论世界建筑结构抗震设计力学理论的严重错误

一、捆住地震内力的结构体系

1、现行建筑结构抗震(理论)技术存在的错误:世界各国采用的抵抗地震破坏的建筑物体的基本类型,都是以吸收地震能量为主的插入式整体结构(对地球而言),即将建筑物的基础和上部结构设计为绝对不可分割的刚体插入地球,因而建筑物抵抗地震破坏力的受力分析和设计,就不得不从结构整体考虑建筑物的抗震性能,地震破坏力是通过土层和岩石冲击建筑物的基础并直接将冲击力传递给上部结构,上部结构的作用力(荷载)加上地震产生的内力又反作用于基础,因而建筑物基础的强度设计要求,应是地震力和上部结构反作用力的叠加。

地震破坏力是往覆水平剪切力,上部结构的反作用力是垂直于地面的。这样两个方向互相垂直,并处于运动冲击状态的作用力,在一个平面上会交了。地震破坏力以强大的往覆水平推动力,推动着(抓住)建筑物基础做水平往覆运动,因而很容易分析,在这两种力的会交面上,实质上形成了远大于地震破坏力的往覆剪切力。因此,建筑物的抗震能力在插入式整体结构中是很难达到实际抗震设计要求的,现在的建筑物一般都是偏于保守的理想设计和建造,因而投资也在大大增加,即便如此,在实际的地震灾害中,建筑物受破坏的程度依然是很严重的,进而也无法摆脱和减轻地震灾害,给人民的生命和财产造成的巨大损失。

历史的教训足已充分说明,插入式建筑结构体系受到了严峻的检验,即似地球为相当好的惯性参考系,又将建筑物体插入地球,形成不可分割的刚体。在过去的年代,建筑物还处于低层范围时,问题还不严重,而在现代化高层、重型建筑中,仍然是采用插入式刚箍捆住内力的结构,在实际的地震灾害中存在着严重的隐患。插入式整体建筑物结构体系在正常情况下,即非地震静止状态,是没有问题,而在地震灾害爆发时,插入式整体建筑物体系的结构受力传力路线明显发生混乱,建筑结构设计的极其重要的力学原则:

(1)、不论在任何情况下,结构的传力路线必须清楚。

(2)、以当地的最不利外界因素为设计依据,如很多地区必须考虑可能发生的最大地震破坏力。这就是说建筑物抵抗地震破坏的正确条件是:运动中建筑结构内力的传递必须正确、清楚。

插入式整体建筑结构在地震时,将地震破坏力直接传递给上部结构,使上部结构发生摇晃,由于上部结构是刚箍捆住内力的结构,因而在摇晃中产生的巨大能量没有释放点,而被迫返回基础,地震又很快的不断的冲击建筑物的基础,向上部结构输送地震能量。这样上部结构返回的作用力,同基础传来的地震内力发生冲撞,冲撞最厉害的集中点,就是能量集中释放的突破点,也是结构的破坏点,通常都在基础与上部结构的交面上,破坏的形式是剪切破坏,而整个建筑物不是倒塌就是倾斜。

目前,许多国家在高层建筑的抗震设计方案中,已经出现了新的结构,如:美国纽约的42层高层建筑物,建在于基础分离的98个橡胶弹簧上,日本的建在弧型钢条上防地震建筑物,前苏联的建在与基础分离的沙垫层上的建筑物,以及在中国已经获得了美国、中国和英国发明专利权的,刚柔性隔震、减震、消震建筑结构与抗震低层楼房加层结构,都十分成功的应用于工程实践中,都明显的在建筑结构体型上,改变了传统的插入式刚箍捆住内力(吸收地震能量)的结构体系。总之都在建筑设计的结构方面设法摆脱在地震灾害时,严重威胁着人们的生命安全的插入式刚箍捆住内力的结构体系。其实质都反映了对“似地球为相当好的惯性参考系”为指导理论,所制定的现行抗震硬抗、死抗地震打击设计规范的动摇,本质上也是改变了建筑结构受力体系,而不在似地球为绝对静止不动的惯性参考系了。

