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上饒市專業的輕鋼裝配式建筑技術剖析【建議收藏】

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上饒市專業的輕鋼裝配式建筑技術剖析【建議收藏】

2020-05-12 17:16:24

十二年前的2008年,我的名字一次出現在抗震工程方面的學術論文上。那年我博二。


提高建筑結構抗地震倒塌能力的設計思想與方法. 建筑結構學報, 29(4), 2008: 42-50.

葉列平, 曲哲, 陸新征, 馮鵬


這種關乎“思想”的文章,斷不是博士生敢寫的,我只是打雜而已。一晃十二年過去了。葉老師已退居二線多年,陸老大和馮老大從當年的大牛變成了如今的牛魔王。能在這樣一篇論文里打雜,是我的榮幸。但是汶川地震發生后的那段時間,沒人高興得起來,除了痛徹心扉就是任重道遠。



還是在那年,我一次東渡日本,面對面地接觸到了「地震損傷控制」之「夷技」。抱著自強之心,我踏上了十二年恍如一日的建筑地震損傷控制的求索之旅,也有幸見證了汶川地震以來建筑抗震技術在我國的發展。套用一度流行的俗語:防震減災的一滴淚,落在個人頭上,就是一汪洋。而我游了十二年,仍未看到岸。


 1  整體可控


跪著的城鎮,是對震后北川縣城的撕心裂肺的描述。說好的梁鉸機制呢?說好的強柱弱梁呢?難道課本上都是騙人的?


(拍攝:王亞勇)


在下面這篇匆匆發表的論文里,我們總結了「強柱弱梁」缺席的八大原因。國內不少學者也在這方面做了大量的工作(延伸閱讀[1]-[10])。


從汶川地震中框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現. 建筑結構, 38(11), 2008: 52-59.

葉列平, 曲哲, 馬千里, 林旭川, 陸新征, 潘鵬


那時候打了雞血似的收集和分析震害資料的勁頭兒,和疫情初期科學界火線發表“新冠”論文的心情差不多吧。并非在乎那一兩篇論文,只是在巨大的現實沖擊之下,急于找到答案:到底怎么了?


 


與「跪著的城鎮」造成的巨大沖擊不期而遇的是東京工業大學和田章(Akira Wada)先生提出的鉸支墻-框架結構體系。這也成為我博士課題的主要內容之一。


隨著鉸支墻方面研究的逐漸深入,我逐漸和「強柱弱梁」分道揚鑣,并形成了這樣的觀點:拋開剛度談承載力,即使把強柱弱梁系數改成無窮大,該跪還是要跪的。正因為此,在鉸支墻的設計中,剛度是一義,承載力隨之而來。


我管它叫“豎向連續剛度”,是使結構各個樓層的變形趨于均勻的力量。與之相對的是由梁和板組成的樓面體系的剛度,它的極端情況就是大家常用的剪切層模型——樓面無限剛。


隨著豎向連續剛度的逐漸增大,結構各個樓層的損傷漸趨均勻。當主體結構的出鉸率達到50%時,結構實現整體型屈服機制:結構各個樓層并肩作戰,共御外侮。


QU Zhe*, GONG Ting, WANG Xiaoyue et al. Stiffness strength demands for pin-supported walls in RC moment frames. Journal of Structural Engineering, ASCE. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002758


所謂「強柱弱梁」,只是避免薄弱層倒塌的手段,而非目的。希望柱子基本保持彈性,無非是在維護豎向連續剛度的尊嚴。當有了更強有力的手段實現整體機制時,是「強柱弱梁」還是「強梁弱柱」就沒那么重要了。何況對于既有結構,本來就很難通過抗震加固變「強梁弱柱」為「強柱弱梁」。在這種意義上可以說,鉸支墻對「強柱弱梁」實施了降維打擊。



一年之后,世界首座采用鉸支墻-框架結構體系進行抗震加固的高層建筑——G3教學樓順利竣工。力與美的結合,不只是說說而已。


QU Zhe, WADA Akira*, MOTOYUI Shojiro, et al. Pin-supported walls for enhancing the seismic performance of building structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. DOI: 10.1002/eqe.2175


