看到最近的地震活动，人们可能会觉得地球可能是有点活跃，并且在糟糕的晃动。在 2010-2011 年间，智利断断续续地发生了地震，首先是 2010 年 2 月在康塞普西翁附近的海岸发生了 8.8 级地震。随后，2011 年 3 月在日本发生 9.0 级地震，引发海啸，估计造成 29000 人死亡，核反应堆受损。紧接着，2011 年 8 月，位于弗吉尼亚州以矿物为中心附近的地区发生 5.8 级地震，大西洋沿岸的居民因地震受到惊吓，地震的震动也损坏了华盛顿纪念碑。
虽然这些事件似乎暗示着不祥的多发地震的未来，但实际上地震一直都很常见，人类在地震中求生的决心也是如此。几个世纪以来，工程师们越来越清楚地认识到一件事：地震不会夺走人的生命，但建筑物会。当然，这种说法过于简单，因为海啸也会夺去许多人的生命，但并不是所有的地震都会引发海啸。但是，地震确实会导致建筑物、桥梁和其他结构突然产生横向加速度，导致建筑受损。所有这些都引出了一个合乎逻辑的问题：在发生灾难性地震（如 2010 年 2 月智利地震和 2011 年 3 月日本地震）时，是否能使建筑物保持直立和完好无损？
许多工程师和建筑师现在都相信可以建造出一座完美的抗震建筑，它能抵抗住最可怕的地震，并在震动停止后依然崭新如初。然而，这种建筑的造价将高的惊人。与此相反，建筑专家们努力追求并不那么远大的目标，就是设计一种可以防止完全倒塌，保护生命和预算合适的抗震建筑。
近年来，抗震建筑的发展突飞猛进，但这并不是一个全新的课题。事实上，尽管一些古代建筑位于地震活跃区，但它们至今仍屹立不倒。其中最著名的是圣索菲亚大教堂，这是一座建于公元 537 年的圆顶教堂（现为博物馆），位于土耳其伊斯坦布尔。建成约 20 年后，该地区发生地震，巨大的圆顶坍塌。工程师们对建筑情况进行了评估，决定重建圆顶，但规模要小一些。他们还从外部加固了整个教堂。
今天，虽然建造抗震建筑的技术有点不同，但基本原则是相同的。在深入探讨建造抗震结构的细节之前，我们先回顾一些基本知识，即地震时会产生哪些力，以及这些力如何影响建筑结构。
1.地震对建筑物的影响
2.抗震建筑设计：美国地质调查局救援
3.抗震建筑设计：自我保护
4.抗震基础和材料
5.抗震建筑的未来
地震对建筑物的影响
《地震是如何发生的》一书中介绍有关地震的完整内容，但在此回顾一下基本知识会有所帮助。当地壳中的岩石相互滑动时，就会发生地震。这种运动最常在断层中发生，断层是岩石体中的断裂，可以延伸数英里甚至数百英里。当地壳中的岩石突然滑动或移动时，它们会释放出巨大的能量，然后以地震波的形式在地壳中传播。在地球表面，这些波会引起地面震动，有时甚至是剧烈震动。
地质学家将地震波分为两大类：实体波和表面波。实体波包括纵波（P 波）和 横波（S 波），在地球内部传递。纵波类似于声波，这意味着它们在通过时会压缩和膨胀物质。横波类似于水波，这意味着它们会使物质上下移动。纵波可以在固体和液体中传递，而横波只能在固体中传递。
地震发生后，纵波总是先到达地表，而横波随后到达。然后是速度较慢的表面波--地质学家称之为勒夫波（Love wave）和瑞利波（Rayleigh wave）。这两种波都会水平移动地面，但只有瑞利波会垂直移动地面。表面波会形成长长的波列，传播很远的距离，造成地震中的大部分震动和大部分破坏。
如果地震只垂直移动地面，那么建筑物受到的破坏可能很小，因为所有建筑物的设计都能在一定程度上承受垂直力，也就是与重力相关的力。但是，地震的滚动波，尤其是勒夫波，会对静止的建筑物施加极大的水平力。这些力会造成横向加速度，科学家将其测量为 G 力（G-forces）。例如，6.7 级地震可产生 1 G 的加速度和每秒 40 英寸（102 厘米）的峰值速度。这种突然的侧向移动（几乎就像有人猛地推了你一把）会对建筑物的结构部件（包括梁、柱、墙壁和地板）以及将这些部件连接在一起的连接件产生巨大的应力。如果这些应力足够大，建筑物就会倒塌或遭受严重破坏。
另一个关键因素是房屋或摩天大楼的地基。建在基岩上的建筑物通常稳定性能良好，因为地面坚实。而坐落在松软或填土之上的建筑物往往会完全倒塌。在这种情况下，有一种最大的风险的液化的现象，即当松散的、积水的土壤暂时表现得像液体一样时，就会导致地面下沉或滑动，建筑物也会随之下沉或滑动。
显然，工程师必须仔细选择建筑地址。接下来，将介绍工程师如何规划和设计抗震建筑。
当地震波到达地球表面时，会导致地面和地面上的任何物体以一定的频率振动。在地震期间，建筑物倾向于围绕一个特定的频率（即其固有频率或基频）振动。当地面的振动频率和建筑物的固有频率一致时，它们被称为共振。这是很糟糕的情况。共振会放大地震的影响，使建筑物遭受更大的破坏。1985 年 9 月，墨西哥城的一次地震产生了频率与一栋 20 层楼高建筑的固有频率完全一致的地震波。因此，其他类型的建筑物相比，20 层楼高的建筑物在墨西哥的那次地震中受损更多。在某些情况下，受损的 20 层楼紧挨着未受损的不同高度的建筑物。
抗震建筑设计：美国地质调查局的抗震建筑设计
在重大建筑项目开始之前，工程师必须首先评估建筑工地的地震活动。在美国，他们可以利用一种资源来帮助评估--美国地质调查局（USGS）绘制的国家地震危险性地图。这些地图显示了未来 50 年内地面震动超过某一数值的概率。为了计算出特定地点的数值，地质学家们会利用历史地震数据，然后根据未来可能发生的地震震级，在距离该地点所有可能的距离上对地面震动进行推测。计算结果是一张彩色等高线图，显示出全国哪些地区的地震危险性最高。如您所料，整个加利福尼亚海岸都是地震高发区。美国的其他地震热点地区包括阿拉斯加、夏威夷、南卡罗来纳州，以及包括密苏里州东南部、伊利诺伊州南部、肯塔基州西部、田纳西州和阿肯色州东北部在内的地区。
建筑规范，如美国大部分地区使用的《国际建筑规范》，是根据美国地质调查局的地震危险图制定地震设计规定。在高危地区，工程师和建筑师在设计建筑物、桥梁和高速公路时必须遵守更严格的标准，以确保这些结构能够抵御地震摇晃。与此同时，在低危险地区，工程师可以避免设计太多那些在地震中发生剧烈地动的可能性较低的建筑物。
一旦工程师确定了某一地点的地震风险，就必须提出适当的建筑设计方案。一般来说，他们会尽量避免不规则或不对称的设计。这些设计包括 L 形或 T 形建筑或分层结构。虽然这种设计会增加视觉趣味，但建筑也更容易受到扭转或纵轴扭曲的影响。因此，抗震工程师更倾向于让建筑保持对称，以便在整个结构中平均受力。他们还限制装饰物，如檐口、垂直或水平悬臂伸出物或楣石，因为地震很容易使这些建筑构件移位并坠落地面。
仅靠对称并不能拯救建筑。接下来，我们将进一步讨论什么可以。
抗震建筑设计：自我保护
即使是对称建筑也必须能够承受巨大的横向力。工程师要使建筑物的水平和垂直结构中的横向力可以被抵消。水平隔板是水平结构的关键组成部分。它们被用在建筑物的楼层和屋顶。工程师通常将每块水平隔板放置在各自的平台上，并在水平方向上对其进行加固，使其能够与垂直结构构件分担横向力。在屋顶上，由于不太常有坚固的平台，工程师会用桁架来加固水平隔板，桁架是插入框架矩形区域的对角结构构件。
