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[分享]抗震|从十二年前的汶川地震说起！
来源：哲设计(ID：zhe_design)
作者简介：曲哲，2001年至2010年在清华大学土木工程系就读并先后取得工学学士、工学硕士和工学博士学位。随后赴日本东京工业大学都市地震工程中心从事博士后研讨，并于2012年12月回国任中国地震局工程力学研讨所副研讨员，2017年1月起任研讨员。曾先后赴英国爱丁堡大学、日本东京工业大学、美国加州大学洛杉矶分校从事交流协作研讨。主要从事建筑物的地震损伤控制、减震和隔震技术、非线性动力反响等方面的研讨。曾参与2008年8.0级汶川地震、2011年9.0级东日本地震、2013年7.0级芦山地震和2015年尼泊尔郭尔喀地震序列的现场科学调查工作。研讨方向为：建筑构造的减震和隔震技术;非构造构件和内部物品的地震易损性;建筑功用损失和韧性评价。
以下为正文：
十二年前的2008年，我的名字第一次呈现在抗震工程方面的学术论文上。那年我博二。
进步建筑构造抗地震倒塌才能的设计思想与办法.建筑构造学报,29(4),2008:42-50.
叶列平, 曲哲, 陆新征, 冯鹏
这种关乎“思想”的文章，断不是博士生敢写的，我只是打杂而已。一晃十二年过去了。叶教师已退居二线多年，陆老大和冯老大从当年的大牛变成了往常的牛魔王。能在这样一篇论文里打杂，是我的荣幸。但是汶川地震发作后的那段时间，没人快乐得起来，除了痛彻心扉就是任重道远。
还是在那年，我第一次东渡日本，面对面地接触到了「地震损伤控制」之「夷技」。抱着自强之心，我踏上了十二年恍如一日的建筑地震损伤控制的求索之旅，也有幸见证了汶川地震以来建筑抗震技术在我国的开展。套用最近一度盛行的俗语：防震减灾的一滴泪，落在个人头上，就是一汪洋。而我游了十二年，仍未看到岸。
1整体可控
跪着的城镇，是对震后北川县城的撕心裂肺的描绘。说好的梁铰机制呢?说好的强柱弱梁呢?难道课本上都是骗人的?
(拍摄：王亚勇)
在下面这篇匆匆发表的论文里，我们总结了「强柱弱梁」缺席的八大缘由。国内不少学者也在这方面做了大量的工作。
从汶川地震中框架构造震害谈“强柱弱梁”屈从机制的完成.建筑构造,38(11),2008:52-59.
叶列平, 曲哲, 马千里, 林旭川, 陆新征, 潘鹏
那时分打了鸡血似的搜集和剖析震害材料的劲头儿，和疫情初期科学界前线发表“新冠”论文的心情差不多吧。并非在乎那一两篇论文，只是在宏大的理想冲击之下，急于找到答案：到底怎样了?
与「跪着的城镇」形成的宏大冲击不期而遇的是东京工业大学和田章(Akira Wada)先生提出的铰支墙-框架构造体系。这也成为我博士课题的主要内容之一。
随着铰支墙方面研讨的逐步深化，我逐步和「强柱弱梁」各奔前程，并构成了这样的观念：抛开刚度谈承载力，即便把强柱弱梁系数改成无量大，该跪还是要跪的。正由于此，在铰支墙的设计中，刚度是第一义，承载力随之而来。
我管它叫“竖向连续刚度”，是使构造各个楼层的变形趋于平均的力气。与之相对的是由梁和板组成的楼面体系的刚度，它的极端状况就是大家常用的剪切层模型——楼面无限刚。
随着竖向连续刚度的逐步增大，构造各个楼层的损伤渐趋平均。当主体构造的出铰率到达50%时，构造完成整体型屈从机制：构造各个楼层并肩作战，共御外侮。
QUZhe*, GONGTing, WANGXiaoyueet al.Stiffness and strength demands for pin-supported walls in RC moment frames. Journal of Structural Engineering, ASCE. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002758
所谓「强柱弱梁」，只是防止单薄层倒塌的手腕，而非目的。希望柱子根本坚持弹性，无非是在维护竖向连续刚度最后的威严。当有了更强有力的手腕完成整体机制时，是「强柱弱梁」还是「强梁弱柱」就没那么重要了。何况关于既有构造，原本就很难经过抗震加固变「强梁弱柱」为「强柱弱梁」。在这种意义上能够说，铰支墙对「强柱弱梁」施行了降维打击。