1、现行建筑结构抗震设计与地震场地效应的问题

现行建筑结构的抗震设计,是根据结构力学和建筑结构设计的理论基础而来的。结构力学和结构抗震设计规范,将地震破坏力简化并规定为在建筑物上部结构中的水平运动力,对建筑物的水平作用力与反作用力的硬抗平衡,这一规定实质上存在着严重的问题和错误。

其一:地震爆发时,首先是大地在做往覆水平运动,由于建筑物基础插入大地,因而必然随大地的往覆水平运动而运动,建筑物上部结构也因此被迫运动,但是建筑物上部结构的运动形式不是水平运动(因而根本就没有受水平的作用),而是因基础在受地震水平力运动中,产生的运动力传递到上部结构,迫使上部结构沿地震受力方向,作反方向S形式倾斜摆动;

其二:地震爆发时的冲击波只有两个方向,而现在所有城市的建筑物的规划设计,是根据城市的道路按东西南北方向和建设的需要各自排列的。将建筑物上部结构视为受水平运动,也只能有30%的建筑物的结构抗震设计受力方向与地震冲击波受力方向相同,而70%的建筑物的抗震设计受力方向与实际地震冲击波的冲击方向,处于非常不利的位置,当地震爆发时,只有少数正好与地震冲击波方向协调一致的建筑物不一定破坏,而大多数与地震冲击波方向不一致的建筑物,自然就很难逃脱地震冲击破坏倒塌的后果。地震对建筑物的冲击破坏,主要是对建筑物基础产生的水平往覆冲击剪切力,从而使基础被冲击破坏失去稳定后,造成上部建筑物的破坏和倒塌,地震冲击波首先是破坏了基础,而不是破坏上部建筑结构,所谓万丈高楼从地(基)起,就是这个道理。基础都破坏了,上部建筑自然就保不住了;

其三:城市中建筑物的类型是多种多样的,主要反映在超高层、高层、多层和轻重型建筑之分,而这些不同类型的建筑,又以基础深度的差别体现在地震冲击波的大小上,基础越深、越大,受地震冲击波的冲击自然很大,在加上城市地下建筑设施不少(如:地下建筑、地铁、地下大型管道等),都是构成城市地震场地效应发生互相变化的种种直接因素。现行抗震设计中,都没有考虑地下建筑设施的自身抗震,以及对地面建筑物基础和地基的地震场地效应所产生的严重问题。

2、现行建筑结构抗震桩基设计与地震场地效应的严重问题

现行抗震设计中的桩基础的设计有两种类型,一种是端承桩类型,另一种是摩擦桩类型。端承桩是将深层的地基反作用力通过桩传递给地面,构成对上部建筑物作用力(压力)的平衡。摩擦桩是通过桩基础与一定深度的地基土层十分紧密的挤压结合中产生足够的反作用力,通过桩传递到地面,构成对上部建筑物的作用力(压力)的平衡。这里必须指出的是,这两种类型的桩基础在对上部建筑物的作用力(压力)构成平衡的充分条件是:静力荷载,即在没有外力的作用下成立的。

在端承桩中,端桩是反作用力的顶点,桩身是传递反作用力的通道,桩身四周的土层是给桩身起到了极其重要的稳定作用,由此,可以定义:桩端的承载力,桩身的强度是和桩身四周的土层构成了端桩基础的整体,缺一不可。

在摩擦桩中,桩身的强度与桩身四周土层紧密挤压所产生的反作用力,构成了摩擦桩基础的整体,也是缺一不可的。这两种类型的桩基础在地震爆发时,强大的地震水平往覆冲击波,完全改变了上述状态,使端承桩在地震冲击波中,使端承桩的承载力发生水平往覆运动,不但失去对桩身的稳定,反而对桩身构成了往覆水平冲击,其结果:端承桩不是破坏,就是下沉失稳。随着端承桩的破坏和失稳,建筑物上部结构自然也就处于破坏倒塌的危险境地,而摩擦桩的危险就来的更快了,地震冲击波迫使摩擦桩桩身必须与四周土层与桩基松开,失去摩擦桩身必须与四周土层紧密挤压的必要条件,并且土层对桩身构成水平冲击力,随着摩擦桩中四周土层与桩身摩擦力的解除和改变,桩不是破坏就是失稳,其上部建筑物随之处于时刻会破坏和倒塌的危险之中。

3、现行予应力建筑结构在地震中的严重问题

所谓予应力建筑结构,是人为的在建筑结构的主要承力构件中,对主要承力构件中混凝土施加予应力,一般是通过对结构中承力构件的钢筋进行张拉,利用钢筋的回弹力挤压混凝土来实现的。根据对承力构件中钢筋的张拉,与混凝土的先后关系,又可分为先张法和后张法两大类。

从建筑结构中的予应力构件,到予应力结构的发展,已经有较长的时间了,在建筑结构中应用予应力构件和发展予应力结构的优势,在很多城市的建设中,得到了较广泛的应用。在城市建设和发展中,推广和应用予应力构件和予应力结构,的确能起到一定的积极作用。但是,有一个十分重要的结构动力学问题需要特别注重,所谓建筑结构动力学方面的问题,也就是地震爆发时,地震冲击波迫使建筑结构产生振动的动态反应,地震冲击波冲击建筑结构,使其产生的内力在结构中传递,而予应力构件和予应力结构的力学模型是:1)予应力张拉两端的固端成支座,是不允许有任何改变的;2)予应力构件或予应力结构在使用过程中,其构件和结构是不允许发生水平推动,振动弯曲和上下振动的。也就是说,予应力构件和予应力结构,只有在没有任何外力的情况下,才能达到予应力构件和予应力结构设计的使用要求。因此可以定义:予应力构件和予应力结构的安全使用条件,是不能承受任何外力(尤其是地震冲击力)的静力使用状态。

地震冲击波在建筑结构中,将无情的迫使建筑结构中的所有梁、柱、板、墙体等受力构件发生变形,即地震冲击力能完全改变予应力构件和予应力结构的两端边界条件,使其构件和结构中的予应力偿失。任何在使用中的予应力构件和予应力结构,当予应力衰退和偿失后,其构件和结构必然破坏。因此,在地震设防城市的建设中,是不能使用予应力构件和予应力结构的。但是,现在许多城市的建设中都使用了予应力结构,这是十分危险的。因此,应尽快在地震爆发之前,采取补救措施,否则,后果一定是十分严重的。

综上所述,现行世界各国所实行的建筑结构体系,是与地震冲击波相对抗、硬抗(死抗)的捆住地震内力的结构体系。从结构动态平衡的根本原理来分析,这种与地震力相对抗的结构体系的静态平衡在地震中完全破坏了。也就是说,现行的建筑结构体系,只能满足静态(无地震冲击波)状况下的作用力与反作用力的平衡。当地震爆发时,建筑结构内力的静态平衡被破坏了。这就是现行建筑结构体

系抵抗不了地震冲击破坏的根本原因所在。现行建筑结构的抗震设计,只是加大了建筑结构的刚变,使其增加了对地震冲击力的对抗力(死抗力),没有从结构动态平衡的基础上去寻求,建筑结构与地震冲击波的动态平衡,建立一个与地震内力相适应(不是相违背)的“释放地震内力的建筑结构动态平衡体系”。

总之,几百年来,人类所推行的静态(加大刚度)的建筑结构体系,违背了地球地震的客观规律。因此,给人类自己造成了巨大的灾难。人类为了在地球上更好的生存和发展下去,就得从根本上解决适应地球地震客观规律的建筑结构体系。因此,一种与地震力相适应的“释放地震内力的建筑结构动态平衡体系”的动态平衡的力学理论的建立,并制定新的建筑结构释放地震冲击波的设计标准(在也不是对抗的标准),将是人类发展的方向和目标。

二、释放地震内力的建筑结构体系

1、释放地震内力建筑结构体系的理论基础

我们从现代地球物理学家关于地球板快运动理论的力学分析中,以及对地震客观规律的不断揭示,更进一步对地球的认识,有了新的力学见解,我们认为地球是一个在运动中自身求得内力平衡的结构体系,它有两个阶段的运动规律:

(1)、地球内力的平衡阶段:地球结构体,在自转和围绕太阳周转运动的过程中,所产生的内力,在平衡阶段,地表运动处于内力平衡,地球运动处于静止状态,此阶段可似地球为惯性参考系阶段。

