解决弹性结构和社区的工程挑战
摘要 在设计任何结构或系统时，居住者的安全往往是很重要的一个环节。然而，在最近发生的重大地震之后，全球的关注点持续地集中于需要能够在大地震后迅速恢复工作的弹性结构和生命线。在本文中，讨论了复原性社区的工程方面，重点是提高那些在大地震后的社区需求至关重要的结构和生命线的震后可操作性，以及在修复过程中能够“就地解决”的能力
关键词 设计标准，继续入住，建筑物，桥梁，隔震，保护结构，弹性，弹性社区。
2.1介绍
专门从事地震工程领域的工程师在近些年不断被提及。他们工作的重要性源于世界范围内大小地震的发生。地震对世界上几乎每个国家构成威胁。虽然实验和分析研究和设计研究，为建筑规范和施工实践的持续改进提供了重要的信息来源，但变化的最大动力来自观察到的和预期的行为之间的差异。有时一个地区并没有对于地震进行特别的准备，但是努力的结果也许会很快产生。
在一般情况下，建筑规范的质量和执行。地震损害识别基础理论或详细分析要求中的缺陷，并进行对这些问题的适当补救措施的研究。在其他情况下，公众已经转变了对建筑环境性能的期望，设计标准应根据这些期望的变化而变化。
此外，在许多工业化国家中，官员，公众和政府所期望的，在公民日常生活的高水准的安全性要求。例如，与塑料铰链的形成有关的剥落和开裂被公众媒体指出为结构故障，但是根据韧性设计原则，它们是可以被预期的。由此看来，越来越多的公众的期望之间的差异产生，在许多工程师提供最低的抗震设计与保护生命安全的需求之间。
最近发生在中国，智利，新西兰和日本的地震已大于典型结构设计考虑的最高水平。这些地震测试了许多结构的极限。在大多数情况下，现代结构已经做得很好。然而，从所有这些事件中可以清楚地看出，大地震触发了其他灾难，使灾难重新组合起来，并将其提升到大灾难的程度。例如，在中国地震不仅导致许多单独的建筑物倒塌，而且还造成额外的伤害，阻碍救援和重建工作的滑坡数目惊人。地震发生后，智利和日本都遭受海啸的影响。新西兰、日本和智利地面震动的严重程度足以引发大规模液化。虽然这些问题往往被认为是在一个单独的结构设计中，但是直到最近才被认识到，它们的级联效应都是发生在同一事件中的一个区域，并将自然灾害转化为灾难性的区域事件。
2.2从最近发生的地震中学习到的经验教训
最近发生在智利、新西兰和日本的地震重现了过去地震中的许多经验教训。例如，最近发生的地震提醒我们的风险实质来源于现有的结构和生命线地震工程的概念构建时不如今天一般先进。在采用未加筋的砖石结构的新西兰发生了巨大的破坏，并且在所有三个尚未采用在现代延性要求之前的钢筋混凝土的国家也都发生了破坏。其他的经验教训包括需要提供一个连续的荷载路径，避免横向荷载抗力系统的不连续性，设计连接以发展其框架内的构件的能力，保护系统免受支撑土的潜在破坏，等等。从最近的这些地震中可以学到很多，大量仪器被安装在日本、智利和新西兰，测量地面、水和建筑物的移动。此外，各国已做出许多努力，详细地记录直接损害和这种对于经济、社会、政治、医疗和其他影响。
2.2.1地震动对工程设施的影响
智利、新西兰和日本的地震经常被认为比预期的影响要大。虽然这些影响确实很大，但一般来说，对未来地震的预测在本质上是概率性的。这些事件应该来说是一个警告，中值概率估计不是关于未来事件可能发生的确定性界限。具体地面运动观测提供地壳的活动规律，重要的余震和特殊问题提出的有关近处和远处地震。
2.2.2俯冲带的活动
智利和日本最近的俯冲带断裂表明，这种地震的破坏性影响将在广大的地理区域发生。强震记录往往非常强烈（可达2.9克），而且非常长（3分钟）。日本的地壳运动是特别复杂，呈现多段依次沿断层破裂的有力证据。在经过对这些几千次有地震记录和余震进行研究，特别是在日本，包括一个在自由实地的领域，井下阵列和建筑物。正在进行着不懈努力为了更好地描述这些特征及其对结构和土壤的影响。俯冲带破坏大面积建筑物的潜力，意味着可能需要设计新的标准来减轻这种破坏带来的严重后果。
一个比预期的俯冲带更大的事件在日本的发生引发了大量讨论。潜在的其他大型俯冲带的活动影响着日本和太平洋的其他地方。这些预期大于预期的事件对未来海啸的预测有很大的影响，无论是在当地，还是在南美洲、北美洲的阿留申群岛，以及亚洲和美国南部的类似区域。
2.2.3近处和远处的运动
在智利和日本的俯冲带活动为工程师们提供了新的挑战，在新西兰的克赖斯特彻奇，和许多在中国汶川地震的情况一样，引起的震动的位置在近处发生。因为日本（和智利）很容易受到这样的近断层破裂，如1995 Hyogo-Ken Nambu地震，研究了解离岸俯冲地面运动的特点和岸上的断层破裂导致的损伤是必要的。在日本和中国，大量的证据表明，高层建筑和其它长期结构在地震超过500公里的断层表现出强烈兴奋。因此，这些类型的运动也需要仔细研究。
2.2.4余震的重要性
大型事件引发大量余震需要从余震的数量、严重程度和地点来更好地了解。大型事件对工程结构和土壤沉积物的多次余震累积效应需要更好地理解，这可能在结构设计中占了很大的比重。而通常余震小于主震，它们可以对一个特定的区域或社区进行冲击，造成更多的伤害，观察到在新西兰的克赖斯特彻奇的余震中，即使是很小的累积损伤，也会引起救援人员和施工人员在修理或拆卸方面的安全问题。日本（和其他地方）有证据表明余震重新损坏了主震造成的损坏的建筑物。
2.2.5大地震往往伴随着大海啸
从日本地震和智利的海啸造成这些国家以及在太平洋沿岸其他国家严重的破坏。在日本海啸最大浪高达40米，海啸是造成大部分地震伤亡的原因，还造成了很大一部分的经济损失与人员伤亡。因此，需要提高预测海啸的能力与几率，与设计的结构相互作用，以及预期的浸水地区。应研究预警系统和撤离程序的有效性。同样，有必要更好地理解和改善工程结构对海啸波浪作用的影响，以及碎片和冲刷的影响。特别是疏散方法的有效性和作为垂直疏散避难所的结构的设计应该被注意。
2.2.6液化或沉降对结构的损害
据观察，智利、新西兰和日本在河流和海岸线附近地区发生了广泛的液化。在日本，支撑结构的土的永久垂直和水平位移在远离海啸灾区的建筑物中，大部分的损坏都是由地基损坏造成的。液化和差异沉降也对在和在新西兰艾克赖斯特彻奇中观察到的损害起了很大的作用。这类破坏发生在一个大的地理区域，并发生在各种各样的土壤类型和地面运动特征上。因此，有机会需要进一步了解液化和(或)侧向扩展的触发、发生的变形以及土的扩展和液化对液化行为的影响m不同沉降破坏结构的修复和修复方法需要进一步研究。
2.2.7对生命线、核电站等工业设施的破坏可能加剧灾害
福岛第一核电站对最初的地震和余震以及海啸的反应引起了许多工程问题。此外，日本地震后，其他20个化石燃料和核电站立即停运。其中许多在事件发生一年后仍保持不正常状态。这些故障对日本企业和整体生活质量的影响。与特殊事件有关的核电站(和其他危险的关键工业设施)运行问题对地震和海啸的影响，关键电力设施的不可操作性对社区、区域和国家的影响，放射性或可能的化学/生物污染有关的特殊问题是进一步调查的高度优先主题。
2.2.8商业和社会系统的中断
日本和新西兰的住房、学校、医院、商业结构、工厂和基础设施系统受到破坏，造成了广泛的经济和社会混乱。在许多地方设备的结构系统可能没有受到严重破坏，但非结构元件和设备受到破坏，生命线(电力、水、煤气、运输、公社)也失去了，使其无法操作。由于几条国家和地方公路因地面震动和山体滑坡而关闭，交通受到损害，在海啸受灾地区，许多公路被关闭。公路和铁路桥梁被完全摧毁。在一些地区，海啸灾区的制造业和其他关键设施几乎没有受到结构性破坏，但却无法运作。碎片的存在对水体产生破坏。因此，除了一般的经济、商业和相关研究外，还对提高非结构构件的抗震性能进行了研究。需要设备和关键的生命线。
2.2.9地震震动对工程设施的影响
现代建筑和其他建筑物的设计并不是为了在罕见地震中无损伤。虽然日本、智利和新西兰有大量受损的建筑物，但在许多建筑物中遭到破坏的建筑往往是老旧的。在智利，较新的钢筋混凝土高层建筑受到损坏，部分原因是由于使用了过去性能良好的系统建造高度更高的结构。在智利和新西兰，较新的较高的建筑物由于不连续或不规则的结构而遭受结构损坏和完全或部分倒塌。在严重震动地区的许多建筑物中，对非结构元素的大量破坏造成了修复设施的花费昂贵和重建的延误。
对于日本建筑物的振动和破坏的一个特别重要的特征是人们缺乏对结构安全的信心。尤其对于高层建筑的振动，在考虑到结构的损坏或危险，许多人会感到害怕，所以他们不愿意重新进入建筑物，在某些情况下，（与生命相比）财产的价值将大大降低。
2.3弹性结构
正如上文所指出的，在改进抗震结构的评估和设计方面，有许多富有成果的研究课题。然而，似乎新的问题与构建能力有关。地震后迅速修复的问题，以及一个社区或地区迅速恢复的问题，正变得更加令人关注。因此，世界各地的许多研究人员和从业人员都在致力于开发经济的系统即使在发生大地震之后也可以可靠地允许工程设施和生命线继续运行。
这些解决方案对于医院、紧急指挥中心和应急反应和恢复所需的生命线系统等设施至关重要。邮政设施的类型-如果考虑到确保社区或组织迅速恢复所需的设施，地震的功能应该保持得更大。例如，旧金山规划及城市研究协会(SIM 2009)表示，很多学校、住宅楼宇，甚至零售及商业楼宇，都应该对有需要的人提供房屋及服务。这将使一个社区能够在地震后发挥作用。同样，一个企业的活力和可能的生存能力取决于它为客户提供持续服务的能力。
因此，越来越多的人认识到，传统的设计延性结构以防止倒塌的方法虽然必要，但在现代社会中可能并不是无所不能的。工程学需要我们想出解决办法，使大地震后的破坏和维修费用降到最低。
为了尽量减少地震后的破坏，一个结构或系统必须能够限制在结构和非结构部件中发生的破坏，并且不应该表现出永久的位移。斯塔尔结构可以简单地变得更坚固，这样它们就能在地震的水平上保持本质的弹性，而地震的抗灾能力是人们所希望的。然而，这种基于强度的方法(1)需要更多的东西。这增加了结构的成本和碳足迹，(2)导致了更高的加速度，需要在非结构部件、设备和容器的设计中给予特别注意。此外，这种强度方法只能与和未来震动的估计相吻合。
虽然人们正在探索许多表现为非线性的结构，以增强复原力，但许多结构具有以下特点：
1．它们的设计采用了一种显式的非线性变形机制，其强度较小，以减少成本和加速。
2．它们采用高度耐用或易于更换的消能装置，以减少与非线性变形无关的结构和非结构单元的受力和位移以及更多。
3．它们具有自定心特性，使结构的永久横向和纵向位移最小化。
系统考虑的梁、柱、墙、支撑和那些表现出起源面向滞回曲线（图2.1A）；
这种行为往往是通过使用屈服或摩擦的组合来提供滞后，并利用重力或后张拉提供自定心能力。特殊材料，如形状记忆OYS，也可以提供这些特性。
另一种方法是安装粘性或类似的阻尼装置。当安装在响应过程中基本保持弹性的简捷系统中时，粘滞阻尼器在自由系统中会非常有效。结构中的作用力、加速度和漂移。然而，在美国，传统的设计方法并不侧重于将漂移和加速限制在实现复原力所需的水平上。
粘滞阻尼器和具有自定心特性的元件通常安装在整个结构中。在动态响应过程中，需要进行大的非线性变形。这类系统可能会限制结构和非结构元素所经历的力和加速度，但它们可能无法限制与位移有关的损害。
另一种方法是隔震。虽然隔震已经使用了几十年，但设计规范和准则往往是为了提供与抗震性能相当的抗震性能。一些建筑。虽然假定孤立建筑比传统结构表现更好，但一般情况下，建筑规范允许在发生大地震时造成重大破坏。
2.3.1隔离设施
对于回弹，考虑峰层位移和残余位移是很方便的。漂移限制应防止不能屈服，可能导致结构元素需要检查和修理的损坏和永久残余位移。漂移也应该被限制，以防止对相对位移敏感的非结构元素之间的损坏。根据rst原理可以看出，钢支撑框架在层间漂移比约为0.25 （0.4%）的情况下，将开始屈曲或屈服支撑单元，在此作为弯矩。钢或混凝土框架将在0.9或1.25%左右的漂移比下屈服。许多类型的包层和隔板开始在漂移比约为0.3%的情况下显示损伤，信号不能造成伤害。NG的漂移比为1%。因此，在制定设计标准时，必须考虑到可能对结构和非结构单元造成的损伤，并考虑漂移极限。根据上面的例子，这是技术上可行，或许也是经济的，隔离一个抗力矩的框架，但很可能会在隔断，包层，电梯等，在结构之前发生重大的损坏。Al系统产生。因此，根据使用的非结构单元的类型，支撑框架(或剪力墙或其他刚性系统)可能更符合限制损伤t的要求。没有非结构成分。但是，在恢复目标事件期间，可能没有必要排除对非结构元素的所有损害，只要继续保持功能，并且在维修过程中，居住者可以在原地避难.
许多类型的非结构元素、设备和内容物对结构内加速度很敏感。为了防止与加速度有关的损害，必须考虑到某一标准的加速度极限。或在每个字符处的伪加速度谱的特性。为了简单起见，我们可以考虑一种设计，其中的oor级加速度限制在0.4 g，而其他速度则是这样。蓝灰色可能适合某些类型的元素和设备。
虽然在远离隔离面的设施的部分中，接近或完全弹性的行为将消除在这些地点发生残余位移的可能性，但有些隔离系统。Ms可能有残余位移。强烈地震后隔震系统中残余位移的可接受性应慎重考虑。如果计入I在实用程序的可及性和功能性方面，隔振器中的剩余位移可能不会损害震后的功能，因此是可以接受的。重定中心在某些情况下，地震后的孤立建筑可能是经济的，如果需要的话。
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