我们可能小时候都学过,三角形具有稳定性,而四边形就没有。
我们用木条来钉一个长方形钢结构斜撑节点,接着用力推它一下,它就变成平行四边形了。然而,如果用木条钉一个三角形,那么要让它变形就会比较困难。
我们的房子在立面上大多是长方形的,是方方正正的小盒子。但我们显然不希望房子一推就变成平行四边形,一地震就垮塌,我们不想让这种情况发生。
怎么办呢?
以木条为例。就如同我要用木条去钉一个四边形的画框。那么怎样做才能让这个画框更加结实并且不容易变形呢?
三种常见的方法:
在画框的角部钉上加固用的小木条,使木条之间的夹角保持为 90 度,如此一来,画框就难以变成平行四边形了。
在画框的背面钉一个 X 形的木条,也可以钉人字形的木条,还可以钉 V 字形的木条,或者钉 K 字形的木条,把四边形变为多个三角形的组合,如此一来,画框就很难再变形了。
在画框的四根木条之间镶入一块木板,这块木板很结实,不易变形。由于有了这块木板的支撑,画框也不会轻易变形了。
在实际的结构工程里,第一种被称作“框架 moment frame”。第二种被称作“带支撑的框架 braced frame”。第三种被称作“带边框的框架 - 剪力墙”。
第一种框架的关键部位为梁和柱相交的节点区域钢结构斜撑节点,此区域相当于上面木条画框里角部的加固小木条。简单来讲,在地震发生时,节点区域是真正的耗能区域。
对于第二种带支撑的框架而言,依据耗能部位的差异,实际上能够划分成好几种类别。
比如有一种 CBF,即中心支撑。通常情况下,支撑本身是耗能构件,地震能量主要通过斜向支撑的受拉和受压屈服来消耗。
一种 EBF 为偏心支撑,它看似与中心支撑相近,然而实际耗能部位大不相同,设计考虑也存在差异。其主要的耗能部位集中在经过特殊设计的耗能梁段。
存在另一种可能,这个带支撑的框架具备额外的耗能与限位机构。这些机构或许是液压,或许是橡胶阻尼器,还有可能是形状记忆合金这类智能材料,甚至可能是能够主动响应的液压千斤顶。
当然,我所画的这些都是极为夸张的示意图。在现实中,变形的程度要比这些画里的小很多。
那么现实中是什么样的呢?
这是地震中发生变形的 CBF 支撑。中间区域的情况并非是油漆被磨掉了。而是由于钢梁的变形程度过大,超出了油漆层的变形能力。因此,油漆在地震中脱落了,从而显示出了明显的变形区域。
这是在地震中发生变形的 CBF 的 X 形支撑。能够清晰地看到这个 X 形支撑原本所处的位置,也就是位于装饰面层之中的那个 X 形凹槽。
这是地震后的 EBF 偏心支撑。我们同样可以看到,中间的耗能梁段存在掉漆的情况。
事实上,带支撑的框架是一种高效的抗震体系。它尤其适合已有房屋的抗震加固。后期加装这种框架相对比较方便。所以在日本、加州这些地震高发区域,这种带支撑的框架比较常见。
举个例子,这是日本东北大学的化学系教学楼:
这栋教学楼在 2011 年的东日本大地震中毫发无损。东日本大地震的矩震级高达 9.1 级。
妹岛老师的作品以轻灵著称,即便如此,该有支撑的地方依然要有。在我个人看来,具备这样特点的才是好的建筑师。
比如 Tsuchihashi 住宅,
再比如 Shibaura House,斜撑更为明显: