第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 用华夏古建墩柱技巧实现抗风隔震 结构设计的探讨 （兼论地震中底层强柱弱梁的不可能性） 李豪邦 （中国建筑东北设计研究院沈阳110006）) 提要：本文从国内外震害实例、框架结构底层柱破坏的特点，思辨、推算分析认定：结构的抗震设计必须考虑震时 的地面震动位移、该位移对柱（墙）生成的内力影响极其严重、震害中底层柱（境）的破坏皆与此位移有关.
该 位移对梁的应力影响很小、因而要求强柱弱梁--破坏先从梁起始的局面无法实现.
在当今善遍缺失可摆脱地面位移 对结构破坏的情况下，本文借鉴我国华夏古建中立柱做法，通过对撞击的进一层认识，提出在砼结构中运用具有可变 柱头及高径比受计算限制的柱：承静载为墩、抗风时为项底具有摇移较的斜压柱及强震时随了上下端外周稀筋砼环部 的破裂瞬间进入可隔震的近似摆柱状态，从而起到隔震作用.
关键词：震时地面动位移、冲撞.
隔震、增柱构架、摇移铰接柱.
1、结构抗震是一项涉及面广有难度的艰涩课题 目前抗震的算法是从等代静力计算入手发展成为当下的振型分解反应谱理论，此种计算能真实反应震时 结构的力学行为吗.
地震在极短时间内以其晃（水平地震）、颠（竖向地震）、沉（扰动地基形成不均下沉） 造成极大范围的破坏，这在力学上是有其独特的有别与静力作为的特征.
对地球上全面震情可从以下资讯“ 中看出.
①地球每年发生地震约500万次，其中人能感受到的5万次，7级以上的地震约20次，8级以上的1次.
我国从1949年以来发生7级以上的49次，8级两次.
②我国大陆由于受印度板块楔入欧亚大陆，形成青藏高原隆升，并侧向扩张.
生成诸多活的断裂、活的 褶皱、活的盆地，它们活动的速率多是每年几毫米到十多毫米（南美智利有达90毫米），活动中与邻部在边 界处强烈对抗，在能量集聚到相当大时，以冲撞、撕裂、错动状态出现逆断、正断、走滑断等断裂形成强震.
正由于此使我国发生的地震约占全球陆地地震的1/3.
使我国在建筑设计中要求设防到7度及其以上的地区 面积占了全国土地面积的41.4%，而其中不少大城市是划归在8度区内.
③从单例来看，发生于2008.5.12日的汶川地震是先后接续了四处地应力超高集聚点（汶川、彭州、北 川、青川）在先后90秒内接连释放能量，形成了长300多公里，厚约20公里的断裂.
它造成烈度达11度的 面积有2419km、10度区3144km、9度区7738km、8度区27788km、7度区84449km、6度区314906km.
其 中汶川游口镇曾由于逆断摩挤喷涌出岩屑与石块400万m，将2000m长的山谷填平.
可以想象、汶川地震中 接连四个超高应力集聚处先后释放能量，中间有隔，每处地震也就十多秒，在如此短时间内竞运用震波无形 手法，无隙地连续冲撞构成对地表及地面以上一切设施的强力震撼及至破坏，大到山崩地裂、小到桥断房塌、 铁路钢轨弯变，甚至将或走或站的人摔倒.
其完成破坏工作的量值是远非常规所见的力、动力，即使尽力扩 大作为，也是无可比拟的.
仿佛在那瞬间一切的动力、静力作为由于相比之下量级太小，就似乎自然完全失 效，退让给突发无形无隙的连续高速冲撞并生成有别于常规形变的畸变.
然面当今在计算建筑结构于地震极 短瞬间出现的内力时，却只是依据于常规，习用的加速度乘质量等于力的基本公式加入考虑频率的影响扩大 作者黄介：李章邦（1930.5），男，教授级高工
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 后施之于结构框架中.
按静力学理论中平衡与变形协调规则最终求得杆件的轴力、弯矩剪力等内力值：全与 瞬间发生的冲撞特征无关：这从力性感认知判断角度来看，把结构在静力作用下的全局各杆都应变与冲撞作 用时的个别件局部畸变等同看待，这是否合适，颇令人怀疑.
若从一些有关文献报道来看震灾中是存在不少 设计的）遭到严重破坏使其拆了重建.
而我国多次地震对一些古建筑（如唐山1976地震时的萄县独乐寺观音 阁、1975年辽宁海城地震时海城原山西会馆及该地文化馆内的古建“、1974云南大关地震时木构古建） 虽然是简单支搭，无撑无墙，感觉上抗力薄弱，却是无损地经受住了强震的考验.
看来地震使建筑破坏的根 由还是具有有待人们深入探究的空间.
2、必须重视地震作用时地面动位移对结构生成的严重影响 从一次地震来看，在地震瞬间释放的巨大能量中，一部分能量会形成为波，这种携带巨大能量的， 不论纵波、横波及次生的面波，会伴有反射、折射地向四周扩散、传播.
在传播中这些波的强度及部分特性 （位移量、持时值）会随传距的加长出现减弱变化，而处于不同地质地貌的地域也会有差异.
甚至断裂带两 侧、上下盘区的震灾轻重情况也会有明显不同.
这些携带了巨大能量的波，遇了建筑之后就会通过基础向上 反映出波所携带地面震动位移能量、加速度能量对上部结构各部分生成作用影响.
从当前依据国家规范进行抗震设计计算来看，特别是采用时程计算法，要求选用实际强震记录的加速度 时程曲线，其加速度最大值按规范GB50011表5.1.2-2依据设防烈度及计算多遇地震或罕遇地震的不同，取 用规定的值来进行计算.
这在考虑地震的加速度影响力方面是充分面又细致的.
但须认清此项计算未涉及震 时的地面动位移（即地面来回晃动的幅值，此值在ELCentro曾测得的是213.4mm，）.从人们对作用力传 递的常规力性感认知来说，地震作用由基础传给上部结构是必须首先通过底层的柱（墙）而上传.
底层柱墙 是首当其冲的关卡.
对此，我们可以设想，当地面位移波初来时，柱底会是随了地面出现位移，但此时上部 结构由于具有很大质量的情性，不能随着柱底产生瞬间移动，这就使底层柱形成了处于图1所示的受力不利 状态.
今简化近似地视柱顶底端为嵌固，计算可知柱的顶底端弯矩M值为 H² （1) 式中」为柱的截面惯性矩.
今取柱为周边对称配筋，全部纵筋的配率p按 GB50010-2012第9.3.1条规定取最大值为5%，考虑全周匀配、单侧p=1.5%，配筋用 HRB335，强度设计值f_300N/mm”.
今取柱截面为正方形，边长为b".
今更概略地假设柱 所承担的轴力N全由砼承受，而柱承担的弯矩M（强度与变形）则由对称的两边配筋承 受，由此知M及与生成相关的J值如下 M=0. 015b² × 300 × (b70) =4. 5 b² (b70) CD b-70 AP J= ∫ x²dA=0. 015 b² ( )²×2=0. 0075 b² (b70) * 2 将上式代入（1）可知 图1 =MH² =4.5b²(b - 70) × H² =100H²= H² 今分别取b等于400"、500°、600"、700"、800及H等于4000"、5000"、6000代入式（2）计算，可得△ 值如下 表1 当b值为： 400 500 600 00 800 当日值为4000时 24.2 18.6" 15. 1 12.7* 10. 9
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 当H值为5000时 37.929. 1 23.6 19. 8 17. 1" 当H值为6000时 54.541. 833. 928.6 24. 6 上表中值是柱在最大配筋情况下，柱端承受弯矩尚属弹性工作时允许的柱底最大位移.
这样一般看来，允许的地面位移也就不过是2～3厘米.
以此值与1940.5.18EL.Centro测得的地面位移 u=8.4=213.4（图2），二者相比说明：地震时底层柱 端的严重破损应是与震时的地面动位移相关.
这在汶川 震灾中如图3所示是多有所见.
图2 如何应对地面动位移对楼体底层柱生成的影响，这从式 (2)计算的数据表1来看：改小柱截面是有利、加大柱高 也好，但这两种手段都与上部结构的承重所需是直接矛 盾，不能允许：而式（2）计算用的配筋率又是规范规定 的最高值，不允再大，这里形成了关卡.
可想象得出， （b）底层杆上下编出校（0）底层柱上下端出段 图2汶川地震中概架结构柱机构 人们从地震时站立不稳的角度是很容易觉察出地震存在 动位移，只是长期以来业内人士，也包括西方专攻结构 抗震的科学家们始终拿不出令人放心的简便妥善办法： 图3 致使长期以来，就如何对待地面动位移问题，对前辈人士成了一个无奈的“禁区”、无法跨越.
这从抗震规 范的制定、设防也最高到9度（似乎是9度时不存在明显的地面位移）.
无法进入10度，11度境地即明显看 出.
若从地面位移角度深究GB50011-2010表5.1.5-2中所列罕遇地震计算给的加速度最大值8度时400（510） cm/s²，9度时620cm/s²，以此对照E1.CenTro于1940.5.18记录的加速度为0.312g=315cm/s²，其对 应地面动位移为213.4mm（图2）就看出罕遇计算是完全忽略了地面动位移的实际存在，这显示出对罕遇地震 的计算会是全无实际意义.
地面位移是门坎，不过门坎就入不了内.
在解决“禁区”这一问题上，起作用的 是国人对我国华夏古建的典型之一，应县木塔，进行内力分析过程中，逐步悟知的.
应塔总高67”、属木构 高层古建、曾经受过五次地震、6度的3次、7度的1次、7~8度的1次、但塔顶9高的刹杆丝毫未动、通 过以力性感认知为基础的思辨推理计算、完全证实运用古建中常见的墩柱、底端平坐础石上、顶端搭梁，只 要是高径比经计算取用的合适，即可解决地面动位移生成的难题.
相对于古哲匠师妥帖运用墩柱、显得当今 人悟觉似嫌太过迟缓、究其原由是源于行业的主导技术惯性.
当我们的先人造出了水泥之后、他们结合运用 钢材、逐步创造出钢筋砼框架、在完善中、先辈们对框架的成就是十分崇拜、以致形成了业内人士脑海中的 思维定势.
在这种自感自身持有科学理论的心态下、是看不到群山中有着诸多飞来峰、磐陀石以其罕见的奇 险状态度过了千万年来的沧桑巨变：对我们祖先建造已经历数百、上千年华夏木构古建的承载能力、当今先 辈工程师、学者也是以居高临下的心态、视其为工匠所作没学间，不屑做深刻的理论探究，必要表态时、随 意说点理由、含糊其辞.
至于到了更近时期、对这一局面起重要影响的直接作用则是最近三十多年来学界人 士多是据了手笔、全用电脑处理设计与研究.
致使人们生成了依赖电脑，缺失了人脑在技术上深追细究的独 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 立思考能力.
而今，我们要认清墩柱之所以能解决地面动位移问题的机理.
这就须从地面动位移的特征、引 发对结构破坏的过程、墩柱的特点、一步步从相关事例实际中仔细观察从情感知觉层面上认知.
仔细对照图 2中上行的加速度曲线与底行的动位移曲线、可看出在地震中动位移是随同一系列高速的抖动形成的，动位 移自身的周期相对于抖动着的加速度周期要长很多，这正符合于人们立、走不稳会摔倒、柳树树梢左右摇摆 扫地反映出的特征.
图2底行显示出地面相对于原本静止位置是首先向移侧移动了8.4in的最大位移.
但迅 即向回摆动接近原位，甚至越过原位而后再出现向移侧的摆动、这样的循环摆动就是在急速抖动中进行着近 似简谐运动（即地面晃动）.
其最终的停位会是比原位有向移侧的移动，但其移动的量会是比最大动位移8.4in 明显为小.
我们用这种左右连续摆动的位移观点，通过逐步分解来观测分析载于《5.12汶川地震生命线系统震害 该桥墩与顶上梁是连续整浇一体（图4）.
从图中可看出，桥墩柱高径比颇小，柱较 为壮实.
上图中柱箍筋尚未完全失效，下图箍筋则断裂，柱顶压酥的高度约为柱直 径的1.5倍，但上部桥梁看不出有明显破坏.
桥梁未塌落地面是由破坏后墩柱顶钢 筋笼内的碎砼块堆撰支持，这说明桥墩柱所受压力不大，桥墩柱头的破坏非上部压 重所致.
对此人行桥下与梁整浇一体的柱，从当今结构规则可视为单质点结构、按 国家标准GB50011进行计算是无论如何也算不出梁不坏而柱却有着如此巨大、能使 柱损坏到如此程度的内力.
但从深厚广泛的力性感认知：高速撞击会使构件出现畸 变的角度来观测地震动位移生成的结果，则可对问题看清.
在柱底出现动位移时， 柱顶所受力为最大，而该处传力件是柱上段的顶面、受力件是位于柱顶的左右梁.
由于梁的相接面积大，且梁底配置的粗筋比较多，故与柱头相比显然柱头是薄弱环 节会首先遭到破坏.
对此破坏过程细分步骤来说应是如下 图 4 （1）当地震位移首波来临，柱底随动时，柱顶由于存在巨大质量的情性，是基本处于静止状态，此时柱 的变形如图1所示.
随了柱的变形，似乎图1中的AB线应呈现微量倾斜趋势：但分析来看，此趋势是必须通 过柱中受拉侧钢筋伸入梁内段的弹性甚至塑性伸长的微量变形、借助筋侧与砼中水泥浆的握裹力，再经过与 骨料间的一步步传递、经过较长的间接路线、生成诸多变形后到达于梁筋使其变形后才能实现.
然而地震时 每个震动的时间极短，来不及等待柱梁钢筋间的传力过程，这就使得梁柱间弯矩的传递是不同于剪力，轴力 的传递，其间存在有效性问题，须设效应系数.
今若参照枪弹打玻璃是只穿孔而不裂、推究其理是玻璃的支 座反力因变形缓慢而来不及生成.
依此而论，地震时底层柱向梁传递因地面动位移出现的“弯矩”时，其传 递的效应系数应为零才合适.
这反映出地震时框架结构的首层梁是不承受竖重之外因地面水平向动位移出现 的弯矩值.
（2）单分析柱来看，当地震位移首波来临，此时的柱由于其顶 底端配筋量相对于地面位移引生“图1弯矩”所需是不够，故图1 点A处外表面会出现望性变形，在A点下出现多道明显的水平裂缝： 而表面内、因水泥中早已存在的干缩应力及脆性会引发借助钢筋受 拉变形时的伸长、形成扩展连续的内部竖、斜细微裂纹.
此时柱项 的B点处，砼是经受有可能超限的压，但由于竖立筋及箍筋的存在， 是可以无损地适应.
图 5 （3）当紧随首次正向波过后的反向首波来临时、对位于B处一侧受拉区出现的状况是与正向首波时的A 点处状况基本相同.
但对受压侧的A处则由于在前震波作用时筋已出现了明显的塑性伸长，砼也出现了内外 明显的裂纹，在此情况下受压时会随了对塑变伸长筋的承压致外鼓，面带动A一侧外层砼呈斜坡状剥落破坏.
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第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 （4）当首轮反向波结束，第二轮正向出现时.
其承压B侧是重复刚过去的反向波对A侧的行为、即对已 塑变伸长了的筋硬压，令其外鼓、形成鼓筋之内砼因受压生成扩展破损及鼓筋底端砼的新开裂.
而在A侧则 是因筋的第二次拉长牵动前次未裂的筋底砼，使其开裂，并向下扩展.
再后，如若动位移继续反复出现，则其影响基本都是重复压侧破损斜面向内向下扩充，拉侧筋底砼的加 深开裂.
此例反映出，柱中伸入梁内的竖筋在地震出现地面动位移时是存在严重的负面效应：筋的反复拉长 压曲会带动砼过快地出现开裂，颓损及至丧失其承载能力.
有关地面动位移存在并影响柱顶端逐步破坏的状况还可从图5中看出.
该图系引自徐有邻先生《汶 川地震震害调查及对建筑结构安全的反思》书中照片2.3.7.图中建筑为强震区的二层砖房、底层为“框 支柱”支托.
