抗震設(shè)計受力方向應與地震沖擊力相適應—不能與地震沖擊力相對抗

陸建衡
（北京泰中建科技發(fā)展有限公司）
　　摘 要：現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震（理論）技術(shù)存在嚴重安全隱患，世界各國采用的抵抗地震破壞的建筑物體的
　　基本類型，都是以吸收地震能量為主的插入式整體結(jié)構(gòu)（對地球而言），即將建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為絕對不可分割的剛體插入地球，因而建筑物抵抗地震破壞力的受力分析和設(shè)計， 就不得不從結(jié)構(gòu)整體考慮建筑物的抗震性能，地震破壞力是通過土層和巖石沖擊建筑物的基礎(chǔ)并直接將沖擊力傳遞給上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的作用力（荷載）加上地震產(chǎn)生的內(nèi)力又反作用于基礎(chǔ)，因而建筑物基礎(chǔ)的強度設(shè)計要求，應是地震力和上部結(jié)構(gòu)反作用力的疊加。本文將針對地震暴發(fā)時：1、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計受力與地震水平?jīng)_擊力相對抗；2、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計受力與地震水平?jīng)_擊力相適應。進行較深入的分析，從而找到正確的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論，避免現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震（理論）存在嚴重安全隱患所造成的后果。
　　關(guān)鍵字：受力方向；地震；沖擊力

　　現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)而來的。結(jié)構(gòu)力學和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，將地震破壞力簡化并規(guī)定為在建筑物上部結(jié)構(gòu)中的水平運動力，對建筑物的水平作用力與反作用力的硬抗平衡，這一規(guī)定實質(zhì)上存在著嚴重的問題和錯誤。
　　其一：地震爆發(fā)時，首先是大地在做往覆水平運動，由于建筑物基礎(chǔ)插入大地，因而必然隨大地的往覆水平運動而運動，建筑物上部結(jié)構(gòu)也因此被迫運動，但是建筑物上部結(jié)構(gòu)的運動形式不是水平運動（因而根本就沒有受水平的作用），而是因基礎(chǔ)在受地震水平力運動中，產(chǎn)生的運動力傳遞到上部結(jié)構(gòu)，迫使上部結(jié)構(gòu)沿地震受力方向，作反方向S形式傾斜擺動。
　　其二：地震爆發(fā)時的沖擊波只有兩個方向，而現(xiàn)在所有城市的建筑物的規(guī)劃設(shè)計，是根據(jù)城市的道路按東西南北方向和建設(shè)的需要各自排列的。將建筑物上部結(jié)構(gòu)視為受水平運動，也只能有30%的建筑物的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計受力方向與地震沖擊波受力方向相同，而70%的建筑物的抗震設(shè)計受力方向與實際地震沖擊波的沖擊方向，處于非常不利的位置，當?shù)卣鸨l(fā)時，只有少數(shù)正好與地震沖擊波方向協(xié)調(diào)一致的建筑物不一定破壞，而大多數(shù)與地震沖擊波方向不一致的建筑物，自然就很難逃脫地震沖擊破壞倒塌的后果。地震對建筑物的沖擊破壞，主要是對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平往覆沖擊剪切力，從而使基礎(chǔ)被沖擊破壞失去穩(wěn)定后，造成上部建筑物的破壞和倒塌，地震沖擊波首先是破壞了基礎(chǔ)，而不是破壞上部建筑結(jié)構(gòu)，所謂萬丈高樓從地（基）起，就是這個道理。基礎(chǔ)都破壞了，上部建筑自然就保不住了。
　　其三：城市中建筑物的類型是多種多樣的，主要反映在超高層、高層、多層和輕重型建筑之分，而這些不同類型的建筑，又以基礎(chǔ)深度的差別體現(xiàn)在地震沖擊波的大小上，基礎(chǔ)越深、越大，受地震沖擊波的沖擊自然很大，在加上城市地下建筑設(shè)施不少（如：地下建筑、地鐵、地下大型管道等），都是構(gòu)成城市地震場地效應發(fā)生互相變化的種種直接因素。現(xiàn)行抗震設(shè)計中，都沒有考慮地下建筑設(shè)施的自身抗震，以及對地面建筑物基礎(chǔ)和地基的地震場地效應所產(chǎn)生的嚴重問題。
　　a) 現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震樁基設(shè)計與地震場地效應的嚴重問題
　　現(xiàn)行抗震設(shè)計中的樁基礎(chǔ)的設(shè)計有兩種類型，一種是端承樁類型，另一種是摩擦樁類型。端承樁是將深層的地基反作用力通過樁傳遞給地面，構(gòu)成對上部建筑物作用力（壓力）的平衡。摩擦樁是通過樁基礎(chǔ)與一定深度的地基土層十分緊密的擠壓結(jié)合中產(chǎn)生足夠的反作用力，通過樁傳遞到地面，構(gòu)成對上部建筑物的作用力（壓力）的平衡。這里必須指出的是，這兩種類型的樁基礎(chǔ)在對上部建筑物的作用力（壓力）構(gòu)成平衡的充分條件是：靜力荷載，即在沒有外力的作用下成立的。
　　在端承樁中，端樁是反作用力的頂點，樁身是傳遞反作用力的通道，樁身四周的土層是給樁身起到了極其重要的穩(wěn)定作用，由此，可以定義：樁端的承載力，樁身的強度是和樁身四周的土層構(gòu)成了端樁基礎(chǔ)的整體，缺一不可。
　　在摩擦樁中，樁身的強度與樁身四周土層緊密擠壓所產(chǎn)生的反作用力，構(gòu)成了摩擦樁基礎(chǔ)的整體，也是缺一不可的。這兩種類型的樁基礎(chǔ)在地震爆發(fā)時，強大的地震水平往覆沖擊波，完全改變了上述狀態(tài)，使端承樁在地震沖擊波中，使端承樁的承載力發(fā)生水平往覆運動，不但失去對樁身的穩(wěn)定，反而對樁身構(gòu)成了往覆水平?jīng)_擊，其結(jié)果：端承樁不是破壞，就是下沉失穩(wěn)。隨著端承樁的破壞和失穩(wěn)，建筑物上部結(jié)構(gòu)自然也就處于破壞倒塌的危險境地，而摩擦樁的危險就來的更快了，地震沖擊波迫使摩擦樁樁身必須與四周土層與樁基松開，失去摩擦樁身必須與四周土層緊密擠壓的必要條件，并且土層對樁身構(gòu)成水平?jīng)_擊力，隨著摩擦樁中四周土層與樁身摩擦力的解除和改變，樁不是破壞就是失穩(wěn)，其上部建筑物隨之處于時刻會破壞和倒塌的危險之中。
