计和建造中,有的并以理论方式编写进教科书和建筑抗震设计规范中。地震是无情的自然规律,任何与其对抗的建筑物体,都逃避不了毁灭性的打击,历史上的教训太多了。本文将针对提出与地震水平冲击力相适应的--释放地震内力的结构体系。
关键字:释放地震内力;新技术

  地震给人力造成的灾难是十分严重的。大地震所造成的影响远远超过了它的实际灾害,房屋、桥梁、堤坝、矿井等工程坍塌,是造成大量伤亡和巨大财产损失的直接原因。人类对地震成因进行长期的观察和研究,重视和发展地震预报理论和实践,不断提高建筑物抵抗地震破坏的能力。
长期以来,人类对提高建筑物抵抗地震灾害能力进行大量理论研讨、模拟实验及实际工程抗震设计和建造。然而这些工作都是在牛顿动力学即经典力学范围内进行的。某些重要方面仍然没有摆脱静力学理论确定的力学模型,并将静力学理论确定的力学模型同经典动力学的力学模型混在一起,用于建筑结构的抗震设计和建造中,有的并以理论方式编写进教科书和建筑抗震设计规范中。
1 现行抗震(理论)技术存在的问题
世界各国采用的抵抗地震破坏的建筑物体的基本类型,是以吸收地震能量为主的插入式整体结构(对地球而言),即将建筑物的基础和上部结构设计为绝对不可分割的刚体插入地球,因而建筑物抵抗地震破坏力的受力分析和设计,就不得不从结构整体考虑建筑物的抗震性能,地震破坏力是通过土层和岩石冲击建筑物的基础,并直接将冲击力传递给上部结构,上部结构的作用力(荷载)加上地震产生的内力又反作用于基础,因而建筑物基础的强度设计要求,应是地震力和上部结构反作用力的叠加。地震破坏力是往覆水平剪切力,上部结构的反作用力是垂直于地面的。这样两个方向互相垂直,并处于运动冲击状态的作用力,在一个平面上会交了。地震破坏力以强大的往覆水平剪切力,上部结构的反作用力是垂直于地面的。这样两个方向互相垂直,并处于运动冲击状态的作用力,在一个平面上会交了。地震破坏力以强大的往覆水平推动力,推动着(抓住)建筑物基础做水平往覆运动,而建筑物上部结构垂直于地面的作用力又阻碍着这个运动,因而很容易分析,在这两种力的会交面上,实质上形成了远大于地震破坏力的往覆剪切力。因此,建筑物的抗震能力在插入式整体结构中是很难达到实际抗震设计要求的,现在的建筑物一般都是偏于保守的理想设计和建造,因而投资也在大大增加,即便如此,在实际的地震灾害中,建筑物受破坏的程度依然是很严重的,进而也无法摆脱和减轻地震灾害,给人民的生命和财产造成的巨大损失。
历史的教训足已充分说明,插入式建筑结构体系受到了严峻的检验,即似地球为相当好的惯性参考系,又将建筑物体插入地球,形成不可分割的刚体。在过去的年代,建筑物还处于低层范围时,问题还不太严重,而在现代化高层、重型建筑中,仍然是采用插入式刚箍捆住内力的结构,在实际的地震灾害中存在着严重的隐患。插入式整体建筑物结构体系在正常情况下,即非地震静止状态,是没有什么问题,而在地震灾害爆发时,插入式整体建筑物体系的结构受力传力路线明显发生混乱,建筑结构设计的极其重要的力学原则:
1)不论在任何情况下,结构的传力路线必须清楚。
2)以当地的最不利外界因素为设计依据,如很多地区必须考虑可能发生的最大地震破坏力。这就是说建筑物抵抗地震破坏的正确条件是:运动中建筑结构内力的传递必须正确、清楚。
插入式整体建筑结构在地震时,将地震破坏力直接传递给上部结构,使上部结构发生摇晃,由于上部结构是刚箍捆住内力的结构,因而在摇晃中产生的巨大能量没有释放点,而被迫返回基础,地震又很快的不断的冲击建筑物的基础,向上部结构输送地震能量。这样上部结构返回的作用力,同基础传来的地震内力发生冲撞,冲撞最厉害的集中点,就是能量集中释放的突破点,也是结构的破坏点,通常都在基础与上部结构的交面上,破坏的形式是剪切破坏,而整个建筑物不是倒塌就是倾斜。
目前,许多国家在高层建筑的抗震设计方案中,已经出现了新的结构,如:美国纽约的42层高层建筑物,建在与基础分离的98个橡胶弹簧上,日本的建在弧型钢条上的防地震建筑物,以及前苏联的建在与基础分离的沙垫层上的建筑物,以及在中国已经获得了美国、中国和英国发明专利权的,刚柔性隔震、减震、消震建筑结构与抗震低层楼房加层结构,这些新结构十分成功的应用于工程实践中,都明显的在建筑结构体型上,改变了传统的插入式刚箍捆住内力(吸收地震能量)的结构体系。总之都在建筑设计的结构方面,设法摆脱了在地震灾害时,严重威胁着人们的生命安全的插入式刚箍捆住内力的结构体系。其实质都反映了对“似地球为相当好的惯性参考系”为指导理论。所制定的现行抗震硬抗、死抗地震打击设计规范的动摇,本质上也是改变了建筑结构受力体系,而不再似地球为绝对静止不动的惯性参考系了。
