抗震建筑：全球建筑韧性指南

地震是毁灭性的自然灾害，可能导致广泛的破坏和生命损失。建造能够抵御地震力的建筑物对于减轻这些事件的影响至关重要。本指南全面概述了世界各地使用的抗震建筑原则、技术和科技，为工程师、建筑师、建筑商和政策制定者提供见解。

理解地震力

在深入研究建筑技术之前，了解地震期间的作用力至关重要。地震波产生地面运动，对结构施加水平和垂直力。这些力的大小和持续时间取决于地震震级、距震中的距离以及当地土壤条件等因素。建筑物的设计必须能够抵抗这些力而不倒塌。

关键地震概念

• 震级：地震的大小，通常使用里氏震级或矩震级来衡量。
• 烈度：特定位置所经历的摇晃程度，使用修订的麦加利地震烈度表来衡量。
• 地面加速度：地震期间地速的变化率，是结构设计中的一个关键因素。
• 共振：结构以特定频率振动的趋势。如果地震的频率与建筑物的共振频率相匹配，可能会导致摇晃加剧和损坏增加。
• 液化：一种现象，即松散、饱和的土壤在地震期间失去强度和刚度，导致建筑物下沉或倾覆。

抗震设计原则

抗震设计旨在创造能够在不倒塌或遭受重大损坏的情况下承受地震力的结构。以下原则指导着这一设计过程：

1. 强度

建筑物必须足够坚固，以抵抗地震产生的侧向力。这通过使用高强度材料（如钢筋混凝土和钢材）以及设计能够承受大载荷的结构构件来实现。

示例：钢筋混凝土柱和梁被设计用来抵抗压缩力和拉伸力，提供增强的强度和延性。

2. 延性

延性是指结构在不断裂的情况下变形的能力。延性结构可以在地震期间吸收能量，减少传递到建筑物框架的力。这通常通过使用在失效前能够经历显著塑性变形的材料来实现。

示例：钢材是一种高延性材料，使其成为抗震建筑的理想选择。钢框架可以在不倒塌的情况下显著变形，为居住者提供更多的疏散时间。

3. 刚度

刚度是结构抵抗变形的能力。虽然过度的刚度可能导致更高的地震力，但足够的刚度对于防止过度摇摆和不稳定是必要的。最佳刚度取决于建筑物的高度、形状和预期用途。

示例：剪力墙和支撑框架用于增加建筑物的刚度，并防止地震期间过度的横向位移。

4. 规则性

规则、对称的建筑形状在地震中的表现优于不规则形状。不规则性会产生应力集中和扭转力，可能导致局部失效。

示例：具有简单矩形或方形平面的建筑物通常比L形或T形建筑物更具抗震性。

5. 冗余性

冗余性是指结构中存在多个荷载路径。如果一个结构构件失效，其他构件可以接管其荷载，防止灾难性倒塌。

示例：多个剪力墙或支撑框架可以为建筑物的横向荷载抵抗系统提供冗余性。

抗震建筑技术

可以采用各种建筑技术来增强建筑物的抗震性能。这些技术旨在提高强度、延性、刚度和规则性。

1. 钢筋混凝土结构

钢筋混凝土是抗震建筑中广泛使用的材料。钢筋为混凝土提供抗拉强度，而混凝土在受压方面强但在受拉方面弱。设计得当的钢筋混凝土结构可以承受显著的地震力。

技术：

• 约束混凝土：用钢箍或螺旋筋包裹混凝土柱和梁，以增加其延性并防止过早失效。
• 剪力墙：为抵抗侧向力而设计的钢筋混凝土墙。它们通常策略性地放置在整个建筑物中，以提供刚度和强度。
• 抗弯框架：为抵抗弯矩而设计的框架，提供延性和能量耗散。

全球示例：钢筋混凝土广泛用于日本、智利和加利福尼亚等地震活跃地区的高层建筑和基础设施项目中。

2. 钢结构

钢材因其高强度、延性和能量吸收能力而成为另一种流行的抗震建筑材料。钢结构可以被设计成在不倒塌的情况下显著变形，为居住者提供更大的生存机会。

技术：

• 钢框架：钢框架通常由通过抗弯连接件连接的梁和柱构成。这些连接件允许框架在地震期间发生塑性变形，从而耗散能量。
• 支撑框架：钢支撑用于增加钢框架的刚度和强度。它们通常以对角线模式排列以抵抗侧向力。
• 偏心支撑框架 (EBFs)：一种支撑框架，包含一个称为“连梁”的短而有意削弱的部分。连梁被设计成在地震期间屈服并耗散能量，保护结构的其余部分。