建筑物的垂直结构系统由柱、梁和支撑组成，其功能是将地震力传递到地面。工程师在建造垂直结构时有几种选择。他们通常使用支撑框架来建造墙体，这种框架依靠桁架来抵抗横向运动。交叉支撑是一种常用的墙体桁架建造方法，使用两个对角线构件组成，呈 X 形。工程师可以使用剪力墙来代替支撑框架或作为其补充，剪力墙是一种垂直墙体，可以加固建筑物的结构框架，帮助抵抗摇晃力。工程师通常将剪力墙安装在没有开口的墙壁上，例如电梯井或楼梯间周围的墙壁。
不过，剪力墙确实限制了建筑设计的灵活性。为了克服这一缺点，一些设计师选择了力矩抵抗框架。在这些结构中，柱和梁可以弯曲，但它们之间的连接处或连接件是刚性的。因此，整个框架在横向力作用下会发生移动，但与剪力墙结构相比，建筑物内部的阻碍较少。这样，设计师在放置建筑构件（如外墙、隔墙和天花板）以及建筑内容物（如家具和散装设备）时就有了更大的灵活性。
当然，建筑物的结构构件是以地基为基础的。下面将介绍工程师如何改进建筑地基，使其在强烈地震中有更强抗震能力。
案例研究：旧金山的横贯美洲金字塔
横贯美洲金字塔高耸入云，有 853 英尺（260 米）高，自 1972 年以来一直是旧金山的象征。光是它的美观就足以让人敬畏和惊叹，但在设计和工程方面，它也毫不逊色。金字塔的力量来自于其独特的桁架系统，该系统的特点是在一层以上使用 X 型支撑。桁架系统既能承受垂直荷载，也能承受水平荷载，尤其能抵御地震产生的扭转力。除了外部框架，内部框架一直延伸到 45 层。因此，该建筑结构十分坚固，在地震中抗震效果也表现出色。在 1989 年圣克鲁斯山脉发生的 7.1 级洛马普列塔地震中，金字塔顶层左右摇晃超过 12 英寸（30 厘米），但没有造成任何损坏。
抗震地基和材料
如果建筑物的地基位于松软或填土上，那么无论采用何种先进的工程技术，整座建筑物都可能在地震中倒塌。但是，如果建筑物下的土壤坚实牢固，工程师就可以大大改善建筑物地基系统对地震波的反应。例如，地震经常会将建筑物从地基上震塌。一种解决办法是将地基与建筑物捆绑在一起，使整个结构作为一个整体移动。
另一种被称为基底隔震的解决方案是使建筑物漂浮在由轴承、弹簧或衬垫圆柱体组成的系统上。工程师们使用各种支承垫设计，但他们通常会选择铅橡胶支座，其中包含一个由橡胶和钢交替包裹的实心铅芯。铅芯使支座在垂直方向上坚硬牢固，而橡胶和钢带则使支座在水平方向上具有弹性。支座通过钢板固定在建筑物和地基上，当地震发生时，地基发生移动，而上面的结构不会移动。因此，建筑物的水平加速度会减小，受到的变形和损坏也会大大减少。
即使安装了基础隔震系统，建筑物在地震中仍会接收一定量的振动能量。建筑物本身可以在一定程度上消散或抵抗这些能量，但其消散或抵抗能力与建筑材料的延展性直接相关。延展性是指材料发生较大塑性变形的能力。砖和混凝土建筑的延展性较低，因此吸收的能量很少，它们在轻微地震中也特别脆弱。相比之下，钢筋混凝土建筑的性能要好得多，因为嵌入的钢筋增加了材料的延展性。而由结构钢（钢构件有各种预成型的形状，如梁、角钢和板材）搭建的建筑物则具有最高的延展性，使建筑物能够大幅弯曲而不会断裂。
理想情况下，工程师不必完全依赖结构固有的消能能力。在越来越多的抗震建筑中，设计师们正在安装阻尼系统。例如，主动质量阻尼系统依靠的是安装在建筑物顶部的重质量块和相连接的粘性阻尼器，粘性阻尼器的作用类似于减震器。当建筑物开始摆动时，质量块会向相反的方向移动，从而减小机械振动的幅度。也可以在建筑物的支撑系统中使用较小的阻尼装置。
即使在实验室振动台上进行了大量测试，任何地震工程设计理念在经历实际地震之前仍然只是一个原型。只有经历地震，科学界才能对其性能进行评估，并利用所学知识推动创新。在下一节中，我们将探讨其中的一些创新，以及地震工程的未来发展。