又過了兩年,鉸支墻-框架結構體系在9.0級東日本大地震中小試牛刀。盡管地震震中遠在300公里之外,還是意外地暴露了之前設計中忽視的填充墻的影響。


一方面,實際地震反應的周期明顯小于不考慮填充墻的情況,說明填充墻大幅增加了結構的剛度。


另一方面,填充墻本身也發生了普遍的損傷。



然而,也因此意外地突顯了鉸支墻的另一項超能力:對抗不確定性的能力。這種不確定性既可能來自于地震動本身,也可能來自于結構體系本身——比如填充墻的意外貢獻。


在同樣的地震動作用下,有沒有填充墻會對純框架結構的倒塌模式產生巨大的影響。比如可能從底層或中間層倒塌,變成壓倒性的底層倒塌。



對于鉸支墻-框架結構,則無論有沒有填充墻,樓層的變形分布都很均勻。兄弟一心,其利斷金。


QU Zhe*, SAKATA Hiroyasu, MIDORIKAWA Saburoh, et al. Lessons the behavior of a monitored eleven-story building during the 2011 Tohoku-oki earthquake for robustness against design uncertaintiesEarthquake Spectra. DOI: 10.1193/051813EQS126M


鉸支墻不止是一項技術,更是一種思路——使結構地震損傷「整體可控」的思路。它可以有很多不同的表現形式,但歸根結底都是通過大幅提升豎向連續剛度,控制建筑各個樓層的變形分布。在變形模式整體可控的基礎上,再通過消能器耗散地震能量,事半功倍。



如果說近十幾年來建筑地震損傷控制在理論方面有什么發展,「整體可控」恐怕是一個非常重要的方面。在這方面,國內外大量學者做了許多非常有意思的探索和嘗試(延伸閱讀[11]-[20])。



 2  節點不破



在二十世紀90年代提出的建筑地震損傷控制理論中,減震控制結構由主體結構和由消能器組成的減震子結構并聯而成。


和田章, 巖田衛 等著, 曲哲, 裴星洙 譯. 建筑結構損傷控制設計. 北京: 中國建筑工業出版社. ISBN 978-7-112-16378-6


「師夷長技」時不可回避的一個問題是國情。對于源于日本的建筑地震損傷控制而言,一個基本的國情差異是:日本以鋼結構居多,而我國以混凝土結構為主。那么,把初主要針對鋼結構提出的損傷控制理論應用于混凝土結構,會有什么新的問題?國內學者從不同角度入手,開展了不少系統而深入的工作。然后無論如何,消能器和混凝土構件之間的連接節點都是繞不過去的問題。


以在我國應用為廣泛且物美價廉的消能器——屈曲約束支撐(BRB)為例。在鋼結構中,連接節點可以直接通過焊接或者高強螺栓固定在鋼構件,但是在混凝土結構中,如何妥善地將BRB的集中軸力傳遞給受拉性能很差的混凝土構件,對連接節點無疑是個考驗。



把節點做大做強,預埋件做深做密,固然是一個不得已的解決辦法。但是節點用鋼量過大甚至節點比支撐還貴的事兒也絕非罕見。更重要的是,由于節點區域受力復雜,設計困難,并且只要不來地震就得到不到檢驗,混凝土結構中BRB的連接節點很可能反而成為看似高大上的減震結構的薄弱環節。


繼續降維打擊:混凝土不是怕受拉嗎?那么讓我們消滅拉力。


之字形布置BRB混凝土框架結構應運而生。在一跨從中到下連續布置BRB并取消跨內的框架梁,使相鄰的BRB共用節點板。這樣一來,當結構發生側向變形時,相鄰的兩個BRB一拉一壓,當二者軸力大小相等時,拉力得以抵消。


QU Zhe*, KISHIKI Shoichi, SAKATA Hiroyasu, et al. Subassemblage cyclic loading test of RC frame with buckling restrained braces in zigzag configuration. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. DOI: 10.1002/eqe.2260


什么???梁都不要啦?