(2)、地球结构体系处于内力平衡阶段后,其内力仍然在不断的增加,而地球结构体不能承受日益增大的内力,而在运动中,通过地球板快的运动,地震和火山等形式释放出来,以求得新的内力平衡,这个阶段是地表的活跃阶段。其不断增加的内力将在地球内力集中点释放出来,此阶段可似为非惯性参考阶段。地球内力平衡过程中的这两个阶段,在地球内部不断循环下去,形成了地球生态平衡的必然规律。

人类是在地球生态的环境中生存的,因此,人类必须遵循地球生态环境中的各种自然规律去发展。从人们开始认识到对过去认识的不足,即理论上的不足和错误,又不断的在生活实践中,提高了对地球生态环境的认识,进而不断的揭示自然规律,掌握和运用规律为现代人类和将来造福。应该明确的指出,人类对地球认识的提高和深化,其指导人类如何适应地球生态的科学理论,也就随之进入了更高的阶段。

2、释放地震内力建筑结构体系新技术的应用:

已经获得中国、美国和英国发明专利权的新技术“建筑物抗震减震装置”、“建筑物消震装置”和“高层建筑隔震消能装置”完全改变了传统的插入式刚箍捆住地震内力的建筑结构体系,将建筑物整体有机的隔离成两个受力体系,这样地震破坏力的传递媒介改变了,由直接传递转化为间接传递。不言而喻,“建筑物抗震减震装置”将大大减少地震对上部结构的冲击,反之,上部结构对基础的作用力也大大减小。

新技术的设计依据是以柔克刚的动态平衡原理,该技术的主要特点是:能十分有效的大大减弱地震灾害对建筑物的打击破坏。目前,发展中国家和发达国家的科学家们在研究抵抗地震灾害方面,都从过去只是单纯考虑建筑结构加大刚度的硬抗(死抗)方式,而向建筑结构隔震减震的方面发展了。原因十分清楚,过去几百年来建筑物硬抗地震灾害方法的不断失败,告诉和启发人们要寻求一种适应地震客观规律的抗震方式。用一句通俗的话来讲,以柔克刚,才能达到建筑物在地震冲击中的动态平衡,而不被破坏,反之,以硬抗来对抗地震的打击,即以刚克刚设计的建筑物是根本抵抗不了地震的打击的。因为人们设计建筑物的刚度,不可能达到(保证)比地震破坏力还要大得多的程度。否则现代的专家们去研究建筑物的消震、隔震与减震,不就失去意义了吗?

“建筑物消震装置”发明专利技术,就是要从根本上解决地震爆发时对建筑物基础的安全保护,其形式是沿建筑物四周一定距离内,在基础底面到地面的位置,设置“建筑物消震装置”,该装置的作用是从任一方向完全切断地震波冲击基础的传力路线,使基础处于安全保护之中,基础都安全了,上部建筑自然也就安全了。如果是高层建筑,还要结合采用另一项“建筑物抗震减震装置”发明专利技术,将更加有效的保护高层建筑的安全使用。该技术还可以用于50—80年代旧建筑物的消震保护,特别是对大会堂、大礼堂、展览馆、影剧院等,对无法抗震加固的大型建筑和古建筑的消震保护是十分有效的。该发明专利技术是在不影响旧建筑物的继续使用,不用搬迁的情况进行,比常规抗震加固安全,还节省40%左右的投资,用于新建筑中,比常规设计节省20%左右,并能完全达到地震设防要求。该专利技术已经成功的应用于中央党校、国务院二招等旧建筑的加高和消震减震工程中。创新科技经评审已列为中国北京市重大科技成果推广计划,国家科委成果办发文向全国推广,中央电视一台、二台、十台均新闻和专题报道。

“建筑物抗震减震装置”和“建筑物消震装置”完全适应于新建筑结构,也适应于使用中的已建成的建筑结构的抗震、减震和消震措施。即适用于工业和民用建筑、铁路桥梁和公路桥梁、塔式和倒摆式结构、大型水库的大坝以及地面和地

下的建筑物。地震给人类造成的灾害,使人类越来越清醒的认识到,科学技术的不断发展是人类在地球生态环境中生存和发展的需要,人类为了更好的在地球生态环境中生存和发展下去,就必须不断的认识地球的生态环境及自然规律,不断的提高科学理论和更先进的技术水平,使人类建造的、赖以生存和发展的建筑物适应地震破坏力的能力不断增强,以减免地震灾害时人民的生命和财产的巨大损失。