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土木水利概论

《土木水利概论》结课作业

题目：

抗震建筑

作者：

单位：

建设工程学部土建班

学号：

完成时间：

2013.04.29.

指导教师:

1.内容摘要:

地震作为一种自然灾害，对人类的生产和生活具有十分重大的影响，研究抗震建筑，提高建筑抗震水平是我们迫在眉睫的任务。

简要介绍地震相关知识，影响建筑抗震水平的几个因素，以及著名防震建筑分析，最后对中外抗震建筑分析对比和未来展望。

2.关键词：

地震，建筑抗震

引言：

近几年来，地震不断的在我国发生，最近发生的雅安地震又夺去了我们许多同胞的生命，面对这种自然灾害的频频造访，我们不得不对当前的抗震水平做一个全面的分析，尤其是抗震建筑的研制更应该成为我们每一个土木人的任务。

本文对抗震建筑的发展历程以及现代抗震建筑水平做了一个简要介绍，并对当下中国的抗震水平进行了几点分析。

正文：

抗震建筑

一．地震及抗震建筑简介

在分析抗震建筑之前，我们很有必要先对地震相关知识简单的了解一下。

地震（earthquake）又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，

图1-1

期间会产生地震波的一种自然现象。

全球每年发生地震约五百五十万次。

地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。

图1-2

那么什么是抗震建筑呢？

我们先对抗震建筑下一个定义。

所谓抗震建筑，是指在抗震设防烈度为6度及以上地区必须进行抗震设计建筑。

从全球的重大地震灾害调查中可以发现，95%以上的人命伤亡都是因为建筑物受损或倒塌所引致的。

探讨建筑物于地震中受损倒塌的原因，并加以防范，从工程上建造经得起强震的抗震建筑是减少地震灾害最直接、最有效的方法。

提高建筑物抗震性能，是提高城市综合防御能力的主要措施之一，同时也是防震减灾工作中一项“抗”的主要任务。

2．影响房屋建筑抗震性能的几个因素

1.建筑的抗震设防标准国家根据地震发生的可能性和震害的严重性确定各地区基本设防烈度，这是各地区抗震设计的基本参数，主要代表地面加速度的大小。

对具体房屋，需要结合建筑使用功能的重要性确定建筑的抗震设防标准，即确定设计烈度和抗震等级。

对一般建筑，设计烈度就是本地区设防烈度。

设计烈度愈高，抗震能力愈强，但建筑造价也愈高。

2.合理的抗震设计抗震设计就是要选择合适的结构形式，确定合理的抗震措施，保证结构的抗震性能，确保建筑物满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。

所谓中震，指设防烈度，小震比中震小约1.55度，而大震则比中震增加约1度。

合理的抗震设计主要基于先进的抗震理念、系统的分析计算和恰当的抗震措施。

既要注意控制抗震指标如轴压比、相对变形等，又要采取合适的抗震构造措施。

3.施工质量等其他因素加强施工质量监督，规范既有建筑的使用管理是十分必要的。

施工质量的优劣，对抗震性能有着极大的影响。

同样的设计，施工质量的差异，会导致抗震性能的差别。

所以提高房屋抗震性能，必须十分注意提高施工质量。

3.著名防震建筑举例

从古至今，世界上出现过许多拥有杰出抗震性能的建筑，中国古代的抗震建筑在当时处于世界先进水平。

中国古代抗震建筑设计与西方砖石结构建筑的“以刚克刚”不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，采用的是“以柔克刚”的思维，通过种种巧妙的措施，其目标是以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。

　　柔性的框架结构：

墙倒屋不塌中国的传统木结构，具有框架结构的种种优越性，如“墙倒屋不塌”的功效，但其柔性的连接，又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。

在汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。

在这方面，应县木塔成为抗震建筑代表是当之无愧的。

应县木塔全名为佛宫寺释迦塔，位于山西省朔州市应县县城内西北角的佛宫寺院内，是佛宫寺的主体建筑。

建于辽清宁二年（公元1056年），金明昌六年（公元1195年）增修完毕。

它是我国现存最古老最高大的纯木结构楼阁式建筑，是我国古建筑中的瑰宝，世界木结构建筑的典范。

应县木塔的设计，大胆继承了汉、唐以来富有民族特点的重楼形式，充分利用传统建筑技巧，广泛采用斗拱结构，全塔共用斗拱54种，每个斗拱都有一定的组合形式，有的将梁、坊、柱结成一个整体，每层都形成了一个八边形中空结构层。

设计科学严密，构造完美，巧夺天工，是一座既有民族风格、民族特点，又符合宗教要求的建筑，在中国古代建筑艺术中可以说达到了最高水平，即使现代也有较高的研究价值，该塔设计为平面八角，外观五层，底层扩出一圈外廊，称为“副阶周匝”，与底屋塔身的屋檐构成重檐，所以共有六重塔檐。

每层之下都有一个暗层，所以结构实际上是九层。

暗层外观是平座，沿各层平座设栏杆，可以凭栏远眺，身心也随之溶合在自然之中。

全塔高67.3米，约当底层直径2.2倍，比例相当敦厚，虽高峻而不失凝重。

各层塔檐基本平直，角翘十分平缓。

平座以其水平方向与各层塔檐协调，与塔身对比；又以其材料、色彩和处理手法与塔檐对比，与塔身协调，是塔檐和塔身的必要过渡。

平座、塔身、塔檐重叠而上，区隔分明，交代清晰，强调了节奏，丰富了轮廓线，也增加了横向线条。

使高耸的大塔时时回顾大地，稳稳当当地坐落在大地上。

底层的重檐处理更加强了全塔的稳定感。

当然，现代抗震技术更是呈现百家争鸣的态势。

如美国的滚珠大楼，美国建造了一种可以防震的“滚珠大楼”。

如硅谷最近兴建的一座电子工厂大厦，在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来。

发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动，可以大大减弱地震的破坏力。

又如台北101大楼，位于中华人民共和国台湾省台北市信义区的一栋摩天大楼。

由建筑师李祖原设计，KTRT团队建造，是世界最高摩天大楼（不含天线）和目前全世界第二高的大楼（以建筑结构实际高度来计算）。

高508公尺，地上101层，底下5层。

大楼拥有总数达380支的基桩，八根巨柱。

在巨柱内灌注每平方英寸承重1万磅的高性能混凝土，创岛内新纪录，一般建筑物的混凝土强度约为每平方英寸3000~6000磅，高雄东帝士大楼为8000磅。

什么才是大楼抗震的利器？

总数达380支的基桩是重要基础，这些基桩平均长度有71米，打入岩盘的深度有33米，打进岩盘前先凿出洞来，基桩放进去时再灌入混凝土固定，因此，为数众多的大型基桩牢牢抓住地盘，已让大楼稳了一半。

另一关键是大楼的八根巨柱，一般建筑的柱子约50乘50厘米粗，台北101大楼的巨柱有3乘2.4米粗，使用的钢板厚达8厘米，和一般建筑的2～3厘米相差很大。

入岩的基桩、八大巨柱辅以每八层楼的巨型桁架，撑住大楼不被地震和强风震歪、吹歪，整栋大楼属于巨大结构，可耐震度为6级（地动加速度为390gal）

4.中外抗震建筑对比

既然提到抗震，那么有一个国家就不得不提到，那就是日本。

2012年3月11日下午，日本东北部海域发生里氏9级地震。

地震引起的高达10米的大海啸吞没了日本东部沿海地区。

在本次强震中，虽然日本损失惨重，但由于地震本身而坍塌的房屋少之又少，人们惊异地看到日本的多层、中高层甚至高层建筑物居然完整地挺立着，很多房子虽然被汹涌的海浪挪出很远，但全然没有散架。