別慌,如果把抗側的支撐框架旋轉90度變成承重的桁架,是不是看起來舒服多了?梁本來就是零桿嘛。


然而略有遺憾的是,之字形布置的BRB并不總能完全消除節點受到的拉力。其原因在于非線性結構的高階振動。這是一個很有趣的現象。


在線性體系中,節點處的1階模態力遠遠大于2階模態力;但是在非線性體系中,非線性反應在顯著抑制1階模態力的同時,卻對2階模態力影響不大,從而使2階模態力得以與1階平起平坐。然而在2階反應中,相鄰BRB不再總是一壓一拉,而可能出現同時受拉的情況。于是就有點兒尷尬。


QU Zhe*, KISHIKI Shoichi, MAIDA Yusuke, et al. Seismic responses of reinforced concrete frames with buckling restrained braces in zigzag configuration. Engineering Structures. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.09.038


將降維打擊進行到底:消除高階振動的影響。


如果把相鄰BRB共用節點板的平衡式連接節點用在同一樓層之內,不就沒有高階振型什么事兒了嗎?于是有了菱形布置BRB混凝土框架結構。


QU Zhe*, XIE Jinzhen, WANG Tao, et al. Cyclic loading test of double K-braced reinforced concrete frame subassemblies with buckling restrained braces. Engineering Structures. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.02.040


有效消除拉力之后,混凝土連接節點可以做得非常簡潔,甚至可以不用栓釘,還可以做成工廠預制減震模塊,不香么?



節點不牢,柱動梁搖。除了受拉問題外,混凝土結構中消能器的連接節點還存在許多其他問題,比如現場安裝的施工精度、震損更換等等。國內學者和工程技術人員也開展了大量的工作,提出了不少行之有效的做法。


汶川地震之后,以屈曲約束支撐為代表的消能器在我國建筑中的大量應用提升我國城市建筑的抗震能力。但減震建筑在建筑總量中的比例仍然很低,受技術積累所限,設計和施工水平也參差不齊,連接節點的設計和施工水平無疑是其中非常重要的一環。



 3  非結構少壞



非常同意建研院羅總的下面這句話:

咱們國家的《建筑抗震設計規范》一直被當成「建筑結構」抗震設計規范在用,其實不僅僅是結構??!

羅開海


這同樣是建筑地震損傷控制的一個痛點。假建筑損傷控制之名,行結構損傷控制之實。從抗倒塌保安全的角度來講無可厚非,但隨著社會經濟的發展,建筑地震損傷控制早已不能僅僅滿足于此了。


建筑中除了主體結構以外的所有構件,都屬于非結構構件。在下面這個醫療建筑的例子里,非結構和內部物品占了總重置成本的67%,而結構僅占15%。對于普通的辦公或學校建筑,結構的比例會略高一些,但也差不多。

葉良浩, 曲哲*, 孫海林, 宮婷. 采用不同減震結構體系的醫療建筑地震經濟損失評估. 建筑結構學報. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.0393


更重要的是,現代建筑的正常使用根本離不開非結構構件。前兩天一位正在居家隔離的朋友說想嘗試一下斷水斷電三天的生活。我提醒他腦補一下三天不能沖馬桶的畫面。


非結構構件對于建筑損傷控制的重要性,在于它們的既貴且嬌。


雖然早在1991年葉耀先和鈕澤蓁兩位前輩就出版了《非結構抗震設計》一書,但除了構造要求和定性判斷之外,把各類非結構構件的地震損傷特性作為科學問題來系統地研究,在我國恐怕是2013年蘆山地震之后的事情了。



為什么不是汶川地震?因為汶川地震的結構震害太震撼了,還輪不到非結構。在五年后7.0級的蘆山地震中,非結構震害則異常突出,也為我國非結構構件的地震損傷控制研究提供了寶貴的一手資料。


通過實地調查,我們收集了16個明框吊頂的震害并定量地統計了它們的墜板率,再結合模擬的樓面峰值加速度,擬合得到了我國吊頂的易脆性曲線。


李戚齊, 曲哲*, 解全才, 王多智. 我國公共建筑中吊頂的震害特征及其易損性分析. 工程力學, 36(7), 2019: 207-215.