一年之后，世界首座采用铰支墙-框架构造体系停止抗震加固的高层建筑——G3教学楼顺利完工。力与美的分离，不只是说说而已。
QUZhe, WADAAkira*, MOTOYUIShojiro, et al.Pin-supported walls for enhancing the seismic performance of building structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. DOI: 10.1002/eqe.2175
又过了两年，铰支墙-框架构造体系在9.0级东日本大地震中小试牛刀。虽然地震震中远在300公里之外，还是不测地暴露了之前设计中无视的填充墙的影响。
一方面，实践地震反响的周期明显小于不思索填充墙的状况，阐明填充墙大幅增加了却构的刚度。
另一方面，填充墙自身也发作了普遍的损伤。
但是，也因而不测地突显了铰支墙的另一项超才能：对立不肯定性的才能。这种不肯定性既可能来自于地震动自身，也可能来自于构造体系自身——比方填充墙的不测奉献。
在同样的地震动作用下，有没有填充墙会对纯框架构造的倒塌形式产生宏大的影响。比方可能从底层或中间层倒塌，变成压倒性的底层倒塌。
关于铰支墙-框架构造，则无论有没有填充墙，楼层的变形散布都很平均。兄弟一心，其利断金。
QUZhe*, SAKATAHiroyasu, MIDORIKAWASaburoh, et al.Lessons from the behavior of a monitored eleven-story building during the 2011 Tohoku-oki earthquake for robustness against design uncertainties.Earthquake Spectra. DOI: 10.1193/051813EQS126M
铰支墙不止是一项技术，更是一种思绪——使构造地震损伤「整体可控」的思绪。它能够有很多不同的表现方式，但归根结底都是经过大幅提升竖向连续刚度，控制建筑各个楼层的变形散布。在变形形式整体可控的根底上，再经过消能器耗散地震能量，事半功倍。
假如说近十几年来建筑地震损伤控制在理论方面有什么开展，「整体可控」恐怕是一个十分重要的方面。在这方面，国内外大量学者做了许多十分有意义的探究和尝试。
2节点不破
在二十世纪90年代提出的建筑地震损伤控制理论中，减震控制构造由主体构造和由消能器组成的减震子构造并联而成。
和田章, 岩田卫 等著, 曲哲, 裴星洙 译.建筑构造损伤控制设计. 北京: 中国建筑工业出版社. ISBN 978-7-112-16378-6
「师夷长技」时不可逃避的一个问题是国情。关于源于日本的建筑地震损伤控制而言，一个根本的国情差别是：日本以钢构造居多，而我国以混凝土构造为主。那么，把最初主要针对钢构造提出的损伤控制理论应用于混凝土构造，会有什么新的问题?国内学者从不同角度动手，展开了不少系统而深化的工作。然后无论如何，消能器和混凝土构件之间的衔接节点都是绕不过去的问题。
以在我国应用最为普遍且物美价廉的消能器——屈曲约束支撑(BRB)为例。在钢构造中，衔接节点能够直接经过焊接或者高强螺栓固定在钢构件，但是在混凝土构造中，如何妥善地将BRB的集中轴力传送给受拉性能很差的混凝土构件，对衔接节点无疑是个考验。
把节点做大做强，预埋件做深做密，固然是一个不得已的处理方法。但是节点用钢量过大以至节点比支撑还贵的事儿也绝非稀有。更重要的是，由于节点区域受力复杂，设计艰难，并且只需不来地震就得到不到检验，混凝土构造中BRB的衔接节点很可能反而成为看似高大上的减震构造的单薄环节。
继续降维打击：混凝土不是怕受拉吗?那么让我们消灭拉力。
之字形布置BRB混凝土框架构造应运而生。在一跨从中到下连续布置BRB并取消跨内的框架梁，使相邻的BRB共用节点板。这样一来，当构造发作侧向变形时，相邻的两个BRB一拉一压，当二者轴力大小相等时，拉力得以抵消。
QU Zhe*, KISHIKIShoichi, SAKATAHiroyasu, 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?