　　b) 現(xiàn)行予應力建筑結(jié)構(gòu)在地震中的嚴重問題
　　所謂予應力建筑結(jié)構(gòu)，是人為的在建筑結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件中，對主要承力構(gòu)件中混凝土施加予應力，一般是通過對結(jié)構(gòu)中承力構(gòu)件的鋼筋進行張拉，利用鋼筋的回彈力擠壓混凝土來實現(xiàn)的。根據(jù)對承力構(gòu)件中鋼筋的張拉，與混凝土的先后關(guān)系，又可分為先張法和后張法兩大類。從建筑結(jié)構(gòu)中的予應力構(gòu)件，到予應力結(jié)構(gòu)的發(fā)展，已經(jīng)有較長的時間了，在建筑結(jié)構(gòu)中應用予應力構(gòu)件和發(fā)展予應力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在很多城市的建設(shè)中，得到了較廣泛的應用。在城市建設(shè)和發(fā)展中，推廣和應用予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)，的確能起到一定的積極作用。但是，有一個十分重要的結(jié)構(gòu)動力學問題需要特別注重，所謂建筑結(jié)構(gòu)動力學方面的問題，也就是地震爆發(fā)時，地震沖擊波迫使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的動態(tài)反應，地震沖擊波沖擊建筑結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生的內(nèi)力在結(jié)構(gòu)中傳遞，而予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)的力學模型是：
　　1）予應力張拉兩端的固端成支座，是不允許有任何改變的。
　　2）予應力構(gòu)件或予應力結(jié)構(gòu)在使用過程中，其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)是不允許發(fā)生水平推動，振動彎曲和上下振動的。也就是說，予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)，只有在沒有任何外力的情況下，才能達到予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)設(shè)計的使用要求。因此可以定義：予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)的安全使用條件，是不能承受任何外力（尤其是地震沖擊力）的靜力使用狀態(tài)。
　　地震沖擊波在建筑結(jié)構(gòu)中，將無情的迫使建筑結(jié)構(gòu)中的所有梁、柱、板、墻體等受力構(gòu)件發(fā)生變形，即地震沖擊力能完全改變予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)的兩端邊界條件，使其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的予應力償失。任何在使用中的予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)，當予應力衰退和償失后，其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)必然破壞。因此，在地震設(shè)防城市的建設(shè)中，是不能使用予應力構(gòu)件和予應力結(jié)構(gòu)的。但是，現(xiàn)在許多城市的建設(shè)中都使用了予應力結(jié)構(gòu)，這是十分危險的。因此，應盡快在地震爆發(fā)之前，采取補救措施，否則，后果一定是十分嚴重的。
　　綜上所述，現(xiàn)行世界各國所實行的建筑結(jié)構(gòu)體系，是與地震沖擊波相對抗、硬抗（死抗）的捆住地震內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。從結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡的根本原理來分析，這種與地震力相對抗的結(jié)構(gòu)體系的靜態(tài)平衡在地震中完全破壞了。也就是說，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)體系，只能滿足靜態(tài)（無地震沖擊波）狀況下的作用力與反作用力的平衡。當?shù)卣鸨l(fā)時，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的靜態(tài)平衡被破壞了。這就是現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)體系抵抗不了地震沖擊破壞的根本原因所在。現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，只是加大了建筑結(jié)構(gòu)的剛變，使其增加了對地震沖擊力的對抗力（死抗力），沒有從結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡的基礎(chǔ)上去尋求，建筑結(jié)構(gòu)與地震沖擊波的動態(tài)平衡，建立一個與地震內(nèi)力相適應（不是相違背）的“釋放地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡體系”。
　　總之，幾百年來，人類所推行的靜態(tài)（加大剛度）的建筑結(jié)構(gòu)體系，違背了地球地震的客觀規(guī)律。因此，給人類自己造成了巨大的災難。人類為了在地球上更好的生存和發(fā)展下去，就得從根本上解決適應地球地震客觀規(guī)律的建筑結(jié)構(gòu)體系。因此，一種與地震力相適應的“釋放地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡體系”的動態(tài)平衡的力學理論的建立，并制定新的建筑結(jié)構(gòu)釋放地震沖擊波的設(shè)計標準（在也不是對抗的標準），將是人類發(fā)展的方向和目標。
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