周福霖,崔 杰

(廣州大學 工程抗震研究中心,廣州 510405)

0 引 言

災害是人類社會中的一種特殊現(xiàn)象,給人類社會帶來了生命危害、經(jīng)濟嚴重損失等,并導致社會的不穩(wěn)定。由于成災的機理和災害的載體不同,災害的種類也多種多樣。土木工程防災是指針對以土木工程為載體的災害,通過工程技術來達到防災減災的目的。從災害種類上來區(qū)分有:地震、強風、火災、爆炸、地質(zhì)災害、洪水,等等;從涉及的學科上來區(qū)分,它包括結構工程、生命線工程、巖土工程、交通工程、水利工程等諸多學科;從其包含的科學問題上來講,它包括:災害源的發(fā)生機理、災害特征及其作用機制、工程結構的抗災力學分析、工程結構的抗災性能與現(xiàn)代設計理論、工程結構的災害模擬與控制等。因此,土木工程防災包含眾多內(nèi)容,是一門綜合性很強的新興學科,在工程學科中占有重要的地位。

綜上所述,土木工程防災,即涉及諸多的學科(結構工程、巖土工程、水利工程等),又涉及各類科學問題(靜力學、動力學、材料力學等),因此,土木工程防災減災問題不僅包含的內(nèi)容和學科眾多,問題復雜,也是當今土木工程學科中最重要、最活躍的領域之一。由于時間和篇幅所限,本文不能涵蓋所有的工程防災問題,擬以其主要的科學問題為主線,同時重點討論地震、強風等動力災害,拋磚引玉,探討該學科的發(fā)展現(xiàn)狀及前沿發(fā)展方向。主要闡述工程結構抗震與減震、工程結構抗風等方面的新理論、新方法、新材料和新技術。結合國際上的最新發(fā)展態(tài)勢,重點討論研究工程結構抗災防災的基本性能、分析理論與現(xiàn)代設計方法,結構災害的物理機制和災變過程,結構抗災性能設計理論和結構防災減災措施。

1 災害日趨嚴重

自然災害直接危害人類生命和健康,一次災害會導致千百萬人乃至上億人受災,其對人類社會的影響至深至遠,在人類歷史上留下過慘痛的教訓。以我國地震災害為例,1556年陜西華縣、潼關大地震,造成83萬人員遇難;1976年通海地震,造成1.6萬人遇難;1976年唐山地震,造成24萬人遇難;2008年汶川地震,造成近8萬人遇難。據(jù)統(tǒng)計資料,1949～1959年,因災害死亡人數(shù)94 914人,年平均8 629人;1960～1967年,因災害死亡人數(shù)43 084人,年平均5 386人;1978～1997年,因災害死亡人數(shù) 131 511人,年平均6 576人。由此可見災害對人類生命的嚴重威脅。

重大自然災害的特點是突發(fā)性和嚴重性,它往往也帶來巨大的經(jīng)濟損失,也嚴重制約國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計[4],在發(fā)達國家中,自然災害損失占GNP(國民生產(chǎn)總值)和財政收入的比例均很小。如,美國災害損失僅占GNP的0.27%,占財政收入的0.78%;日本災害損失僅占GNP的0.5%或更低;而我國1949年以來的災害損失占GDP的5.09%,占財政收入的27%?？梢?我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一,每年因災害造成的直接經(jīng)濟損失,約占國民生產(chǎn)總值的3%～ 5%。我國70%以上的大城市,半數(shù)以上的人口, 75%以上的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值位于災害頻發(fā)區(qū)。自然災害嚴重地威脅著國民經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。

在我國建設小康社會的偉大歷史進程中,城市化是社會進步的主要標志之一。今后20 a,我國將增加城鎮(zhèn)人口3.4億,這是一項人類歷史上從未有過的重大而艱巨的任務。城市規(guī)模的迅速擴大導致人口與財富的高度集中,也導致城市安全問題與災害危害性的日趨加重。據(jù)統(tǒng)計[4],2003～2008年,我國頻發(fā)的自然災害所造成的直接經(jīng)濟損失年均高達2 000億元以上,其總量及占GDP的百分比也呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。從1991～2000年間全球范圍內(nèi)發(fā)生的災害與前一個10 a相比并無顯著異常,然而因災害造成的損失卻比前一個10 a增加了3倍,比20世紀60年代的10 a增加了近10倍。災害所造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失和社會震蕩也愈來愈嚴重。例如:1995年日本神戶地震的直接經(jīng)濟損失達$1 500億之多,死亡5 438人;2001年美國 “九一一”事件,不僅造成了3 000多人員死亡,而且對美國的經(jīng)濟和社會留下了嚴重的創(chuàng)傷。歷史的經(jīng)驗教訓也表明,由于我國是人口大國,各類災害造成人員傷亡和對城市威脅的風險程度往往要高于其它國家。例如:世界上造成人員死亡最多的2次大地震就是我國歷史上的華山大地震和近代的唐山大地震;20世紀最后10 a世界上一次死亡人數(shù)多于300人的2次火災均發(fā)生在中國 (1994年克拉瑪依特大火災死亡323人、2000年河南洛陽東都商廈火災死亡309人);熱帶氣旋每年平均在我國登陸10次。其中,1994年9 417臺風和2004年 “云娜”臺風造成的直接經(jīng)濟損失都在200億元左右。2008年5月12日的汶川8級大地震,已確認69 227人遇難,失蹤17 923人,直接經(jīng)濟損失高達8 451億元。我國有22個省會城市和2/3的百萬以上人口的大城市位于地震高危險區(qū)。這深刻說明:在我國城市化進程中防災減災的重要性和迫切性。

世界各國對防災減災工作都給予了極大的重視。在1984年召開的第八屆世界地震工程大會上,美國前總統(tǒng)的科學特別助理、美國國家科學院院長、地震學家F.Fress提出了“國際減輕自然災害十年”的活動設想,隨后,聯(lián)合國正式發(fā)起 “國際減災十年 (1990～2000年)”行動,促進了全球聯(lián)合的高科技減災行動,160個國家分別成立了國家減災委員會。其后,在2005年,由聯(lián)合國在日本神戶市召開的世界減災會議上,探討了未來十年如何減輕災害對全球造成的損失,形成了 《兵庫宣言》、《兵庫行動框架》等重要文件。近10年來,國際組織和有關國家減災委員會設立了諸如 “聯(lián)合國全球災害網(wǎng)絡”、“歐洲尤里卡計劃”、“日本災害應急計劃”、“全球分大區(qū)的臺風監(jiān)測計劃”以及“美國颶風、洪水預報及減輕自然災害研究”等數(shù)以百計的防災減災研究項目,取得了許多重要的研究成果,為21世紀防災減災的深入研究奠定了基礎。我國政府歷來重視防災減災工作,為配合聯(lián)合國發(fā)起的 “國際減災十年 (1990～2000年)”行動,國務院成立了由28個部委局組成的中國國際減災十年委員會,目標是減輕災害損失的30%,并協(xié)調(diào)組織重大防災減災綜合行動,投入近2 000億元,實施了一系列重大減災項目。于1993年在北京召開的中國災害管理國際會議上提出的 “中華人民共和國減輕自然災害報告”,引起了世界各國的高度重視。在災害防御的指導原則上,強調(diào)了災害的監(jiān)測預報、災害防御、應急救援、災后重建的防災減災的指導思想,并取得了可喜的成果;在自然災害監(jiān)測方面,不僅加強了設備更新和改造,而且開展了一系列的技術攻關;在城市減災工程建設方面,加大了對城市減災關鍵工程的投入;在城市減災應急管理方面,開展了城市災害快速評估、災害區(qū)劃與災情評定標準的研究工作以及應急能力的建設。

然而,我們面臨的減輕災害的任務卻并沒有減輕,并且隨著人口的急劇膨脹,經(jīng)濟的不斷發(fā)展,防災減災的形勢日趨嚴重:①災害發(fā)生的危險性并沒減少,反而有不斷增長的趨勢。近期不斷發(fā)生的自然災害,如2008年汶川地震 (69 227人遇難)、2009年海地地震 (20多萬人遇難)、2010年智利地震(近700人遇難),這些災害時刻在提醒我們要加強防災減災的工作;②由于區(qū)域的限制,人類也正不斷向自然條件較為惡劣的區(qū)域進發(fā),如開發(fā)大西北的建設、海洋重大工程等。這些區(qū)域的自然條件更為復雜,所面臨的災害的風險也不斷加大;③雖然我們對災害的研究投入了巨大的精力和財力,但在災害面前,我們?nèi)员憩F(xiàn)出了一些無奈和無力。這表明目前人類所掌握的知識和技術,還遠不能實現(xiàn)防災減災的目標,尚有新的科學問題等待我們研究,新的技術等待我們開發(fā)和應用。加強防災減災科學研究和技術開發(fā)應用,是保障人類社會和諧持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

2 科學研究取得了顯著的研究成果

如前所述,土木工程防災是個復雜的問題,涉及諸多學科。為便于闡述問題,下面主要從災害源的發(fā)生機理、災害特征及其作用機制(包括工程結構的抗災力學分析、抗災性能與設計理論、災害模擬等)、災害的控制等3個方面敘述。

2.1 災害源的發(fā)生機理和特征

自然災害的預測是個十分復雜的問題,解決該問題要以詳細了解災害發(fā)生的機理,以及掌握詳細的觀測數(shù)據(jù)為基礎。然而遺憾的是,目前人類對災害的預測尚不能完全過關,但通過不懈的努力,對災源的發(fā)生機理和特征也具有了一定的了解。毫無疑問,這對達到最終防災減災的目的是極為重要的。盡管從學科角度出發(fā),這不是土木工程的范疇,但它卻和解決土木工程的防災問題密切相關。

2.1.1 震源機制和地震動場[4,11]

地面運動特征和地震動場的空間變化是抗震減災的重要基礎。與其它學科相比,工程地震的研究進展較為緩慢。主要的原因,一是對震源機制的了解不夠,二是地震動數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)不足。

震源的機制研究,主要依靠地震學的研究成果。20世紀80年代后震源反演技術得到發(fā)展,主要是利用近場地震動觀測記錄,并結合新的反演方法,得到了一些有意義的結果。而在最近的幾十年里,強震記錄的數(shù)據(jù)積累很快,尤其 1989年、1994年的美國地震、1995年的日本地震、1999年臺灣地震,以及最近的中國大陸汶川地震,幾乎每一次地震中都積累了幾十、上百條強震記錄。記錄到了地震動振幅大、頻譜寬的地震動,以及大的長周期加速度脈沖。這些記錄對研究地震動特征具有重要的價值,使得人們可以進一步研究地震動場的空間分布特性,以及地表的破裂、地震波的傳播等。此外,場地條件對地震動的影響也得到關注,以往歷次大地震中均顯示,不同場地條件上的建筑物震害差異十分明顯。場地條件不僅影響地震動幅值,還影響其頻譜特性。我國不同區(qū)域場地條件對地震動影響不同,東部沿海是深厚軟土,而西部高原區(qū)是淺埋巖層,對山區(qū)和盆地地區(qū),局部盆地(谷地)效應顯然更為重要。

目前我國工程地震研究應充分吸收大陸強震機理與預測的研究成果,以強震動觀測記錄和大城市地震活動斷層探查資料為依托,將震源破裂過程的模擬、地震波傳播和場地條件影響的研究緊密結合,開展強地震動特征、近場強地震動、場地條件對地震動的影響以及地震地表變形和破裂的研究。

2.1.2 風 場[4,7-10]

人們對強風的機制認識也不斷進步。在結構抗風中,通過長期的現(xiàn)場觀測,對近地風有了更清晰的認識。由國際著名風工程專家A.G.Davenport教授于60年代提出的方法以及以此為基礎的各國規(guī)范仍然是有效的。對平均風和脈動風的描述和特征研究,已得到一些有用的推薦值和推薦公式。在風氣候預測方面,目前主要是將災害性風氣候分類成幾種不同的形式,并分別采用最優(yōu)方法分類進行分析。在空氣動力作用方面,主要進展在于發(fā)現(xiàn)了來流湍流的空氣動力效應并建立了線性準定常計算方法和相關氣動參數(shù)的實驗識別方法。在理論研究方法方面,計算流體動力學已經(jīng)在均勻流動和鈍體繞流等風工程應用方面顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。在物理實驗技術方面,邊界層風洞一直是風工程的主要工具,風洞試驗的精度有了很大的提高。

在未來的一段時間內(nèi),對風場的理論研究,要從平穩(wěn)到非平穩(wěn)、均勻到非均勻、線性到非線性、高斯到非高斯,從定常到準定常再到非定常最后到瞬間態(tài),從單因數(shù)分析轉變到多因數(shù)耦合效應分析,并且要建立和完善各種風荷載或抗風設計規(guī)范。在現(xiàn)場實測方面,堅持長期的系統(tǒng)性的良態(tài)氣候風場近地風特性的現(xiàn)場實測,加強對颶風和雷暴等災害性風場的現(xiàn)場實測和統(tǒng)計,開展各種風效應敏感結構的Bench Mark現(xiàn)場實測、模型試驗和數(shù)值模擬修正。在風洞試驗方面,研發(fā)從簡單良態(tài)氣候風場模擬到復雜颶風氣候風場和雷暴氣候風場模擬所需要的儀器和設備。全面研究雷諾平均模型(RANS)、大渦模擬模型(LES)、直接數(shù)值模擬(DNS)和分離渦模型(DES)等湍流模擬模型,將對氣象物理場的數(shù)值模擬與風流場的數(shù)值模擬相結合。

盡管前述的內(nèi)容同地震學、氣象學的關系更為密切,但進一步加強對于地震、風場本身的發(fā)生機理和特性的研究,預測其發(fā)生的危險性,對預測和防御災害的危害性,是十分必要的,也將得到防災學科的高度重視。

2.2 災害的作用機制、分析及抗災設計

2.2.1 工程結構抗震

工程結構的抗震研究,經(jīng)過眾多學者的多年努力,已經(jīng)在力學機制、分析方法、抗震設計等方面取得了一系列卓有成效的研究成果。

傳統(tǒng)觀念的工程結構抗震非線性計算理論,已經(jīng)在整體結構分析模型、單元分析模型、構件恢復力模型、數(shù)值計算方法等方面取得了諸多重要成果。目前,已能夠從材料本構層次開始,進行整體結構 (包括地基和基礎,考慮土——結相互作用)的動力非線性分析。結構與地基的動力相互作用的數(shù)值分析已經(jīng)從頻域向時域發(fā)展,從線性分析向非線性分析發(fā)展,其中介質(zhì)材料非線性力學行為的描述、土與結構界面接觸問題等也取得一些重要進展。

在未來,研究人員將更加關注非線性破壞機理的研究,包括從基本構件向材料本構關系、結構性能兩端延伸,工程結構非線性破壞機理與災害反應分析理論,復雜結構的多維及動態(tài)本構關系、破壞準則、非線性動力學行為下的結構非線性抗災動力分析,多尺度損傷與失效機理的結構多尺度動力分析,以及結構的多場耦合振動分析及結構抗災動力分析的智能計算方法等。同時,近十年來幾次破壞性大地震發(fā)生后,工程結構的抗倒塌研究和設計也逐步引起了研究人員的高度關注。建筑結構在地震下的抗倒塌能力是建筑抗震設計的一個最重要、也是最核心的性能目標。美國、日本的相關多地震國家都投入大量力量進行結構地震倒塌研究。

相對來說,生命線工程的研究發(fā)展較晚,但卻得到人們的日益重視。目前,國際上生命線工程防災方面的研究集中在埋地管線、大型復雜生命線網(wǎng)絡抗震連通可靠度和功能可靠度分析方法、復合生命線工程系統(tǒng)的災害模擬與地震災場仿真、生命線工程系統(tǒng)災害快速評估和健康監(jiān)測以及城市綜合防災方面[12-13]。上述的研究,除了在埋地管線及生命線特種結構方面的研究相對較多以外,其它方面的研究尚處于不成熟或者剛剛起步階段。但研究不斷向著精細化、符合工程實際的方向前進。在系統(tǒng)層次,進行了大型復雜工程網(wǎng)絡的連通可靠度分析,并向著功能評價方向發(fā)展,進行了供水系統(tǒng)的抗震功能可靠度分析。進一步,在多系統(tǒng)地震耦合作用方面,國內(nèi)采用時-場域相結合的離散事件仿真方法來研究,國際上則主要從系統(tǒng)相互作用的角度展開。生命線工程系統(tǒng)災害快速評估和健康監(jiān)測已經(jīng)引起了國內(nèi)外的重視,相關的研究已經(jīng)逐步展開。城市綜合防災方面的工作涉及城市災害及次生災害危險性評估、災害和損失快速估計、災后應急反應決策等方面,3S和網(wǎng)絡技術等高新技術的應用研究將成為城市綜合防災的重要發(fā)展方向。

未來人們將更關注生命線工程系統(tǒng)網(wǎng)絡分析問題,復合生命線工程系統(tǒng)的災害反應分析及其控制,生命線工程的安全性監(jiān)測、災害預警技術與應急處置技術,復合生命線工程系統(tǒng)的災害模擬與災場控制,復雜生命線工程結構抗災可靠性分析理論研究,大型生命線工程網(wǎng)絡抗災可靠性分析基礎理論研究,大型復雜工程網(wǎng)絡的破壞機制與基于可靠性的設計理論,生命線工程系統(tǒng)優(yōu)化設計理論等[4]。

工程結構抗震與減震研究的核心是工程結構抗震設計理論。反應譜理論的提出是地震工程領域的一個重要里程碑。目前世界各國的抗震設計理論都是在反應譜和延性設計的基礎上形成的。20世紀90年代中期,中國、美國、日本學者先后提出了基于性能的抗震設計方法 (Performance–Based Seismic Design,PBSD)。目前,基于性能的抗震設計理念已經(jīng)受到了人們的廣泛關注,世界各國的學者紛紛投入了這一研究熱潮。

目前,基于性能的抗震設計理念已經(jīng)受到了人們的廣泛關注,世界各國的學者紛紛投入了這一研究熱潮。目前在基于性能的設計方面已有了各種設計標準和指南,國內(nèi)在一些重大工程中的應用已在國際上產(chǎn)生了重要影響。

實驗研究仍為檢驗理論的重要手段,模型試驗、數(shù)值分析、現(xiàn)場實驗以及多實驗室聯(lián)合實驗等多種手段,以及結合現(xiàn)代的計算機科學、觀測學等方面的研究成果,實驗手段和方法不斷得到充實和發(fā)展[3]。在室內(nèi)實驗方面,把振動臺 (臺陣)和快速擬動力結合的混合試驗方法近年來也受到了較多的關注。互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展為結構抗震試驗技術的提高與推廣提供了新的機遇,遠程結構協(xié)同實驗已成為國內(nèi)外學者的重要研究內(nèi)容之一。未來人們將更加關注如何將試驗技術與數(shù)值模擬技術結合,如何進一步充分利用先進的復合材料、智能材料、先進的傳感技術、現(xiàn)代信息技術,使得實驗更為精確。

2.2.2 工程結構抗風

風洞試驗是結構抗風的主要內(nèi)容和重要的研究手段。氣動彈性風洞試驗是目前直接獲取響應和識別風荷載的重要方法。該方法對不同的研究對象,如大跨橋梁、高聳結構,具有不同的模型。由于風洞試驗主要是借鑒航空領域的技術和方法,這使得風洞試驗與土木工程的模型試驗有很多不同之處。雖然在風荷載的模擬上產(chǎn)出了一些重要的成果,但還有許多問題有待研究,如紊流度的模擬等[7-10]。

大型復雜結構風荷載和響應機理、結構抗風性能和設計方法方面,已基本上建立了抗風設計體系,并在多數(shù)國家的建筑荷載規(guī)范中得到應用。但隨著建筑高度和柔性的增加及外形的個性化發(fā)展,橫風向的響應也越來越重要。對于低矮建筑的抗風問題,雖然近地高紊流模擬十分困難,但在現(xiàn)場觀測、室內(nèi)實驗方面較為便利,擬補了不足。

目前人們將主要關注[4]:邊界層風場特性研究和結構風效應的實測,風洞試驗理論和數(shù)值模擬方法研究,空氣動力學和氣動彈性力學機理研究,大尺度結構風效應及抗風設計,大型復雜結構風致災變物理和數(shù)值模擬,結構風致災變安全控制和城市風災評估,風效用敏感結構的風荷載和風效應理論研究和現(xiàn)場實測,強風作用下重大工程結構風荷載和風效應控制等。

2.3 工程結構的災害控制

結構振動控制可以有效地減輕結構在風和地震等動力作用下的反應和損傷、有效地提高結構的抗振能力和抗災性能,是抗震減災積極有效的對策[1-2]。土木工程結構振動控制技術的研究和應用可以追溯到上世紀50年代,日本Kobori提出了結構變剛度的減振概念,開啟了通過在結構上安裝附加元件減輕結構振動的結構振動控制新思路。結構振動控制按照其工作機理的不同,大體上分為基礎隔震、耗能 (阻尼)減振、主動和半主動控制、以及近年發(fā)展起來的智能控制。

基礎隔震通過在上部結構和基礎之間設置水平柔性層、延長結構側向振動的基本周期,從而減小水平地震地面運動對上部結構的作用。超高層建筑由于自身重量較大,不適用于采用基礎隔震的控制方案。結構被動耗能減振則是在結構中設置阻尼耗能元件和吸振系統(tǒng)、耗散結構振動的能量,從而減輕結構的動力反應,是適用于超高層建筑抗震和抗風的優(yōu)良控制裝置。70年代初,美國 Kelly提出在結構中設置非結構構件的耗能元件金屬軟鋼屈服耗能器,來分擔和耗散本來由結構構件耗散的能量,由此形成了結構耗能減振的一個重要方向。此外,美國在已倒塌的紐約世界貿(mào)易中心雙子塔上安裝的1萬多個粘彈性耗能器,美國西雅圖的Columbia SeaFirst大廈上就安裝的260個粘彈性耗能器,意大利那不勒斯的一幢29層鋼結構懸掛建筑安裝的軟鋼耗能器,都是耗能減震裝置在提高結構抗震和抗風性能的成功工程例證。結構中設置耗能元件通?？梢越o結構附加10%、甚至20%以上的阻尼比,對多數(shù)結構都具有較好的減振效果。由于被動耗能減振裝置是較早進行開發(fā)和研究的振動控制裝置,目前已有大量的耗能裝置的力學性能分析理論和試驗,以及安裝相關控制裝置的結構分析、設計和試驗成果。被動耗能減振結構已在國內(nèi)外建成了數(shù)百座,并在一定程度上經(jīng)受了地震的考驗。

