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“转自：结构设计-公众号“
来源：哲设计，作者：曲哲
十二年前的2008年，我的名字第一次出现在抗震工程方面的学术论文上。那年我博二。
提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法. 建筑结构学报, 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。叶老师已退居二线多年，陆老大和冯老大从当年的大牛变成了如今的牛魔王。能在这样一篇论文里打杂，是我的荣幸。但是汶川地震发生后的那段时间，没人高兴得起来，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发展。套用最近一度流行的俗语：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述。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」缺席的八大原因。国内不少学者也在这方面做了大量的工作（延伸阅读[1]-[10]）。
从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现. 建筑结构, 38(11), 2008: 52-59.
叶列平, 曲哲, 马千里, 林旭川, 陆新征, 潘鹏
那时候打了鸡血似的收集和分析震害资料的劲头儿，和疫情初期科学界火线发表“新冠”论文的心情差不多吧。并非在乎那一两篇论文，只是在巨大的现实冲击之下，急于找到答案：到底怎么了？
与「跪着的城镇」造成的巨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-框架结构体系。这也成为我博士课题的主要内容之一。
随着铰支墙方面研究的逐渐深入，我逐渐和「强柱弱梁」分道扬镳，并形成了这样的观点：抛开刚度谈承载力，即使把强柱弱梁系数改成无穷大，该跪还是要跪的。正因为此，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”，是使结构各个楼层的变形趋于均匀的力量。与之相对的是由梁和板组成的楼面体系的刚度，它的极端情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渐增大，结构各个楼层的损伤渐趋均匀。当主体结构的出铰率达到50%时，结构实现整体型屈服机制：结构各个楼层并肩作战，共御外侮。
QU Zhe*, GONG Ting, WANG Xiaoyue et 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」，只是避免薄弱层倒塌的手段，而非目的。希望柱子基本保持弹性，无非是在维护竖向连续刚度最后的尊严。当有了更强有力的手段实现整体机制时，是「强柱弱梁」还是「强梁弱柱」就没那么重要了。何况对于既有结构，本来就很难通过抗震加固变「强梁弱柱」为「强柱弱梁」。在这种意义上可以说，铰支墙对「强柱弱梁」实施了降维打击。
一年之后，世界首座采用铰支墙-框架结构体系进行抗震加固的高层建筑——G3教学楼顺利竣工。力与美的结合，不只是说说而已。
QU Zhe, WADA Akira*, MOTOYUI Shojiro, 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-框架结构体系在9.0级东日本大地震中小试牛刀。尽管地震震中远在300公里之外，还是意外地暴露了之前设计中忽视的填充墙的影响。
一方面，实际地震反应的周期明显小于不考虑填充墙的情况，说明填充墙大幅增加了结构的刚度。
另一方面，填充墙本身也发生了普遍的损伤。
然而，也因此意外地突显了铰支墙的另一项超能力：对抗不确定性的能力。这种不确定性既可能来自于地震动本身，也可能来自于结构体系本身——比如填充墙的意外贡献。
在同样的地震动作用下，有没有填充墙会对纯框架结构的倒塌模式产生巨大的影响。比如可能从底层或中间层倒塌，变成压倒性的底层倒塌。
对于铰支墙-框架结构，则无论有没有填充墙，楼层的变形分布都很均匀。兄弟一心，其利断金。
QU Zhe*, SAKATA Hiroyasu, MIDORIKAWA Saburoh, 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，更是一种思路——使结构地震损伤「整体可控」的思路。它可以有很多不同的表现形式，但归根结底都是通过大幅提升竖向连续刚度，控制建筑各个楼层的变形分布。在变形模式整体可控的基础上，再通过消能器耗散地震能量，事半功倍。
如果说近十几年来建筑地震损伤控制在理论方面有什么发展，「整体可控」恐怕是一个非常重要的方面。在这方面，国内外大量学者做了许多非常有意思的探索和尝试（延伸阅读[11]-[20]）。
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，减震控制结构由主体结构和由消能器组成的减震子结构并联而成。
和田章, 岩田卫 等著, 曲哲, 裴星洙 译. 建筑结构损伤控制设计. 北京: 中国建筑工业出版社. ISBN 978-7-112-16378-6
「师夷长技」时不可回避的一个问题是国情。对于源于日本的建筑地震损伤控制而言，一个基本的国情差异是：日本以钢结构居多，而我国以混凝土结构为主。那么，把最初主要针对钢结构提出的损伤控制理论应用于混凝土结构，会有什么新的问题？国内学者从不同角度入手，开展了不少系统而深入的工作。然后无论如何，消能器和混凝土构件之间的连接节点都是绕不过去的问题。
以在我国应用最为广泛且物美价廉的消能器——屈曲约束支撑（BRB）为例。在钢结构中，连接节点可以直接通过焊接或者高强螺栓固定在钢构件，但是在混凝土结构中，如何妥善地将BRB的集中轴力传递给受拉性能很差的混凝土构件，对连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解决办法。但是节点用钢量过大甚至节点比支撑还贵的事儿也绝非罕见。更重要的是，由于节点区域受力复杂，设计困难，并且只要不来地震就得到不到检验，混凝土结构中BRB的连接节点很可能反而成为看似高大上的减震结构的薄弱环节。
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混凝土框架结构应运而生。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，当结构发生侧向变形时，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*, KISHIKI Shoichi, SAKATA Hiroyasu, 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，如果把抗侧的支撑框架旋转90度变成承重的桁架，是不是看起来舒服多了？梁本来就是零杆嘛。
然而略有遗憾的是，之字形布置的BRB并不总能完全消除节点受到的拉力。其原因在于非线性结构的高阶振动。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，非线性反应在显著抑制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阶平起平坐。然而在2阶反应中，相邻BRB不再总是一压一拉，而可能出现同时受拉的情况。于是就有点儿尴尬。
QU Zhe*, KISHIKI Shoichi, MAIDA Yusuke, 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
将降维打击进行到底：消除高阶振动的影响。
如果把相邻BRB共用节点板的平衡式连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混凝土框架结构。
QU Zhe*, XIE Jinzhen, WANG Tao, 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
有效消除拉力之后，混凝土连接节点可以做得非常简洁，甚至可以不用栓钉，还可以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，混凝土结构中消能器的连接节点还存在许多其他问题，比如现场安装的施工精度、震损更换等等。国内学者和工程技术人员也开展了大量的工作，提出了不少行之有效的做法（延伸阅读[21]-[30]）。
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能力。但减震建筑在建筑总量中的比例仍然很低，受技术积累所限，设计和施工水平也参差不齐，连接节点的设计和施工水平无疑是其中非常重要的一环。
3 非结构少坏
非常同意建研院罗总的下面这句话：
咱们国家的《建筑抗震设计规范》一直被当成「建筑结构」抗震设计规范在用，其实不仅仅是结构啊！
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，行结构损伤控制之实。从抗倒塌保安全的角度来讲无可厚非，但随着社会经济的发展，建筑地震损伤控制早已不能仅仅满足于此了。
建筑中除了主体结构以外的所有构件，都属于非结构构件。在下面这个医疗建筑的例子里，非结构和内部物品占了总重置成本的67%，而结构仅占15%。对于普通的办公或学校建筑，结构的比例会略高一些，但也差不多。
叶良浩, 曲哲*, 孙海林, 宫婷. 采用不同减震结构体系的医疗建筑地震经济损失评估. 建筑结构学报. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.0393
更重要的是，现代建筑的正常使用根本离不开非结构构件。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。我提醒他脑补一下三天不能冲马桶的画面。
非结构构件对于建筑损伤控制的重要性，在于它们的既贵且娇。
虽然早在1991年叶耀先和钮泽蓁两位前辈就出版了《非结构抗震设计》一书，但除了构造要求和定性判断之外，把各类非结构构件的地震损伤特性作为科学问题来系统地研究，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？因为汶川地震的结构震害太震撼了，还轮不到非结构。在五年后7.0级的芦山地震中，非结构震害则异常突出，也为我国非结构构件的地震损伤控制研究提供了宝贵的第一手资料。
通过实地调查，我们收集了16个明框吊顶的震害并定量地统计了它们的坠板率，再结合模拟的楼面峰值加速度，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分析. 工程力学, 36(7), 2019: 207-215.
