了解地震和风两种自然力及其影响

　　众所周知，地球是一个椭球体，平均半径约6400公里，从外到内由地壳、地幔和地核三部分组成。就整个地球来讲，地壳约为5-40公里厚；地幔约为2900公里厚；地核呈球体，半径约为3500公里。目前，在各种地震中，大多是由于地质构造作用所产生的构造地震，即地球在运动和发展过程中的能量作用（如地幔对流、转速的变化等）在岩层中产生很大的应力，日积月累，当地应力积累超过岩石的强度极限时，岩石遭到破坏产生错动，将所积累的应变能转化为波动能，当这种振动传到地面时就是构造地震。 断层产生剧烈的相对运动的地方叫震源（非一个点而是一片区域）；震源正上方的地面位置叫震中。一般把深度小于60公里的地震称为浅源地震；60-300公里的称为中源地震；大于300公里的称为深源地震。我国境内发生的地震，绝大部分为浅源地震，一般震源深度为10-40公里；深源地震分布非常有限，仅出现在东北的吉林和黒龙江的个别地区，深度一般为400-600公里。地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播。在地球内部，地震波是一种体波，包含有＂纵波＂和＂横波＂。纵波，也称P波和压缩波，其质点的振动方向与波的前进方向一致，可在固体和液体内传播，一般表现出周期短、振幅小；横波，也称S波和剪切波，其质点振动方向与波的前进方向相垂直，仅能在固体内传播，不能在液体内传播，一般表现出周期长、振幅较大。通常P波比S波的传播速度快。由于地球的层状构造特点，体波通过分层介质时，将会在界面上反复产生反射和折射，经过多次反射后，投射到地面时，又激起两种仅沿地面传播的面波——瑞雷波（R波）和乐夫波（L波）。R波传播时，质点在波的传播方向和地面法线所组成的平面内作椭圆运动；L波在地面上呈蛇形运动形式。面波振幅大而周期长，只在地表附近传播，振幅随深度增加而减小，速度为S波速度的90%左右，面波的传播是平面的，比体波衰减慢，故能传播到很远的地方。震级是地震的级别，用于说明某次地震能量的大小，一次地震只有一个震级，震级差一级，地震波能将差32倍。目前，国际上比较通用的是里氏震级。其原始定义系1935年由美国著名的地质学家里克特和古登堡在研究加里福尼亚地方性地震时提出的，即：震级大小系利用标准地震仪（指周期为0.8秒，阻尼系数0.8,放大倍数2800的地震仪），在距震中100公里处记录的以微米为单位的最大水平地动位移（振幅）的普通对数值，表达式：M（震级）=lgA （最大振幅）。一般来说，小于2级的地震，人们感觉不到，称为微震；2-4级地震称为有感地震；5级以上就要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；7级以上称为强烈地震或大地震；8级以上称为特大地震。应当说明，地震发生时，岩石所积累的应变能是转化为热能、机械能和波能三部分的，我们所说的地震能量只限于其中的波能，占其应变能的一部分，甚或只是一小部分。地震烈度是指某一地区，地面及房屋建筑等遭受到一次地震影响的强弱程度。由于各地区距震中远近不同，地质情况和建筑情况不同，所受到的影响也不一样，因而烈度不同。一般说，震中区烈度最大，离震中愈远烈度愈小。目前，我国使用的是12度烈度表。地震是一种复杂的自然现象，地震波系通过房屋地基土传给建筑物的。同时，地震波也是一种波形十分复杂的行波。根据谐波分析原理，可以将它看作是由n个谐波叠加而成的。震害表明，凡是建筑物的自振周期与地基土的自振周期相等或接近时，建筑物的震害都有加重的趋势。这是由于建筑物发生类共振的现象所致。因此，在结构抗震设计时，应使结构的自振周期避开地基土的自振周期，以免产生类共振现象。在工程实践中，常常利用地基常时微振的主要周期作为土的自振周期（两者十分接近）。地震时，地面运动加速度记录是地震工程的一项基本数据。对于大多数测得的地震来说，地面运动的两个水平分量的平均强度大体相同，地面竖向加速度相当水平加速度的1/3-2/3。地面运动使地面上原来静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动，在振动过程中，作用在结构上的惯性力就是地震荷载。因此，地震荷载是一种反映地震影响的等效荷载。地震荷载与一般荷载不同，它不仅取决于地震烈度的大小，而且还与建筑物的动力特性（结构的自振周期、阻尼比等）有密切关系。目前，我国和其它许多国家的抗震设计规范都采用反应谱理论来确定地震荷载。建筑结构的自振频率取决于体系的刚度和质量的分布情况，而与引起自由振动的初始条件无关，是体系所固有的，故又叫固有频率或自振频率。风，也是一种自然现象，空气的水平运动称为风。它是由太阳辐射热引起的。太阳光照在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升，热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风。风是矢量，包括方向和大小，即风向和风速。风的强度用风速来表示，一般分为13级。从空气受力方面讲，近地面风受到三种力作用：1）水平气压梯度力，垂直于等气压线，决定风向和风速，风从高等压线吹向低等压线；2）地转偏向力，垂直于风向，不影响风速，只影响风向，纬度越高偏向力越大，通常是北半球右偏向，南半球左偏向，赤道位不变；3）摩擦力，与风向反向共线，只影响风速，而不影响风向。下地面越粗糙摩擦力越大，风力就越小，海（水）平面的摩擦力就小，因此风速就大，常用来风力发电。随着高度升高，摩擦力减小，地转偏向力转动，直到与水平气压梯度力共线平衡，此时，风向与等压线平行，呈水平状。风直接作用于物体的迎风面，施加作用力，使之产生振动。表达式为：P（风压）=0.125V 2。由于风速随着高度升高而升高，因此，在高层建筑设计和施工中，风的影响呈现第一考虑要素。2021年5月18日、19日和20日，深圳 赛格大厦连续三天在下午约1：00点左右出现＂晃动＂现象，引起社会高度重视。据资料介绍，深圳 赛格大厦位于深南中路与强北路交汇 处的东北繁华商业段上，占地面积9653平方米，地下4层，地上72层，总建筑面积175000平方米，屋顶面设有双联天线塔，总高度为345.8米，是一座大型超高层建筑。其功能为以高科技电子信息产业及产品配套为主的集办公、商贸、会展、金融、证券、会所为一体的现代化、多功能、智能型的国际大厦；由深圳赛格集团全资投资兴建。1995年初设计招标，4月份由香港华艺中标，并由其完成方案设计、扩初设计和施工图设计。这是我国第一次由我们自已的建筑/工程师设计的超高层建筑。为了不落俗套，我们国人第一次采取了较新颖的钢管混凝土结构。这也是目前世界上最高的钢管砼结构建筑。在土木建筑工程中，应用钢管砼结构始于20世纪初的美国，我国1959年开始研究，1963年成功应用于北京地铁东站工程中。钢管砼结构与钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材约50%，焊接工程量大幅减少；与普通钢筋砼相比，在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下，构件的截面面积可减小约一半，从而建筑空间加大；砼和水泥用量以及构件自重相应减少约50%。要创新就要担风险，为了慎重起见，在结构设计时，设计人员在概念设计指导控制下，遵从＂从构件到结构具有充分的延性，形成良 好的耗能机制。＂＂充分考虑抗震要求的结构多道防线，防止在不可预测极端情况下的倒塌，避免灾难性的后果。＂的思想，先后采用TAT、SATWE、SAP91、ETABS在内的当年所有先进计算软件，对地下室在内的整体结构进行了在竖向荷载、风载、地震荷载等作用下的结构计算和分析；在整体分析的基础上，对梁、柱、剪力墙等主要构件逐个进行了手工计算和另自编程序软件分析复核。最终才定下了设计方案。从此看来，创新方案的确 定，不可谓不重视，不可谓不谨慎！如此慎重的设计，加之由中建二局华南分公司（钢结构王牌施工单位）施工建造，质量是有保障的。可为什么会出现＂晃动＂呢？自5月18日，大厦出现第一次晃动后，深圳市应急局和住建局领导都十分重视，在做好现场管控的同时，组织院士专家和权威技术团队对晃动原因进行分析。据悉专家组由岳清瑞、周福霖、聂建国、陈政清和陈湘生等5位工程院院士和勘察设计大师组成。经过约2个月的的检测、监测和会商分析，7月15日，专家组给出最终的结论：1）晃动的主要内因是大厦使用20余年后，局部楼层压型钢板组合楼板及楼顶桅杆连接点等累积损伤，使结构的自振频率、阻尼比等动力特性发生了改变；2）主要外因是楼顶桅杆在风的作用下，与风产生了涡激共振；3）桅杆涡激共振频率与大厦自振频率在第四阶2.12HZ重合，具备了与大厦共振的必要条件，从而使大厦出现弯扭组合模态的晃动；4）大厦在设计荷载范围内和正常使用情况下，主体结构是安全的，可以继续使用；5）为避免后患，屋顶桅杆应拆除。2021年8月9日-8月21日，由中建二局负责拆除桅杆51.2米，重236吨。同时楼层经过整修后，大厦于9月8日起恢复了正常营业。通过了解地震和风两种自然力，我们大抵上能有这样的感性认知：对于一座超高层建筑来讲，如果出现晃动现象，一般是出现了＂某种共振＂，不是和地基土（脚下）的地震共振，就是和屋顶的突出物（头顶）的风共振。参考文献：1、《建筑结构抗震设计》地震出版社；2、《钢管砼结构的计算与应用》中国建筑工业出版社。