結構主動控制通過實時測量結構反應或環(huán)境干擾,采用現(xiàn)代控制理論的主動控制算法、在精確的結構模型基礎上運算和決策最優(yōu)控制力,最后作動器在很大的外部能量輸入下實現(xiàn)最優(yōu)控制力。主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器HMD和主動質(zhì)量阻尼器AMD等主動控制系統(tǒng)在高層建筑、電視塔和大型橋塔結構的風振和地震反應控制應用中取得了很大的成功。目前已有50余座高層建筑、電視塔和大型橋塔結構(包括橋塔施工階段的風振控制)應用了HMD或AMD主動控制系統(tǒng)。但是,由于主動控制系統(tǒng)需要提供較大的外部能源,在一定程度上限制了主動控制技術的工程應用。此外,傳統(tǒng)的AMD控制系統(tǒng)中的液壓伺服作動器或伺服電機/馬達存在液壓作動系統(tǒng)構造復雜、制造成本高;需要定期換油、維護成本高;經(jīng)常由于密封不嚴而漏油、污染環(huán)境;系統(tǒng)運行噪聲大;經(jīng)過電液能量轉換后能源利用效率降低等等。針對上述問題,提出了電磁驅(qū)動AMD控制系統(tǒng),借鑒磁懸浮列車的驅(qū)動原理,利用電磁場耦和產(chǎn)生的電磁力作為結構振動主動控制力的來源,通過引入非接觸式電磁場電磁推力驅(qū)動技術,可以有效避免傳統(tǒng)AMD控制系統(tǒng)中接觸式傳力的諸多問題。

結構半主動控制和以磁流變阻尼器為典型代表的土木工程智能控制的原理與結構主動控制基本相同,只是實施控制力的作動器需要少量的能量調(diào)節(jié)以便使其主動地、甚至可以說是巧妙地利用結構振動的往復相對變形或相對速度,盡可能地實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力,目前已成功地將磁流變液阻尼器應用于橋梁和海洋平臺的振動控制。

上世紀中后期在美國、日本和臺灣發(fā)生的幾次大地震災害表明,按照目前抗震規(guī)范設定“大震不倒”的安全目標進行設計的建筑,雖然可以保障室內(nèi)人員的安全,但是由于結構損傷所帶來的巨額修復費用和結構功能失效所引起的經(jīng)濟損失無法估量。針對上述問題,1994年美國加州結構工程師協(xié)會 (SEAOC,Structure Engineer Association Of California)在加州緊急事務管理廳 (California Office Of Emergency Service)的組織下,由Vision 2000 Committee編寫出版了 《Performance-Based Seismic Engineering of Building》,系統(tǒng)提出結構性能設計的概念和理論框架[14]。1996年, ATC出版了ATC-40報告,將PBSD的核心思想納入其中。同年,由美國聯(lián)邦緊急事務管理廳(Federal Emergency Management Agency,FEMA)出版了FEMA273和FEMA274報告。上述3個文件是搭建了PBSD概念體系的基礎和理論框架。

SEAOC Vision 2000的文件中對結構基于性能設計的概念、結構性能水準和性能目標、結構性能設計的可行設計方法進行了詳細論述[5-6];ATC-40則主要針對鋼筋混凝土建筑結構,提出基于能力譜法的性能設計方法;FEMA273則針對在不同概率意義下的地震地面運動,提出結構的不同性能目標,以及在不同性能目標下結構從線性靜力分析到非線性時程分析的方法。在結構基于性能設計的理論發(fā)展過程中,美國和中國學者等人開創(chuàng)性和持續(xù)的研究工作,為該理論的發(fā)展奠定了基礎和原動力,發(fā)表了一系列理論研究成果。此外,SEAOC和FEMA以及ATC三家研究機構圍繞PBSD展開了一系列的研究。

在PBSD的理論框架下,如何對結構進行分析并損傷評估,是PBSD設計的重要內(nèi)容之一。目前,用于PBSD的鋼筋混凝土結構抗震設計方法主要包括線性靜力分析法、線性動力分析法、非線性靜力分析法和非線性動力分析法。Pushover是一種基于增量靜力非線性分析的結構非線性靜力分析方法,其核心是假定結構承擔某一特定分布形式的側向力,對結構進行增量加載的全過程非線性分析,直至結構發(fā)生破壞為止。由于其簡單、高效,而且能夠得到較滿意結果,因而在結構非線性靜力分析和基于性能設計中得到廣泛重視。Pushover分析由于假定結構反應受單一振型控制,忽略了高階振型的影響,因此在多振型結構,尤其是超高層建筑分析中存在較大誤差。

在地震作用下采取合理的損傷模型和損傷指標來評估結構的損傷和破壞程度,是PBSD中在不同設防水準下以及確定的性能目標下,評估結構性能水準和安全水平的重要內(nèi)容。目前,被地震工程界所普遍接受的局部或構件損傷模型包括結構最大塑性變形、結構累積耗能以及Park和Ang提出的最大位移與滯回耗能線性組合的雙參數(shù)地震損傷模型。大量試驗結構證明,結構的損傷和倒塌與結構最大塑性變形(或采用層間位移角或延性系數(shù))之間具有密切的關系,因此被廣泛應用于結構安全評估。然而,結構最大塑性變形沒有考慮結構在動力荷載作用下的低周疲勞和累積能量耗散,因此具有一定的局限性。如何考慮超高層建筑的構件和結構特性,發(fā)展適用于超高層建筑的損傷模型,是超高層建筑結構損傷評估的重要內(nèi)容。

結合結構振動控制技術,發(fā)展基于性能設計的結構非線性損傷控制方法,是提升結構抗震設計水平和提高結構抗震能力的有效技術途徑。然而,有關該方面的研究目前還較少,相關研究成果極為缺乏。

結構振動控制技術和基于性能的結構設計理論,是上世紀后幾十年結構抗震設計理論、方法和技術的重要成果。結構振動控制技術的發(fā)展,為提高結構在動力災變動力荷載作用下的抗災能力提供了全新的技術手段;而基于性能的結構設計理論,為提升結構的抗震設計能力,建立全新的抗震設計規(guī)范提供了框架體系。然而,目前結構振動控制的研究和應用,基本上都是建立在結構線性假定的基礎上,尚未在基于性能設計的理論框架下,建立結構-控制體系的一體化設計理論和方法。

從理論上,應進一步開展下列研究:結構破壞控制 (可更換構件)設計理論研究,減、隔震裝置理論模型與分析方法,工程結構減震設計理論,減震結構破壞機制,大型復雜結構減震理論與技術研究。

此外,抗火和抗爆也是土木工程災害關注的兩個重要問題,限于篇幅所限,本文未作進一步的討論,相關的內(nèi)容可見本文的參考文獻 [15-18]。

綜上所述,在防災減災領域,已取得了許多研究成果,并以此為基礎,編制了各類用于指導防災減災工作的規(guī)范、規(guī)程和標準,這些研究成果得到了實際應用。從理論研究和實際問題上來看,在許多情況下,這些成果是卓有成效的。然而,在一些巨大的災害面前,比如汶川地震,卻顯得我們減災工作的目的遠遠沒有實現(xiàn),也使得我們進行反思。雖然它包含一些政策上的原因,但在技術層面上,毫無疑問,也存在著問題。是我們的技術完全不過關,還是我們現(xiàn)有的技術推廣應用的不理想,這一點應該在我們考慮發(fā)展戰(zhàn)略和未來工作重點時引起足夠的重視。

3 未來發(fā)展淺析

防災減災是個長期復雜的工作,不僅需要多學科的相互交叉和支持,從根本上解決所面臨的科學技術難題,同時,也要充分推廣應用現(xiàn)有各類成熟先進的技術,切實提高工程結構——尤其我國城鄉(xiāng)地區(qū)——的抗震能力。前者是個長期的工作,要隨著研究工作的深入,不斷積累和儲備,后者要加大對現(xiàn)有良好技術的推廣,把我們目前現(xiàn)有的知識和技術充分的發(fā)揮和應用。

3.1 深入基礎理論的研究,增強知識和技術儲備

1)要深入研究工程結構抗震與減震方面的新理論、新方法、新材料和新技術。以工程結構為對象,重點研究結構地震破壞機理、結構抗震設計理論和災害的控制。通過持續(xù)的理論研究和工程實踐,形成具有我國特色的防災減災理論體系,解決我國土木工程實踐中的防災減災科學技術問題,使我國的土木工程防災減災科學技術水平與我國的土木工程大規(guī)模建設熱潮相適應,并逐步與國際潮流融合。