从图中看出：二层阳台栏墙上的花盆摆放整齐、未被强震甩下.
这说明该楼二层在强震作用时 是未曾有过晃动，但二层是整体挫落了下来.
细吞照片可看出，楼底“框支柱”的破坏是看不出有竖向钢筋 及箍筋的露出.
似乎该柱不是钢筋砼柱、其状倒像是砌块柱（判断面论，对二层砖房，底层用大点的砌块填 芯柱，不改虑抗震还是可以允许的）.
对砌块柱无竖筋与上相连，这在地震的地面动位移波前来冲撞时.
受拉 侧础块只是将砂浆缝拉裂而块体不碎，但受压测础块则会被压裂破碎后落下（空心砌块的壁厚仅为20~30毫 末、很难在上存留）.
这样在反复的地面位移波作用下，柱顶的砌块被一层层左、右、中依序破碎、在逐层破 碎中，柱身缩短着，上面的二楼则一步步无晃地落下.
从这一栋位于强震区二层砖房阳台边花盆不动的实况 中，我们应是悟知：与梁无竖筋相连的柱，在地面动位移出现时，柱就形成了顶底似为铰的摆柱，随了地面 动位移，底端来回移动顶端只是跟了转动，隔绝地面动位移的上传，更由于柱的顶底为平面，这就使建筑整 体在最终具有了难得的令柱态归铅垂位的能力.
以上两例，前者是单层框架，后者是无筋柱框架，对多层框架结构的破坏可从（图3）来看：建筑物中 破坏的都是底层柱的上下两端，而梁端都相对完好，对此状况我们可从以下几个方面来进行分析.
对梁柱节点作为承受静力外载作用时，我们可以运用调整配筋的手段控制结构的开裂形态.
令梁的开裂 先于柱，完成“强柱弱梁”的要求.
但我们必须认清，当今面对的是地震的主动冲撞作用.
如我们在力性感 认知角度皆已熟知的在受力杆件中应力的出现必然与应变紧密相随毫不脱离.
作为砼筋合体的构件，砼是只 承压，遇了拉力就开裂退缩，这就形成了梁柱节点的应变过程相对于地震中地面动位移反复冲撞时是明显的 迟缓滞后，使底层柱只是在柱端生成高应力应变区出现破坏、而梁端不产生反应，形成了似乎是不允形变的 全面生成传递，因而其结果与静载不同，这很类似于以枪弹打玻璃是仅穿孔而不碎裂、掉糖瓷杯落石质地面 上是只硫出小凹坑，掉点瓷而不影响全局.
这里反映出在局部静载作用下使全结构出现全面的应力应度与出 现冲撞导致局部畸度，二者在结构中实际生成的内力效应，在力学上是存在很大差异.
3.我国于千年前在华夏古建工法中就运用墩柱使结构具有了抗风并隔震的双重 功能 我国各地保留的古建木结构可说是到处都有，其中华夏木构工法（亦称拍梁式、它是借助竖向静载压力 在梁柱接的斗拱部以走斜的斜压力方式下传风载水平力）是适用面广，加工方便，传递内力巧妙合理，抗风 能力强，能隔断地震作用的高性能结构.
由于传力合理，不出现高额峰值应力，不生成个别部的严重塑变， 就使结构有了可由力学理论支持并解释的长寿根据.
其长寿可达到数百年甚至千年，成为建筑中最长寿结构.
和其它工法木构及西欧的古木构相比，寿长可超出十多倍之巨.
古建中的应县木塔“就是在这些方面 做了近干年的实物抗风、耐久试验及五次隔震的实物试验：这是我们业界进行的时间最长，涉及隔震、抗风、 耐久的最珍贵的结构实物试验.
这种华夏木构工法的古建，初看时，对外行人会是感到新奇.
对内行人，特别是了解当今涉及理论，并 熟悉规范的人士，当他们进入全高67，底层中厅跨14°，中厅中央点净高7.15~13.8m的应县木塔（图6） 内，明层只有32根木柱支顶，周边无墙空空荡荡，木柱底端底层者立础石上，楼层者骑下部木梁上：顶端直 5
