不固之固——浅述摇摆结构减隔震体系

●  前  言

地震自古以来就是一种可怕的自然灾害，我们对于地震的印象常常是建筑物的废墟、连根拔起的树木或者是断裂的路面。为了保护好人类自身的生存居所，人们一直以来便在与自然灾害做着抗争。既然我们还无法阻止地震发生，那我们只能减轻地震对建筑物所造成的损伤，于是减隔震技术就应运而生。

近现代，随着城市化进程的飞速发展，高层与超高层建筑的营建也成为城市建设的主流。经历建筑材料的逐步更新换代，如今的建筑主要采用钢材与混凝土进行大规模建造。抗震规范中指出，我国采用的是“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防准则，以确保结构不遭到毁坏和保护生命安全为主要目标。较为传统与普遍的抗震设计方法是增加建筑材料的强度和延性的设计，依靠提高建筑结构的强度来抵抗地震破坏。但是此方向的设计可能导致结构构件过大与笨重，不够经济与实用，同时在地震中受到的结构性破坏较为强烈，即使不倒也很难进行修复。于是人们对于建筑抗震进行了更深层次的研究，既基于现代材料与结构形式，也从传统建筑中汲取灵感，提出了减隔震技术。

这对于建筑在地震中的减损与震后修复是一种革新。如今的减隔震技术主要有在支座处设置橡胶垫或者滚动滑移隔震装置，抑或是设置减震阻尼器，多为较庞大的钢构件，这些都能在传统建筑中找到影子，如：具有隔震效果的柱基与具有减震效果的榫卯。

而近年来，随着四级设防水准及“可恢复功能城市”概念的提出，对结构的消能及自复位性能提出了更高要求。推进减隔震技术的革新，对传统建筑的修复与传承，以及现代建筑的适用与推广都非常有意义。人们普遍认为结构节点固接代表着牢固与稳定，但实际上固接状态下，结构本身便承受着全部的地震能量，从而容易造成更大破坏。于是对于结构节点固接程度的批判被运用到了减隔震技术中，一种看似较为反常规的摇摆结构体系被提出，其工作机制可以概括为“小震固接，中震起摆，大震下结构层间位移角不超过2%（设计目标）”。其通过体系的摇摆来消耗地震波带来的巨大能量，常辅以摩擦耗能节点来控制起摆加速度与耗能自复位。这样的体系甚至不能被称为“结构”，而是一种“机构”，但蕴含着“不固之固”的智慧。

●  摇摆结构的经典运用

摇摆结构的减隔震理论虽然是近现代被提出的，但是在一些古老建筑中却早已有所体现，古代的工匠们以他们对于生活的独特的经验与智慧已经将其运用于建筑中，为现代建筑提供了研究的范本与学习、改进的思路。

▲  日本奈良法隆寺五重塔

日本奈良法隆寺五重塔于1,200多年前建成，其柱基采用铰接的方式，梁柱采用传统木结构中榫销和键等半刚性连接方式。地震波来临时，其层与层之间可以发生摇摆，梁柱节点不能传递水平剪力以及弯矩，但可以传递轴力，减小了构件的内力。但是只有摇摆没有复位会使得结构发生不可逆的变形而导致破坏与坍塌。于是在整个结构的中心位置设有一根有较大侧向刚度的通心柱，该通心柱将五个构筑体连系起来，有效防止了每层构筑体由于摇摆幅度过大而脱离整体建筑这类情况的发生，起到了良好的起摆限位效果（图1）。

图1  五重塔内部结构示意图

法隆寺是日本现有最大、最老的佛教寺院。在日本这样一个多地震的国家，它的存在对现代摇摆结构的减隔震有着重大的启示，包括其连接方式与限位手段。法隆寺造型优美，其延伸的各层屋面与较为纤细的主体事实上昭示着某种较为现代的建筑美学，其巧妙的构造也体现了一种不一样的稳定性与哲学思想。

▲  希腊雅典帕特农神庙

帕特农神庙是古希腊建筑美学的重要研究范本，其恢弘的整体形象深刻反映了几何美学与结构美学对于建筑的影响力。高10m之多的巨大多立克与爱奥尼石柱成为建筑师研究建筑美学的重要部分。但是如此巨大的石柱，古代的工匠如何将其运输与砌筑，以及其为何能在几千年间屹立不倒，成为困扰大众的难题。实际上其立柱是由多块下大上小的圆台形石块堆叠而成的，每块的中心都有一个杯形插口，在连接中杯形插口中放置木制的榫眼和圆木销，再将石块放置在上层，形成并不固接的连接，像是柔软的木制关节（图2）。这样，在地震来临时石鼓开始摇摆，但是中心插销的构造使得柱的整体可以保持在一条直线上，在不经意间形成了摇摆限位。在后来研究人员的挖掘与探索中也发现了受剪变形的木插销与榫眼，正好验证了这一技术。或许这也是其外观永葆简约、大气的秘诀。

