世界建筑結構設計論文

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一、捆住地震內力的結構體系

1、現行建筑結構抗震（理論）技術存在的錯誤：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構（對地球而言），即將建筑物的基礎和上部結構設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計，就不得不從結構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并直接將沖擊力傳遞給上部結構，上部結構的作用力（荷載）加上地震產生的內力又反作用于基礎，因而建筑物基礎的強度設計要求，應是地震力和上部結構反作用力的疊加。

地震破壞力是往覆水平剪切力，上部結構的反作用力是垂直于地面的。這樣兩個方向互相垂直，并處于運動沖擊狀態的作用力，在一個平面上會交了。地震破壞力以強大的往覆水平推動力，推動著（抓住）建筑物基礎做水平往覆運動，因而很容易分析，在這兩種力的會交面上，實質上形成了遠大于地震破壞力的往覆剪切力。因此，建筑物的抗震能力在插入式整體結構中是很難達到實際抗震設計要求的，現在的建筑物一般都是偏于保守的理想設計和建造，因而投資也在大大增加，即便如此，在實際的地震災害中，建筑物受破壞的程度依然是很嚴重的，進而也無法擺脫和減輕地震災害，給人民的生命和財產造成的巨大損失。

歷史的教訓足已充分說明，插入式建筑結構體系受到了嚴峻的檢驗，即似地球為相當好的慣性參考系，又將建筑物體插入地球，形成不可分割的剛體。在過去的年代，建筑物還處于低層范圍時，問題還不嚴重，而在現代化高層、重型建筑中，仍然是采用插入式剛箍捆住內力的結構，在實際的地震災害中存在著嚴重的隱患。插入式整體建筑物結構體系在正常情況下，即非地震靜止狀態，是沒有問題，而在地震災害爆發時，插入式整體建筑物體系的結構受力傳力路線明顯發生混亂，建筑結構設計的極其重要的力學原則：

（1）、不論在任何情況下，結構的傳力路線必須清楚。

（2）、以當地的最不利外界因素為設計依據，如很多地區必須考慮可能發生的最大地震破壞力。這就是說建筑物抵抗地震破壞的正確條件是：運動中建筑結構內力的傳遞必須正確、清楚。

插入式整體建筑結構在地震時，將地震破壞力直接傳遞給上部結構，使上部結構發生搖晃，由于上部結構是剛箍捆住內力的結構，因而在搖晃中產生的巨大能量沒有釋放點，而被迫返回基礎，地震又很快的不斷的沖擊建筑物的基礎，向上部結構輸送地震能量。這樣上部結構返回的作用力，同基礎傳來的地震內力發生沖撞，沖撞最厲害的集中點，就是能量集中釋放的突破點，也是結構的破壞點，通常都在基礎與上部結構的交面上，破壞的形式是剪切破壞，而整個建筑物不是倒塌就是傾斜。

目前，許多國家在高層建筑的抗震設計方案中，已經出現了新的結構，如：美國紐約的42層高層建筑物，建在于基礎分離的98個橡膠彈簧上，日本的建在弧型鋼條上防地震建筑物，前蘇聯的建在與基礎分離的沙墊層上的建筑物，以及在中國已經獲得了美國、中國和英國發明專利權的，剛柔性隔震、減震、消震建筑結構與抗震低層樓房加層結構，都十分成功的應用于工程實踐中，都明顯的在建筑結構體型上，改變了傳統的插入式剛箍捆住內力（吸收地震能量）的結構體系。總之都在建筑設計的結構方面設法擺脫在地震災害時，嚴重威脅著人們的生命安全的插入式剛箍捆住內力的結構體系。其實質都反映了對“似地球為相當好的慣性參考系”為指導理論，所制定的現行抗震硬抗、死抗地震打擊設計規范的動搖，本質上也是改變了建筑結構受力體系，而不在似地球為絕對靜止不動的慣性參考系了。

1、現行建筑結構抗震設計與地震場地效應的問題現行建筑結構的抗震設計，是根據結構力學和建筑結構設計的理論基礎而來的。結構力學和結構抗震設計規范，將地震破壞力簡化并規定為在建筑物上部結構中的水平運動力，對建筑物的水平作用力與反作用力的硬抗平衡，這一規定實質上存在著嚴重的問題和錯誤。

其一：地震爆發時，首先是大地在做往覆水平運動，由于建筑物基礎插入大地，因而必然隨大地的往覆水平運動而運動，建筑物上部結構也因此被迫運動，但是建筑物上部結構的運動形式不是水平運動（因而根本就沒有受水平的作用），而是因基礎在受地震水平力運動中，產生的運動力傳遞到上部結構，迫使上部結構沿地震受力方向，作反方向S形式傾斜擺動；

其二：地震爆發時的沖擊波只有兩個方向，而現在所有城市的建筑物的規劃設計，是根據城市的道路按東西南北方向和建設的需要各自排列的。將建筑物上部結構視為受水平運動，也只能有30%的建筑物的結構抗震設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，當地震爆發時，只有少數正好與地震沖擊波方向協調一致的建筑物不一定破壞，而大多數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產生的水平往覆沖擊剪切力，從而使基礎被沖擊破壞失去穩定后，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，而不是破壞上部建筑結構，所謂萬丈高樓從地（基）起，就是這個道理。基礎都破壞了，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，又以基礎深度的差別體現在地震沖擊波的大小上，基礎越深、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施不少（如：地下建筑、地鐵、地下大型管道等），都是構成城市地震場地效應發生互相變化的種種直接因素。現行抗震設計中，都沒有考慮地下建筑設施的自身抗震，以及對地面建筑物基礎和地基的地震場地效應所產生的嚴重問題。

2、現行建筑結構抗震樁基設計與地震場地效應的嚴重問題現行抗震設計中的樁基礎的設計有兩種類型，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，構成對上部建筑物作用力（壓力）的平衡。摩擦樁是通過樁基礎與一定深度的地基土層十分緊密的擠壓結合中產生足夠的反作用力，通過樁傳遞到地面，構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在對上部建筑物的作用力（壓力）構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成了端樁基礎的整體，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生的反作用力，構成了摩擦樁基礎的整體，也是缺一不可的。這兩種類型的樁基礎在地震爆發時，強大的地震水平往覆沖擊波，完全改變了上述狀態，使端承樁在地震沖擊波中，使端承樁的承載力發生水平往覆運動，不但失去對樁身的穩定，反而對樁身構成了往覆水平沖擊，其結果：端承樁不是破壞，就是下沉失穩。隨著端承樁的破壞和失穩，建筑物上部結構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，并且土層對樁身構成水平沖擊力，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，其上部建筑物隨之處于時刻會破壞和倒塌的危險之中。

3、現行予應力建筑結構在地震中的嚴重問題所謂予應力建筑結構，是人為的在建筑結構的主要承力構件中，對主要承力構件中混凝土施加予應力，一般是通過對結構中承力構件的鋼筋進行張拉，利用鋼筋的回彈力擠壓混凝土來實現的。根據對承力構件中鋼筋的張拉，與混凝土的先后關系，又可分為先張法和后張法兩大類。

從建筑結構中的予應力構件，到予應力結構的發展，已經有較長的時間了，在建筑結構中應用予應力構件和發展予應力結構的優勢，在很多城市的建設中，得到了較廣泛的應用。在城市建設和發展中，推廣和應用予應力構件和予應力結構，的確能起到一定的積極作用。但是，有一個十分重要的結構動力學問題需要特別注重，所謂建筑結構動力學方面的問題，也就是地震爆發時，地震沖擊波迫使建筑結構產生振動的動態反應，地震沖擊波沖擊建筑結構，使其產生的內力在結構中傳遞，而予應力構件和予應力結構的力學模型是：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）予應力構件或予應力結構在使用過程中，其構件和結構是不允許發生水平推動，振動彎曲和上下振動的。也就是說，予應力構件和予應力結構，只有在沒有任何外力的情況下，才能達到予應力構件和予應力結構設計的使用要求。因此可以定義：予應力構件和予應力結構的安全使用條件，是不能承受任何外力（尤其是地震沖擊力）的靜力使用狀態。

地震沖擊波在建筑結構中，將無情的迫使建筑結構中的所有梁、柱、板、墻體等受力構件發生變形，即地震沖擊力能完全改變予應力構件和予應力結構的兩端邊界條件，使其構件和結構中的予應力償失。任何在使用中的予應力構件和予應力結構，當予應力衰退和償失后，其構件和結構必然破壞。因此，在地震設防城市的建設中，是不能使用予應力構件和予應力結構的。但是，現在許多城市的建設中都使用了予應力結構，這是十分危險的。因此，應盡快在地震爆發之前，采取補救措施，否則，后果一定是十分嚴重的。

綜上所述，現行世界各國所實行的建筑結構體系，是與地震沖擊波相對抗、硬抗（死抗）的捆住地震內力的結構體系。從結構動態平衡的根本原理來分析，這種與地震力相對抗的結構體系的靜態平衡在地震中完全破壞了。也就是說，現行的建筑結構體系，只能滿足靜態（無地震沖擊波）狀況下的作用力與反作用力的平衡。當地震爆發時，建筑結構內力的靜態平衡被破壞了。這就是現行建筑結構體系抵抗不了地震沖擊破壞的根本原因所在。現行建筑結構的抗震設計，只是加大了建筑結構的剛變，使其增加了對地震沖擊力的對抗力（死抗力），沒有從結構動態平衡的基礎上去尋求，建筑結構與地震沖擊波的動態平衡，建立一個與地震內力相適應（不是相違背）的“釋放地震內力的建筑結構動態平衡體系”。

總之，幾百年來，人類所推行的靜態（加大剛度）的建筑結構體系，違背了地球地震的客觀規律。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展下去，就得從根本上解決適應地球地震客觀規律的建筑結構體系。因此，一種與地震力相適應的“釋放地震內力的建筑結構動態平衡體系”的動態平衡的力學理論的建立，并制定新的建筑結構釋放地震沖擊波的設計標準（在也不是對抗的標準），將是人類發展的方向和目標。