2)在瞄準學科前沿方向和關鍵科學問題開展深入研究的同時,結合我國的重大工程,諸如能源領域、交通領域等,與城市發(fā)展的工程實際問題與技術需求,積極推動本學科的創(chuàng)新性研究成果的轉化和應用,提升整個建設行業(yè)的高科技含量。

3)通過參與國際交流與合作,讓國際同行了解我國的土木工程防災減災科學技術水平與工程應用成果,并使我國的土木工程防災減災科學技術在國際上占有一席之地。

3.2 促進基礎研究成果轉化,加大現(xiàn)有成熟技術的推廣應用

1)要優(yōu)先支持和引導科技成果的轉化,積極推廣現(xiàn)有技術——建筑技術、災害控制技術的應用,使得我們現(xiàn)有的科技水平得到充分的體現(xiàn),發(fā)揮作用。

2)在著重加強重大工程中科學技術的開發(fā)應用的同時,也要加強提升量大面廣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑的減災能力,使得廣大民眾切實得到益處。

[1]周福霖.工程結構減震控制[M].北京:地震出版社, 1997.

[2]呂西林,復雜高層建筑結構抗震理論與應用 [M].北京:科學出版社,2007.

[3]Stephen A.Mahin.Future Directions in Earthquake Simulation[C]//Proceedings of the First International Conference on Advances in Experimental Structural Engineering,July 19-21,2005,Nagoya,Japan,39-49.

[4]防災學科發(fā)展戰(zhàn)略研究組.防災工程學科研究進展與發(fā)展趨勢 [R].國家自然科學基金委員會建筑、環(huán)境與土木工程學科發(fā)展戰(zhàn)略研究綜合報告,2005.

[5]2008.IABSE Congress Report.Creating and Renewing Urban Structures[R].Chicago,USA,September 2008.

[6]J.P.Moehle.Performance-based Seismic Design of Tall Buildings in the U.S.[C]//The 14th World Conference on Earthquake Engineering,Beijing,China, October 12-17,2008.

[7]H.Tanaka and Y.J.Ge.Bluff-body Aerodynamics Application in Long-span Bridges[R].Lecture Notes of the COE International Advanced School on Wind Effects on Buildings and Wind Resistant Design,Shanghai,China,2007.

[8]G.Solari.The International Association for Wind Engineering(IAWE):Past,Present and Future[C]// Proceedings of the International Workshop on Wind Engineeringand Science,New Delhi,India,October 2004.

[9]項海帆.現(xiàn)代橋梁抗風理論與實踐 [M].北京:人民交通出版社,2005.

[10]A.G.Davenport.Past,Present and Future of Wind Engineering[C]//Proceedings of the 5th Asia and Pacific Conference on Wind Engineering,Kyoto,Japan,October 2001.

[11]A.D.Kiureghian.A Coherency Model for Spatially Varying Ground Motions[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2006,25(1):99-111.

[12]李 杰.生命線工程的研究進展與發(fā)展趨勢[J].土木工程學報,2006,38(1):6-11,42.

[13]T.D.O'Rourke,and C.H.Trautmann.Earthquake Ground Rupture Effects on Jointed Pipe[C]//Proceedings of 2nd Specialty Conference on Lifeline Earthquake Engineering,ASCE,San Francisco,1981:65-79.

[14]B.R.Ellingwood.Mitigating Risk from Abnormal Loads and Progressive Collapse[J].J Perform Construct Facil,2006,20(4):315-323.

[15]G.Q.Li,S.C.Jiang,Y.Z.Yin,et al.Experimental Structural on the Properties of Constructional Steel at Elevated Temperatures[J].Journal of Structural Engineering,2003,129(12):1 717-1 721.

[16]P.Bamonte and R.Felicetti.Fire Scenario and Structural Behaviour of Underground Parking Lots Exposed to Fire[C]//Proceedings of International Conference,Prague,19-20 Feb.2009:60-65.

[17]Z.X.LI,H.DU,C.X.BAO.A Review on Current Researches on Blast Load Effects of Building Structures in China[R].Tianjin:Transactions of Tianjin University,2006,12(S):35-41.

[18]Y.C.Shi,H.Hao,Z.X.Li.Numerical Derivation of Pressure-Impulse Diagrams for Prediction of RC Column Damage to Blast Loads[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35(11):1 213-1 227.