图2  帕特农神庙立柱石鼓连接构造示意图（手绘）

●  现代建筑摇摆结构的探索与改造

▲  国内外研究现状与发展动态

现代的工程结构基于需要推倒重建的抗震手段极大程度影响了人们的生产与生活，由此对工程结构抗震提出了新的要求：如何可实现强震后工程结构、城市乃至整个社会快速恢复正常使用功能？2003年美国学者Bruneau等首次提出了可恢复功能抗震社区的概念，2009年1月在NEES /E-Defense美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上，美日学者首次提出将“可恢复功能城市”作为地震工程合作的大方向，于是摇摆结构的研究被提上日程。

在摇摆及自复位结构研究方面，Housner于1952年发现，由于锚固螺栓的拉伸变形，使得结构在基础垫层上发生了摇摆运动，石油塔在地震作用下却并未遭受到严重损坏。1963年，Housner首次提出水塔的摇摆可有效防止地震作用下发生倒塌并建立起了摇摆刚体经典模型（图3）。他分析了摇摆质量块在自由激励下的周期和耗能，计算了摇摆刚体在常水平加速度、正弦波及水平地震激励下的倾覆力，认为体量大的摇摆结构比体量小的摇摆结构更稳定且摇摆结构在地震作用下的稳定性要好于其在常水平加速度激励下的稳定性。

图3  摇摆刚体经典模型

有研究学者指出受控摇摆钢框架结构体系随着结构高度的增加，高阶模态的参与会放大结构构件的内力，对该体系的经济适用性造成不利影响。为此，Wiebe等提出了增设摇摆节点（界面）数目和使用非线性支撑等措施以降低高阶模态效应的不利影响（图4）。

图4  降低高阶模态效应不利影响的措施

同济大学教授吕西林、毛苑君提出可更换脚部构件剪力墙的设计方法（图5），墙脚可更换构件是新型拉压组合减震支座，由叠层橡胶垫和软钢板组合而成，还建立了这种剪力墙及其可更换构件的设计原则、设计方法以及截面验算方法。

图5  可更换脚部构件的剪力墙

贾良玖等提出了一种新型分层摇摆式连接减震结构体系，该体系由分层摇摆式竖向自承重主结构、抗水平侧力外框架副结构以及连接主副结构的阻尼器组成（图6）。通过三层Benchmark模型的有限元分析和两层原理模型的小型振动台试验验证了理论模型的正确性，同时表明该体系具有理想的减震控制效果。相比传统抗弯框架，该体系可以同时减小基频和高阶模态响应同时也能减小结构层间位移和楼板处绝对加速度。

图6  分层摇摆式连接减震结构体系示意图

自复位与限位处理也是摇摆结构的要点之一。在现代建筑中这主要体现在（摩擦）节点设计。在摩擦连接节点方面，富有开创性的研究是Avtar S. Pall，Cedric Marsh和Paul Fazio于1980年提出的大板结构中用于控制地震作用的摩擦缝，该研究分析了竖向连接的有限滑动栓接缝（LSB）的设计（图7）和试验，完成了抗震分析和地震反应优化。研究结果表明，有限滑动栓接缝符合弹-塑性特性和稳定滞后特性并且能够有效耗能。

图7  有限滑动栓接缝示意图

▲  实际创新案例研究

笔者有幸跟随同济大学贾良玖老师一起进行了关于摇摆剪力墙结构减隔震机理的研究，参与完成了其中模型设计、振动台试验与数据分析处理等环节。

目前国内外学者对摇摆及自复位体系在数值计算、模型设计、试验验证、实践应用等方面做了一系列研究，但现有研究大多仅在基座设置了摇摆截面，而贾良玖老师团队做出的突破在于研究对象为多重摇摆，即分层摇摆，通过理论分析、模型设计与制作、振动台试验方式进行研究，得到带摩擦消能节点剪力墙的力学性能、单层摇摆剪力墙结构在地震动作用下的动力特性和多层摇摆剪力墙结构在地震动作用下的动力特性。

在深入研究与学习的过程中，项目运用了结构力学中的刚度法与底层剪力法，对模型剪力墙材料与尺寸进行了设计且设计了摩擦节点弹簧的刚度、角钢的材料与尺寸以及限位孔的大小，来控制模型起摆的加速度与起摆层间位移角的限值（图8）并对节点承载力进行了验算、校核。