然而，一直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可怜。这种离散性可能来自地面加速度场，也可能来自对结构放大效应的假设。当然，也可能是这个指标本身有问题。
进一步的振动台试验验证了这个想法。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更加显著。此外，吊顶的破坏还受到竖向激励和龙骨边界条件的很大影响。可见，非结构构件的动力反应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究. 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文, 2019.
芦山地震中另一种随处可见的非结构震害是砌体填充墙的破坏。以往关于砌体填充墙的研究主要关注它在框架平面内对主体结构力学性能的影响，而较少关注填充墙本身的损伤及其控制。
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究. 建筑结构学报, 41(6), 2020: 57-65.
对于墙体本身，面内加载试验并不足以复现地震现场的实际震害。在上图的例子中，即使主体结构完好，填充墙也坏得一塌糊涂；但是在试验室里，1/100的层间位移也无法得到地震现场那么严重的破坏。哪儿出了问题？
在实际地震中，填充墙总是同时受到面内和面外两个方向的作用。面外承载力随面内损伤程度的增大而急剧下降，并且下降的幅度与墙体的高厚比有关。
QU Zhe, XIE Xianxin, FU Haoran, ZHANG Lingxin. Effect of prior in-plane damage on the out-of-plane strength of masonry infill walls. Engineering Structures, under review.
在震害分析中，考不考虑填充墙的面内外耦合行为可能得到截然不同的结果。足见这一行为对于准确预测填充墙的破坏至关重要。
以上关于吊顶和砌体填充墙的两个例子均说明，非结构构件不但种类繁多，而且动力反应和损伤特性非常复杂。基于实证数据的定量研究，是深入理解这些特性的必经之路，也是减小非结构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程度地暴露了非结构震害的问题。非结构震害也逐渐被国内抗震工程界的学者和工程师所熟悉（延伸阅读[31]-[37]）。除了上述非结构构件自身损伤特性的问题之外，还有楼面谱、数值分析方法、设计方法和构造措施等诸多问题有待解决。这恐怕也是使基于性能的抗震设计更趋完善的一个重要突破口。
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。然而兜兜转转十二年，当从建筑功能损失的角度回望时，竟有种回到原点的感觉。
铰支墙-框架结构固然是实现「整体可控」的二向箔，但减轻建筑非结构损失的效果恐怕未必好。因为无论是铰支墙还是BRB，都不能有效减小建筑楼面的加速度反应。
叶良浩, 曲哲*, 孙海林, 宫婷. 采用不同减震结构体系的医疗建筑地震经济损失评估. 建筑结构学报. 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应方面的效果远不及对变形和加速度反应的抑制。对于近断层脉冲型地震动尤其如此，甚至会使下部楼层的速度反应反而大于抗震建筑。
其后果是，在一些情况下，隔震建筑中的速度敏感型非结构构件的损失不是远远小于，而有可能反而大于抗震建筑。
WANG Feijian, QU Zhe*, HUANG Yuli, SUN Hailin. 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结构中解放出来而回归建筑的本意时，新问题新挑战迎面而来。它们不是唐吉诃德的风车，而是下一场灾难的隐患。
借用和田章先生就任日本建筑学会会长致辞的题目来收尾吧：
回到原点，做更好的建筑。
延伸阅读
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由衷感谢十二年来教诲、帮助、鞭策、包容我的师长、朋友、同行和学生们。
The End
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