别慌，假如把抗侧的支撑框架旋转90度变成承重的桁架，是不是看起来舒适多了?梁原本就是零杆嘛。
但是略有遗憾的是，之字形布置的BRB并不总能完整消弭节点遭到的拉力。其缘由在于非线性构造的高阶振动。这是一个很有趣的现象。
在线性体系中，节点处的1阶模态力远远大于2阶模态力;但是在非线性体系中，非线性反响在显著抑止1阶模态力的同时，却对2阶模态力影响不大，从而使2阶模态力得以与1阶等量齐观。但是在2阶反响中，相邻BRB不再总是一压一拉，而可能呈现同时受拉的状况。于是就有点儿为难。
QUZhe*, KISHIKIShoichi, MAIDAYusuke, 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
将降维打击停止到底：消弭高阶振动的影响。
假如把相邻BRB共用节点板的均衡式衔接节点用在同一楼层之内，不就没有高阶振型什么事儿了吗?于是有了菱形布置BRB混凝土框架构造。
QUZhe*, XIEJinzhen, WANGTao, 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
有效消弭拉力之后，混凝土衔接节点能够做得十分简约，以至能够不用栓钉，还能够做成工厂预制减震模块，不香么?
节点不牢，柱动梁摇。除了受拉问题外，混凝土构造中消能器的衔接节点还存在许多其他问题，比方现场装置的施工精度、震损改换等等。国内学者和工程技术人员也展开了大量的工作，提出了不少卓有成效的做法。
汶川地震之后，以屈曲约束支撑为代表的消能器在我国建筑中的大量应用提升我国城市建筑的抗震才能。但减震建筑在建筑总量中的比例依然很低，受技术积聚所限，设计和施工程度也良莠不齐，衔接节点的设计和施工程度无疑是其中十分重要的一环。
3非构造少坏
十分同意建研院罗总的下面这句话：
我们国度的《建筑抗震设计标准》不断被当成「建筑构造」抗震设计标准在用，其实不只仅是构造啊!
罗开海
这同样是建筑地震损伤控制的一个痛点。假建筑损伤控制之名，行构造损伤控制之实。从抗倒塌保平安的角度来讲无可厚非，但随着社会经济的开展，建筑地震损伤控制早已不能仅仅满足于此了。
建筑中除了主体构造以外的一切构件，都属于非构造构件。在下面这个医疗建筑的例子里，非构造和内部物品占了总重置本钱的67%，而构造仅占15%。关于普通的办公或学校建筑，构造的比例会略高一些，但也差不多。
叶良浩, 曲哲*, 孙海林, 宫婷.采用不同减震构造体系的医疗建筑地震经济损失评价. 建筑构造学报. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.0393
更重要的是，现代建筑的正常运用基本离不开非构造构件。前两天一位正在居家隔离的朋友说想尝试一下断水断电三天的生活。我提示他脑补一下三天不能冲马桶的画面。
非构造构件关于建筑损伤控制的重要性，在于它们的既贵且娇。
固然早在1991年叶耀先和钮泽蓁两位前辈就出版了《非构造抗震设计》一书，但除了结构请求和定性判别之外，把各类非构造构件的地震损伤特性作为科学问题来系统地研讨，在我国恐怕是2013年芦山地震之后的事情了。
为什么不是汶川地震?由于汶川地震的构造震害太震动了，还轮不到非构造。在五年后7.0级的芦山地震中，非构造震害则异常突出，也为我国非构造构件的地震损伤控制研讨提供了珍贵的第一手材料。
经过实地调查，我们搜集了16个明框吊顶的震害并定量地统计了它们的坠板率，再分离模仿的楼面峰值加速度，拟合得到了我国吊顶的易脆性曲线。
李戚齐, 曲哲*, 解全才, 王多智.我国公共建筑中吊顶的震害特征及其易损性剖析. 工程力学, 36(7), 2019: 207-215.