二、釋放地震內力的建筑結構體系1、釋放地震內力建筑結構體系的理論基礎我們從現代地球物理學家關于地球板快運動理論的力學分析中，以及對地震客觀規律的不斷揭示，更進一步對地球的認識，有了新的力學見解，我們認為地球是一個在運動中自身求得內力平衡的結構體系，它有兩個階段的運動規律：

（1）、地球內力的平衡階段：地球結構體，在自轉和圍繞太陽周轉運動的過程中，所產生的內力，在平衡階段，地表運動處于內力平衡，地球運動處于靜止狀態，此階段可似地球為慣性參考系階段。

（2）、地球結構體系處于內力平衡階段后，其內力仍然在不斷的增加，而地球結構體不能承受日益增大的內力，而在運動中，通過地球板快的運動，地震和火山等形式釋放出來，以求得新的內力平衡，這個階段是地表的活躍階段。其不斷增加的內力將在地球內力集中點釋放出來，此階段可似為非慣性參考階段。地球內力平衡過程中的這兩個階段，在地球內部不斷循環下去，形成了地球生態平衡的必然規律。

人類是在地球生態的環境中生存的，因此，人類必須遵循地球生態環境中的各種自然規律去發展。從人們開始認識到對過去認識的不足，即理論上的不足和錯誤，又不斷的在生活實踐中，提高了對地球生態環境的認識，進而不斷的揭示自然規律，掌握和運用規律為現代人類和將來造福。應該明確的指出，人類對地球認識的提高和深化，其指導人類如何適應地球生態的科學理論，也就隨之進入了更高的階段。

2、釋放地震內力建筑結構體系新技術的應用：已經獲得中國、美國和英國發明專利權的新技術“建筑物抗震減震裝置”、“建筑物消震裝置”和“高層建筑隔震消能裝置”完全改變了傳統的插入式剛箍捆住地震內力的建筑結構體系，將建筑物整體有機的隔離成兩個受力體系，這樣地震破壞力的傳遞媒介改變了，由直接傳遞轉化為間接傳遞。不言而喻，“建筑物抗震減震裝置”將大大減少地震對上部結構的沖擊，反之，上部結構對基礎的作用力也大大減小。

新技術的設計依據是以柔克剛的動態平衡原理，該技術的主要特點是：能十分有效的大大減弱地震災害對建筑物的打擊破壞。目前，發展中國家和發達國家的科學家們在研究抵抗地震災害方面，都從過去只是單純考慮建筑結構加大剛度的硬抗（死抗）方式，而向建筑結構隔震減震的方面發展了。原因十分清楚，過去幾百年來建筑物硬抗地震災害方法的不斷失敗，告訴和啟發人們要尋求一種適應地震客觀規律的抗震方式。用一句通俗的話來講，以柔克剛，才能達到建筑物在地震沖擊中的動態平衡，而不被破壞，反之，以硬抗來對抗地震的打擊，即以剛克剛設計的建筑物是根本抵抗不了地震的打擊的。因為人們設計建筑物的剛度，不可能達到（保證）比地震破壞力還要大得多的程度。否則現代的專家們去研究建筑物的消震、隔震與減震，不就失去意義了嗎？

“建筑物消震裝置”發明專利技術，就是要從根本上解決地震爆發時對建筑物基礎的安全保護，其形式是沿建筑物四周一定距離內，在基礎底面到地面的位置，設置“建筑物消震裝置”，該裝置的作用是從任一方向完全切斷地震波沖擊基礎的傳力路線，使基礎處于安全保護之中，基礎都安全了，上部建筑自然也就安全了。如果是高層建筑，還要結合采用另一項“建筑物抗震減震裝置”發明專利技術，將更加有效的保護高層建筑的安全使用。該技術還可以用于50—80年代舊建筑物的消震保護，特別是對大會堂、大禮堂、展覽館、影劇院等，對無法抗震加固的大型建筑和古建筑的消震保護是十分有效的。該發明專利技術是在不影響舊建筑物的繼續使用，不用搬遷的情況進行，比常規抗震加固安全，還節省40%左右的投資，用于新建筑中，比常規設計節省20%左右，并能完全達到地震設防要求。該專利技術已經成功的應用于中央黨校、國務院二招等舊建筑的加高和消震減震工程中。創新科技經評審已列為中國北京市重大科技成果推廣計劃，國家科委成果辦發文向全國推廣，中央電視一臺、二臺、十臺均新聞和專題報道。

“建筑物抗震減震裝置”和“建筑物消震裝置”完全適應于新建筑結構，也適應于使用中的已建成的建筑結構的抗震、減震和消震措施。即適用于工業和民用建筑、鐵路橋梁和公路橋梁、塔式和倒擺式結構、大型水庫的大壩以及地面和地下的建筑物。地震給人類造成的災害，使人類越來越清醒的認識到，科學技術的不斷發展是人類在地球生態環境中生存和發展的需要，人類為了更好的在地球生態環境中生存和發展下去，就必須不斷的認識地球的生態環境及自然規律，不斷的提高科學理論和更先進的技術水平，使人類建造的、賴以生存和發展的建筑物適應地震破壞力的能力不斷增強，以減免地震災害時人民的生命和財產的巨大損失。