图8  模型设计图纸（节点部分）

在模型加工制作、振动台试验（图9）过程中模型及其振动形态显示，模型并不是特别刚性，有着从固接到起摆的过程，这个过程令人十分震撼。整个体系在自复位与内力消耗方面卓有成效。团队测试了三类地震波输入，并分析了三个不同的地震加速度，运用Dipp-Motion数据处理软件对结果进行了提取与处理并对模态进行了识别与分析。以0.07g的Northridge地震波输入为例，摇摆结构地震响应一阶主频率识别结果较接近，但其二、三阶频率识别结果在不同地震输入下差异较为明显。结合以上两种模态参数可以发现，振型识别结果离散性较大时相应的频率识别结果离散性也较大（图10）。

图9  试验模型主机位布置

图10  Northridge波输入为0.07g情况下摇摆剪力墙结构地震响应频率识别结果

最终对结果进行整合，这种看似并不牢固的摇摆结构虽然在随着地震峰值加速度增加的过程中，高阶模态参与比重不断增大，不稳定性也在同时增加，但是对于其机理的研究结果也是令人欣喜的：

（1）由上至下，分层式摇摆剪力墙结构的层间剪力逐层增大；

（2）摇摆剪力墙结构起摆后，各层的层间刚度减小，各层内力相较于固接状态也减小；

（3）摇摆剪力墙结构地震响应的一阶主频率相对稳定且与刚接框架的理论值相比较小，而响应的高阶频率随着地震输入的不同有较大的变化。

从土木工程与结构角度出发，摇摆结构的研究其实更多仍然处在理论探索的阶段。其取自于传统结构中的“以柔克刚”的减隔震灵感，在今天仍然存在巨大的实际应用潜力。而剪力墙结构与框架结构广泛运用于我们现代建筑的建造之中，作为较为基础与普遍的结构，对于减隔震方法的发展，分层式摇摆结构为其打开了思路，具有较为创新的概念，旨在建立一种新的结构来有效消耗地震响应内力，能够在摩擦节点摇摆摩擦过程中耗能，降低内力响应，同时存在自复位的功能，响应了建立可恢复城市之号召，理应在巨大厚重构件与各式各样的阻尼器的世界中占有一席之地。

●  结  语

笔者对于摇摆结构也有着更多建筑学层面的思考。如果将类似于土木大楼中那些巨大的阻尼减震器与摇摆结构进行比较的话，阻尼器可以称作是一种外显的构造，它庞大而现代，充斥着由钢筋森林带来的现代城市的力量感。而摇摆结构利用结构自身的摆动行为进行地震内力的消耗，是一种内隐的构造，是一种更加原始而低调的构造，它的构造更多地体现在耗能节点的设置上，对于建筑外观的影响较小。但也正是这种简约与朴素，给了建筑更多表现自身设计哲学的空间，使其更少地受限于结构带来的造型冲突。

近年来越来越多的具有表现力的或者是曲线构造的建筑在城市中应运而生，越来越猛烈地冲击着人们的眼球与想象力，但是在经历审美疲劳之后，如今人们反求自己的本心，国内外众多建筑大师都在反对对于西方现代建筑盲目的抄袭与模仿，并更多倾向于发扬自身文化。中国的传统建筑与中国建筑的性格本身就是空灵、低调、朴素与融入环境的。中国本土唯一的普利兹克奖得主王澍曾经评价何为中国第一的建筑？他选择了位于上海松江方塔园一隅的何陋轩。何陋轩是冯纪忠先生的作品，其低调、简朴至极，但完全用竹结构举重若轻地撑起了一个巨大的屋顶，交界处与各种节点也做了清晰的表达，是具有中国传统建筑精神的现代建筑。

正如王澍所言：“中国传统建筑几乎天然地就是现代建筑。”。而在发展与弘扬中国传统文化并打造属于中国自身的建筑品质的今天，在国内外建筑结构的无休止的对抗与争论中，发展自传统结构的摇摆结构正契合了这样的建筑哲学，它试图在建筑的外在表现与内在结构之间取得一个微妙的平衡，同时用奥卡姆的剃刀剔除了建筑在表现力上的冗余与铺张浪费部分，对于简朴、低调、以柔克刚的中国传统建筑的精髓也是一种具有现世意义的发扬。在追求稳定性的时代，摇摆结构并不固接的动态平衡昭示着一种巧妙的稳定。在钢筋混凝土林立的城市中，在对抗自然力量的过程中，摇摆结构从内部与本质出发，提供了一种极具美学与哲学境界的的解决思路。