被毁的1.3万座房屋集中在岩手、福岛和宫城三个县的沿海地区，95%以上是被海啸摧毁。

在巨大的冲级中反思，作为我们，应该从中得到什么警示和教训？

而中国建筑的抗震能力如何？

质量是否令人放心？

非常值得我们深思。

那么我们就来分析一下为什么日本拥有如此先进的抗震水平。

一结构抗震技术

20世纪80年代后，尤其是1995年坂神大地震后，日本研究开发了“免震建筑技术”，承建免震房屋的建筑公司如雨后春笋般崛起，已经商业化运营。

所谓“免震技术”就是，在建筑物和地基之间设置用柔和的材料制成的免震层，克服了“耐震”房屋的缺陷，即使发生地震，既可以保住房屋，也可以保住屋内家具等物品，也能避免居民的精神上和肉体上的伤害。

这种房屋成本低，技术可靠，据说建一所免震的个人住宅，只需投入一辆普通汽车的费用。

隔震装置

1.隔震器：

具有很高的竖向以及水平承载能力。

如叠层橡胶支座，滑动支座。

2.阻尼器：

提高隔震支座的阻尼。

如弹塑性阻尼器，干摩擦阻尼器，粘弹性阻尼器。

3.复位装置：

防止结构在微震风载作用下影响使用，以及使建筑物在大震后的及时复位。

回弹滑动支座，螺旋弹簧支座。

“局部浮力”的抗震系统

为“局部日本开发了一种名浮力”的抗震系统，即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。

“局部浮力”系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，建筑物受到水的浮力支撑，水的浮力承担建筑物大约一半重量，既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。

地震发生时，由于浮力作用延长了固有振荡周期，即晃动一次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。

6到8层建筑物的固有周期最大可以达到5秒以上。

并且，在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗震效果。

此外，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。

这一系统成本并不算高。

以8层楼医院为例，成本比普通抗震系统高出大约2％。

2.耗能减震体系

耗能减震体系是在结构物的某些部位采取一定的措施，以消耗地震传给结构的能量为目的的减震方法。

原理：

能量观点（地震传给建筑的能量一定，通过耗能装置的耗能来减小结构的）损坏和动力学观点（增大结构阻尼，减小结构的动力反应）

二材料选择

日本建筑在选材上也格外讲究，比如在欧洲、中国经常被当作主要建筑材料的砖瓦，现在在日本建筑上几乎已经找不到踪影，而现在日本广泛应用的五彩缤纷的“瓦片”是由塑料制成的。

1923年的关东大地震证明砖结构房屋不抗震。

从那以后开始，砖结构建筑在日本几乎不再被使用，取而代之的是辅以轻型墙面材料的钢筋混凝土结构。

由于木结构的优良抗震性能，在日本也被大量的应用。

为了提高传统木结构建筑的抗震能力，日本普通的民宅采用了箱体设计——地震发生时，房屋整体翻滚，不至于损毁。

专业技术人员还会定期对民房进行抗震加固等级评定，政府会酌情给予居民适当的补贴鼓励。

钢结构也是抗震性能极佳的建筑结构，因为钢材是塑性材料，在地震来临时能够很好的吸收地震力，从而起到了抗

三，严格的建筑结构设计要求震的作用。

日本《建筑基准法》规定，日本的高层建筑必须能够抵御里氏７级以上的强烈地震。

一个建筑工程为获得开工许可，除了设计、施工图纸等文件外，还必须提交建筑抗震报告书。

这一报告书主要内容是，根据地震的不同强度，计算不同的建筑结构在地震中的受力大小，进而确定建筑的梁柱位置、承重以及施工中钢筋、混凝土的规格和配比。

日本法律还规定，只有一级建筑师以上的人才能有资格编制抗震报告书，而且，报告书中的相关计算必须要使用国土交通省认可的专用程序。

普通的一个８、９层公寓楼，其抗震报告书动辄厚达两三百页。

建筑抗震报告书必须经过相关部门或人员的检查，确认无误后才能开工。

在日本许多高层公寓开始销售不久即告罄。

一个重要因素是这些高层公寓多半与高层写字楼作了同等水平的抗震设计。

结论：

抗震结构体系应符合下列各项要求:

（1）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径

（2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

（3）应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

（4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

抗震设计尽量做到建筑平面和立面规则、减少大悬挑和楼板开洞、总质量小且沿平面和立面分布均匀、刚度柔并不出现凸变。

相比之下，中国抗震建筑水平明显不足，我们国家的抗震减灾法，制定的标准偏低，这与我国的经济情况有关。

日本的地震烈度，规定可以防御的地震是地面运动0.3G左右，而我们国家才0.1G左右，国家该到提高设防标准的时候了！

另外日本目前的抗震标准根据地基强度及建筑构造而有所不同，据国土交通省称，其基本标准为能经受住300～400伽（gal）的地震加速度值。

阪神大地震的地震加速度值为800伽。

熟悉中国防震情况的首都大学东京的地震工学教授岩楯敞広介绍说，中国于2001年制定了各地区建筑抗震标准，北京为200伽，上海为100伽。

发生大地震的四川省的标准较低，成都为100伽，重庆、绵阳和德阳仅为50伽。

[详细]设计不规范廉价空心砖成祸源

我国很多农村自建房都是砖式结构，抗震能力非常差。

另外据日本媒体报道，首都大学东京的地震工学岩楯敞広教授指出:

“与日本相比，中国一般建筑物的支柱较细、混凝土质量较差、钢筋数量较少。

地方上的老房子几乎没有使用新的建筑技术。

”另有媒体报道，盈江地震遇难者多有被空心砖墙和空心砖简易房屋砸死，使用空心砖建造的房屋大量倒塌。

记者在震区多日采访发现，囿于经济条件，村民不科学规范使用空心砖是一个普遍现象，建房“想怎么建就怎么建，没有设计图纸，更不用说能抗震”。

[详细]

　监管不力存在豆腐渣工程

豆腐渣工程的出现，在于目前建筑业的体制问题。

比如，因为利益监理起不到监理的作用，无法客观有效地进行工程监督。

整个行业需要引入非利益相关的第三方机构。

怎么判断是豆腐渣呢？

对于非专业人士来说，如果在震区发现混凝土很酥（比如一敲就碎）、30cm×30cm范围内混凝土里面没有钢筋，或者混凝土有蜂窝样的空洞，或者砖很酥、砂浆很酥或砂浆不饱满，一个砖房里面基本没有混凝土或者钢筋，都极有可能是偷工减料的豆腐渣工程。

施工质量通常不是一个环节上出现问题。

需要在各个环节都加强监督管理，加强不良记录管理与公示，加大处罚力度。

[详细]设防要求低《建筑抗震设计规范GB50011-2001》中，划分了各地区的抗震设防标准，还根据建筑功能划分为甲乙丙丁四个等级。

其中，除三级甲等医院外，多数医疗设施的等级只为乙等。

而幼儿园、小学的教学楼也只是乙等级别。

抗震观念上忽视城市迅速发展，要求建筑物迅速地被建造，忽略设计，降低质量，使得建筑物成为加重灾害的隐患。

工程质量不过关我们从一些灾后照片中发现，坍塌建筑物的混凝土废墟中有时看不见足够的钢筋，而钢筋的延展性是防止混凝土崩裂的重要设计考虑和技术手段之一。

由于中国目前综合国力和经济水平有限，因此中国抗震建筑水平明显与世界各国拉开了较大的距离，但随着经济水平的飞速发展，中国在抗震建筑方面也做出了卓越的贡献，在不久的将来，中国有望跻身世界抗震建筑水平先进国家的行列。

中国的防震抗震事业在近几十年里的确有了巨大的飞跃，无论从监测预报，还是震灾预防以及应急救援等方面都有卓越的成就，但还并没有达到世界先进水平。

我们的灾后救援工作能让其他国家刮目相看，但建筑的抗震措施始终是一块短板。

与其他国家相比，中国需要学习的还有很多。

无论是理论创新，还是科学实践，我们都必须脚踏实并投入更多的精力，这需要我们土木人不懈的努力。

参考文献：