全球示例：钢结构普遍用于新西兰和土耳其等地震活跃地区的工业建筑、桥梁和高层建筑。

3. 木结构

木材可以是一种出人意料的有效抗震建筑材料，尤其是在低层建筑中。木材轻便、灵活，并能吸收大量能量。然而，正确的设计和施工技术对于确保足够的性能至关重要。

技术：

• 剪力墙：木制剪力墙使用钉在木框架上的胶合板或定向刨花板 (OSB) 构成。它们提供侧向抵抗力并防止框架歪斜。
• 横膈板：木制横膈板是水平结构构件，可将横向力分配给剪力墙。
• 连接件：坚固且具延性的连接件对于确保木结构能够承受地震力至关重要。

全球示例：木框架结构广泛用于北美、日本和其他有地震历史地区的住宅建筑。

4. 基础隔震

基础隔震是一种将建筑物与地面分离的技术，减少传递到结构的地震能量。这是通过在建筑物的基础和地面之间放置柔性支座或隔震器来实现的。

技术：

• 叠层橡胶支座：由橡胶和钢板层制成，这些支座提供柔性和阻尼。
• 摩擦摆系统：这些系统使用曲面和滑块通过摩擦来耗散能量。

全球示例：基础隔震已在世界各地的众多建筑和桥梁中使用，包括美国犹他州的盐湖城市政厅和旧金山国际机场的国际航站楼。

5. 阻尼系统

阻尼系统是在地震期间耗散能量的装置，减少建筑物的振动和应力。这些系统可以安装在建筑物的结构内部或作为基础隔震系统的一部分。

技术：

• 粘滞阻尼器：这些阻尼器利用流体阻力来耗散能量。
• 摩擦阻尼器：这些阻尼器利用表面之间的摩擦来耗散能量。
• 调谐质量阻尼器 (TMDs)：这些阻尼器由一个通过弹簧和阻尼器连接到建筑物的质量块组成。它们被调谐到建筑物的共振频率以减少振动。

全球示例：阻尼系统已被用于台湾的台北101摩天大楼和伦敦的千禧桥等建筑中。

地震加固

地震加固涉及加强现有建筑物，使其更能抵抗地震。这对于未按现代抗震标准设计的旧建筑通常是必要的。

加固技术

• 增加剪力墙：安装新的剪力墙可以显著增加建筑物的侧向抵抗力。
• 加强连接件：加强结构构件之间的连接可以提高建筑物的整体性能。
• 纤维增强复合材料 (FRP)：FRP复合材料可用于包裹柱和梁，增加其强度和延性。
• 基础隔震：可以在现有建筑物下安装基础隔震，以减少传递到结构的地震能量。

全球示例：许多国家，包括美国、日本和意大利，已经实施了地震加固计划，以提高现有建筑物的安全性。

建筑规范与法规

建筑规范与法规在确保建筑物的设计和施工能够抵御地震方面起着至关重要的作用。这些规范规定了抗震设计的最低要求，包括材料性能、结构细节和施工实践。

国际建筑规范 (IBC)

国际建筑规范 (IBC) 是一个被广泛采用的示范建筑规范，为抗震设计提供了全面的要求。它基于最新的科学知识和工程实践。

欧洲规范8

欧洲规范8是欧洲抗震设计的标准。它为欧洲地震活跃地区建筑物和其他结构的设计和施工提供了详细的指导方针。

国家建筑规范

许多国家都有自己的国家建筑规范，其中包含了抗震设计的具体要求。这些规范通常根据当地的地震条件和施工实践进行调整。

技术与创新的作用

技术和创新的进步正在不断提高我们设计和建造抗震建筑的能力。一些关键的创新领域包括：

• 先进材料：正在开发新材料，如高性能混凝土和形状记忆合金，以增强结构的强度、延性和耐久性。
• 智能结构：智能结构集成了传感器和执行器，可以实时监测和响应地震事件。
• 建筑信息模型 (BIM)：BIM允许工程师和建筑师创建建筑物的详细3D模型，使他们能够分析其抗震性能并优化其设计。
• 人工智能 (AI)：AI可用于分析大量的地震数据并识别模式，为设计更具韧性的结构提供信息。

社区规划与教育的重要性

抗震建筑不是减轻地震影响的唯一因素。社区规划和教育也至关重要。这包括：

• 土地使用规划：避免在具有高液化潜力或靠近活动断层的地区进行建设。
• 应急准备：制定应急响应计划并教育公众有关地震安全的知识。
• 公众意识：提高对抗震建筑和地震加固重要性的认识。

结论

抗震建筑是一个复杂而多方面的领域，需要对地震力、结构工程原理和施工技术有深入的了解。通过实施本指南中概述的原则和技术，我们可以建立更安全、更具韧性的社区，以抵御地震的毁灭性影响。持续的创新、协作和遵守建筑规范对于确保全球地震活跃地区人民的安危至关重要。

请记住，“防震”这个说法有些用词不当。更准确的目标是“抗震”或“地震韧性”建筑，因为即使是设计最好的建筑物在强震中也可能遭受一些损坏。目标是最大限度地减少损坏并防止倒塌，以保护生命和财产。