但是，不断以来被作为吊顶烈度指标的楼面峰值加速度的表现不尽人意。在对数空间上，它和坠板率之间的相关性小得不幸。这种离散性可能来自空中加速度场，也可能来自对构造放大效应的假定。当然，也可能是这个指标自身有问题。
进一步的振动台实验考证了这个想法。与峰值加速度相比，特定频率下的谱加速度与坠板率的相关性愈加显著。此外，吊顶的毁坏还遭到竖向鼓励和龙骨边境条件的很大影响。可见，非构造构件的动力反响特性远比我们想象的复杂。
李戚齐.明架矿棉板吊顶的地震损伤特征研讨.中国地震局工程力学研讨所硕士学位论文,2019.
芦山地震中另一种随处可见的非构造震害是砌体填充墙的毁坏。以往关于砌体填充墙的研讨主要关注它在框架平面内对主体构造力学性能的影响，而较少关注填充墙自身的损伤及其控制。
谢贤鑫, 张令心, 曲哲*.足尺砌体填充墙在面内往复荷载作用下的易损性研讨. 建筑构造学报, 41(6), 2020: 57-65.
关于墙体自身，面内加载实验并缺乏以复现地震现场的实践震害。在上图的例子中，即便主体构造完好，填充墙也坏得一塌懵懂;但是在实验室里，1/100的层间位移也无法得到地震现场那么严重的毁坏。哪儿出了问题?
在实践地震中，填充墙总是同时遭到面内和面外两个方向的作用。面外承载力随面内损伤水平的增大而急剧降落，并且降落的幅度与墙体的高厚比有关。
QUZhe, XIEXianxin, FUHaoran, ZHANGLingxin.Effect of prior in-plane damage on the out-of-plane strength of masonry infill walls. Engineering Structures, underreview.
在震害剖析中，考不思索填充墙的面内外耦合行为可能得到截然不同的结果。足见这一行为关于精确预测填充墙的毁坏至关重要。
以上关于吊顶和砌体填充墙的两个例子均阐明，非构造构件不但品种繁多，而且动力反响和损伤特性十分复杂。基于实证数据的定量研讨，是深化了解这些特性的必经之路，也是减小非构造地震损失的千里跬步。
芦山地震之后的鲁甸地震、九寨沟地震等历次地震均不同水平地暴露了非构造震害的问题。非构造震害也逐步被国内抗震工程界的学者和工程师所熟习。除了上述非构造构件本身损伤特性的问题之外，还有楼面谱、数值剖析办法、设计办法和结构措施等诸多问题有待处理。这恐怕也是使基于性能的抗震设计更趋完善的一个重要打破口。
0回到原点，做更好的建筑
建筑地震损伤控制只是防震减灾事业里的一条溪，十二年来我们的工作又只是建筑地震损伤控制里的一滴水。上述的第一人称视角，恐怕连管窥都谈不上。但是兜兜转转十二年，当从建筑功用损失的角度回望时，竟有种回到原点的觉得。
铰支墙-框架构造固然是完成「整体可控」的二向箔，但减轻建筑非构造损失的效果恐怕一定好。由于无论是铰支墙还是BRB，都不能有效减小建筑楼面的加速度反响。
叶良浩, 曲哲*, 孙海林, 宫婷.采用不同减震构造体系的医疗建筑地震经济损失评价.建筑构造学报. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.0393
隔震也并非万能。例如，隔震在减小楼面速度反响方面的效果远不及对变形和加速度反响的抑止。关于近断层脉冲型地震动特别如此，以至会使下部楼层的速度反响反而大于抗震建筑。
其结果是，在一些状况下，隔震建筑中的速度敏感型非构造构件的损失不是远远小于，而有可能反而大于抗震建筑。
WANGFeijian, QUZhe*, HUANGYuli, SUNHailin.Seismic vulnerability of rocking-dominated contents in base-isolated buildings. Soil Dynamics & Earthquake Engineering, under review.
换句话说，当把地震损伤控制从构造中解放出来而回归建筑的本意时，新问题新应战迎面而来。它们不是唐吉诃德的风车，而是下一场灾难的隐患。
借用和田章先生就职日本建筑学会会长致辞的标题来收尾吧：
回到原点，做更好的建筑。
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