2 释放地震内力结构体系的理论基础
我们从现代地球物理学家关于对地球板块运动力学分析中,以及对地震客观规律的不断揭示,更进一步对地球的认识,有了新的力学见解,我们认为地球是一个在运动中自身求得内力平衡的结构体,它有两个阶段的运动规律:
2.1 地球内力的平衡阶段
地球结构体,在自转和围绕太阳周转运动的过程中,所产生的内力,在平衡阶段,地球运动处于内力平衡,地表运动处于静止状态,此阶段可似地球为惯性参考系阶段。
2.2 地球内力的释放阶段
地球结构体系处于内力平衡阶段后,其内力仍然在不断的增加,而地球结构体不能承受日益增大的内力,而在运动中,通过地球板快的运动,地震和火山等形式释放出来,以求得新的内力平衡,这个阶段是地表的活跃阶段。其不断增加的内力,将在地球内力集中点释放出来,此阶段可似为非惯性参考阶段。地球内力平衡过程中的这两个阶段,在地球内部不断循环下去,形成了地球生态平衡的必然规律。
人类是在地球生态的环境中生存的,因此,人类必须遵循地球生态环境中的各种自然规律去发展。从人们开始认识到对过去认识的不足,即理论上的不足和错误,又不断的在生活实践中,提高了对地球生态环境的认识,进而不断的揭示自然规律,掌握和运用规律为现代人类和将来造福。应该明确的指出,人类对地球认识的提高和深化,其指导人类如何适应地球生态的科学理论,也就随之进入了更高的阶段。
3 新技术的设计依据、技术特征及经济效益
已经获得中国、美国和英国发明专利权的新技术“建筑物抗震减震装置”、“建筑物消震装置”和“高层建筑隔震消能装置”完全改变了传统的插入式刚箍捆住地震内力的建筑结构体系,将建筑物整体有机的隔离成两个受力体系,这样地震破坏力的传递媒介改变了,由直接传递转化为间接传递。不言而喻,“建筑物抗震减震装置”将大大减少地震对上部结构的冲击,反之,上部结构对基础的作用力也大大减小。
新技术的设计依据是以柔克刚的动态平衡原理,该技术的主要特点是:能十分有效的大大减弱地震灾害对建筑物的打击破坏。目前,发展中国家和发达国家的科学家们在研究抵抗地震灾害方面,都从过去只是单纯考虑建筑结构加大刚度的硬抗(死抗)方式,而向建筑结构隔震减震的方面发展了。原因十分清楚,过去几百年来建筑物硬抗地震灾害方法的不断失败,告诉和启发人们要寻求一种适应地震客观规律的抗震方式。用一句通俗的话来讲,以柔克刚,才能达到建筑物在地震冲击中的动态平衡,而不被破坏,反之,以硬抗来对抗地震的打击,即以刚克刚设计的建筑物是根本抵抗不了地震的打击的。因为人们设计建筑物的刚度,不可能达到(保证)比地震破坏力还要大得多的程度。否则现代的专家们去研究建筑物的消震、隔震与减震,不就失去意义了吗?
“建筑物消震装置”发明专利技术,就是要从根本上解决地震爆发时对建筑物基础的安全保护,其形式是沿建筑物四周一定距离内,在基础底面到地面的位置,设置“建筑物消震装置”,该装置的作用是从任一方向完全切断地震波冲击基础的传力路线,使基础处于安全保护之中,基础都安全了,上部建筑自然也就安全了。如果是高层建筑,还要结合采用另一项“建筑物抗震减震装置”发明专利技术,将更加有效的保护高层建筑的安全使用。该技术还可以用于50—80年代旧建筑物的消震保护,特别是对大会堂、大礼堂、展览馆、影剧院等,对无法抗震加固的大型建筑和古建筑的消震保护是十分有效的。该发明专利技术是在不影响旧建筑物的继续使用,不用搬迁的情况进行,比常规抗震加固安全,还节省40%左右的投资,用于新建筑中,比常规设计节省20%左右,并能完全达到地震设防要求。该专利技术已经成功的应用于中央党校、国务院二招等旧建筑的加高和消震减震工程中。创新科技经评审已列为中国北京市重大科技成果推广计划,国家科委成果办发文向全国推广,中央电视一台、二台、十台均新闻和专题报道。
“建筑物抗震减震装置”和“建筑物消震装置“完全适应于新建筑结构,也适应于使用中的已建成的建筑结构的抗震、减震和消震措施。即适用于工业和民用建筑、铁路桥梁和公路桥梁、塔式和倒摆式结构、大型水库的大坝以及地面和地下的建筑物。
地震给人类造成的灾害,使人类越来越清醒的认识到,科学技术的不断发展是人类在地球生态环境中生存和发展的需要,人类为了更好的在地球生态环境中生存和发展下去,就必须不断的认识地球的生态环境及自然规律,不断的提高科学理论和更先进的技术水平,使人类建造的、赖以生存和发展的建筑物适应地震破坏力的能力不断增强,以减免地震灾害时人民的生命和财产的巨大损失。
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