然而,一直以來被作為吊頂烈度指標的樓面峰值加速度的表現不盡人意。在對數空間上,它和墜板率之間的相關性小得可憐。這種離散性可能來自地面加速度場,也可能來自對結構放大效應的假設。當然,也可能是這個指標本身有問題。



進一步的振動臺試驗驗證了這個想法。與峰值加速度相比,特定頻率下的譜加速度與墜板率的相關性更加顯著。此外,吊頂的破壞還受到豎向激勵和龍骨邊界條件的很大影響??梢?,非結構構件的動力反應特性遠比我們想象的復雜。


李戚齊. 明架礦棉板吊頂的地震損傷特征研究. 中國地震局工程力學研究所碩士學位論文, 2019.


蘆山地震中另一種隨處可見的非結構震害是砌體填充墻的破壞。以往關于砌體填充墻的研究主要關注它在框架平面內對主體結構力學性能的影響,而較少關注填充墻本身的損傷及其控制。


謝賢鑫, 張令心, 曲哲*. 足尺砌體填充墻在面內往復荷載作用下的易損性研究. 建筑結構學報, 41(6), 2020: 57-65.


對于墻體本身,面內加載試驗并不足以復現地震現場的實際震害。在上圖的例子中,即使主體結構完好,填充墻也壞得一塌糊涂;但是在試驗室里,1/100的層間位移也無法得到地震現場那么嚴重的破壞。哪兒出了問題?


在實際地震中,填充墻總是同時受到面內和面外兩個方向的作用。面外承載力隨面內損傷程度的增大而急劇下降,并且下降的幅度與墻體的高厚比有關。

QU Zhe, XIE Xianxin, FU Haoran, ZHANG Lingxin. Effect of prior in-plane damage on the out-of-plane strength of masonry infill walls. Engineering Structures, under review.


在震害分析中,考不考慮填充墻的面內外耦合行為可能得到截然不同的結果。足見這一行為對于準確預測填充墻的破壞至關重要。



以上關于吊頂和砌體填充墻的兩個例子均說明,非結構構件不但種類繁多,而且動力反應和損傷特性非常復雜。基于實證數據的定量研究,是深入理解這些特性的必經之路,也是減小非結構地震損失的千里跬步。


蘆山地震之后的魯甸地震、九寨溝地震等歷次地震均不同程度地暴露了非結構震害的問題。非結構震害也逐漸被國內抗震工程界的學者和工程師所熟悉。除了上述非結構構件自身損傷特性的問題之外,還有樓面譜、數值分析方法、設計方法和構造措施等諸多問題有待解決。這恐怕也是使基于性能的抗震設計更趨完善的一個重要突破口。



 0  回到原點,做更好的建筑



建筑地震損傷控制只是防震減災事業里的一條溪,十二年來我們的工作又只是建筑地震損傷控制里的一滴水。上述的一人稱視角,恐怕連管窺都談不上。然而兜兜轉轉十二年,當從建筑功能損失的角度回望時,竟有種回到原點的感覺。


鉸支墻-框架結構固然是實現「整體可控」的二向箔,但減輕建筑非結構損失的效果恐怕未必好。因為無論是鉸支墻還是BRB,都不能有效減小建筑樓面的加速度反應。


葉良浩, 曲哲*, 孫海林, 宮婷采用不同減震結構體系的醫療建筑地震經濟損失評估. 建筑結構學報. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.0393


隔震也并非能。例如,隔震在減小樓面速度反應方面的效果遠不及對變形和加速度反應的抑制。對于近斷層脈沖型地震動尤其如此,甚至會使下部樓層的速度反應反而大于抗震建筑。



其后果是,在一些情況下,隔震建筑中的速度敏感型非結構構件的損失不是遠遠小于,而有可能反而大于抗震建筑。


WANG Feijian, QU Zhe*, HUANG Yuli, SUN Hailin. Seismic vulnerability of rocking-dominated contents in base-isolated buildings. Soil Dynamics & Earthquake Engineering, under review.


換句話說,當把地震損傷控制從結構中解放出來而回歸建筑的本意時,新問題新挑戰迎面而來。它們不是唐吉訶德的風車,而是下一場災難的隱患。


借用和田章先生就任日本建筑學會會長致辭的題目來收尾吧:


回到原點,做更好的建筑。


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