案例研究：中国台湾台北 101
在 2010 年迪拜塔建成之前，台北 101 一直是世界上最高的摩天大楼。然而，这座 1667 英尺（508 米）的巨型塔楼仍然是建筑设计创新的一个奇迹，其最令人印象深刻的特点之一是位于大厦顶部 88 层和 92 层之间的一个重达 730 吨（662 公吨）的主动质量阻尼器。这个巨大的球体位于由八根钢缆组成的支架中，并与八个粘性阻尼器相连。如果大楼开始摇晃，阻尼器的作用就是抵消摇晃运动，从而减少震动，减少可能会让居民感到不舒服以及对建筑结构造成的压力，。
抗震建筑的未来
抗震建筑的作用是保护生命。这意味着，即使最终被拆除，一栋不会倒塌并能让居民逃生的建筑也算是有用的。但是，建筑物在地震中会发生变形，将如何实现使其恢复原状呢？对于一些研究人员来说，比如斯坦福大学的格雷格・戴尔林（Greg Deierlein）和东北大学的杰罗姆・哈贾尔（Jerome Hajjar），他们认为这就是地震工程的未来所需考虑的。
戴尔林和哈贾尔合作创新了一种名为摇架的建筑技术，它由三个基本组件组成：钢架、钢缆和钢保险丝。其工作原理如下：当地震发生时，钢架会剧烈上下摇晃。所有的能量都会向下传导到一个装有多个齿状保险丝的配件上。保险丝的齿咬在一起，甚至直到保险丝失效，框架本身也保持完好无损。一旦晃动停止，框架中的钢缆就会将建筑物拉回直立位置。然后，工人检查保险丝，更换损坏的保险丝。这样，建筑物就能在地震后迅速恢复原状。
另一项创新技术被称为 "地震隐形斗篷"，在地震产生的表面波到达建筑物时，建筑物能够保持隐身状态。为了实现这一目标，工程师将在建筑物的地基下埋设一系列 100 多个同心塑料环。当地震波遇到这些塑料环时，它们会进入塑料环，然后进入了塑料的瓶颈。波浪基本上就在建筑物的地基下滑行，然后从另一侧的环中流出并恢复原来的速度和振幅，相当于让地震产生的表面波越过了建筑物。
有趣的是，地震工程主要是回顾以往，而不是展望未来。这是因为用改进的设计和材料改造旧建筑与从头开始建造新建筑同样重要。工程师们发现，在建筑物中增加基础隔震系统是一种既可行又具有经济吸引力的方案。根据美国国家减少地震危害计划，目前美国有 200 多座建筑，包括许多市政府、消防和应急建筑，都采用了隔震系统。在 1989 年洛马普列塔地震之后，工程师们就对多座建筑进行了改造，其中包括旧金山、奥克兰和洛杉矶的市政厅。这些建筑的抗震结构肯定会面临严重地震的考验。唯一的问题是不知道何时会发生以及抗震程度如何。
案例研究：加利福尼亚州旧金山市政厅
工程师在评估可采用的抗震技术时，不仅仅需要考虑建筑物的高度，还必须权衡建筑物的民用或文化意义。例如，医院的抗震设施建设可能比仓库更值得注重。1989 年洛马普列塔地震造成 3500 人死亡，旧金山、奥克兰和圣克鲁斯的 10 万栋建筑受损，地震发生后，工程师和城市规划者对一些重要建筑进行了抗震技术改造，如旧金山市政厅。工程师将这座两个街区长的建筑从地基上切割下来，使其漂浮在 530 个基础隔离器上。如果地震波袭来，大楼将水平摇摆达 26 英寸（66 厘米），因此不会摇晃散架。
作者：William Harris
翻译：扫地僧
审校：*0
原文链接：How Earthquake-resistant Buildings Work
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：William Harris
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