公交车突然起步，脚跟着车走，上半身却因惯性向后晃了一下。地震中的楼房也会遇到类似的问题。地面带动楼底运动，楼层因惯性产生相对运动，形成层间位移，梁柱和墙体便要承受相应的内力与变形。

美国联邦应急管理局的抗震入门资料就把地面运动和楼房变形联系在一起[1]，顺着这个过程看，便容易理解建筑为什么需要具备承受变形的能力，有些建筑还会在楼底设置隔震支座，让一部分水平变形集中在专门设计的位置。

一、地面晃动就像坐公交

地震波传来，地面会来回运动。与地基相连的建筑底部随之运动，楼层因惯性对地面运动产生动力反应，形成地面运动引起的结构惯性力；各层运动并不完全相同，相邻楼层之间因而可能出现相对位移和层间变形，梁、柱、墙就受到反复拉扯和弯曲[1]，使整栋楼振动起来。

楼体摇晃与建筑的质量和刚度都有关系。质量越大，产生同样的加速度所需的力越大；刚度则反映结构有多不容易变形。两者共同影响建筑自己的振动节奏，也就是固有频率，如果地面运动中有接近这一节奏的成分，会发生共振，对楼房的影响会更大[1]。

二、反复变形时 还要继续撑住

建筑除了需要有足够的强度和刚度，还要有延性。延性是什么？构件即使已经出现一定损伤，仍能承受较大变形并继续承载，这就是延性。它有助于减小构件突然失去支撑的风险，但震后可能会留下永久变形，震后应由专业人员检查，并按损伤情况决定是否修复[2]。

强度反映结构抵抗作用的能力，刚度反映它抵抗变形的能力，延性则强调进入非弹性阶段以后继续变形和承载的能力。构件足够强，并不等于变形一定小；具有一定刚度，也不能免去对延性和连接构造的要求。三者需要一起设计[1,2]。

钢筋混凝土通过钢筋和混凝土两种材料的配合获得这种能力。混凝土擅长受压，钢筋能承受拉力，在发生一定范围的永久变形后仍可继续承载[2]。图1展示的是一个梁柱节点试件，混凝土尚未浇筑。沿着长钢筋看，能找到一圈圈围住它们的箍筋。图1 梁柱节点试件的纵向钢筋与外围箍筋（图片来源[3]）

这些箍筋能约束内部混凝土，帮助防止纵向钢筋受压时过早弯折，同时也参与抵抗剪切作用。构件能否在反复变形中保持承载能力，与这样的配筋和连接细节有关[2]。

三、在楼脚下设置一层可以变形的支座

那么我们该如何缓和地面传给建筑的振动呢？图2提供了一个直观例子。美国犹他州议会大厦下方，黑色圆柱形隔震支座夹在混凝土基座与上部结构之间，上面的重量通过它们向下传递，水平方向则留有变形能力。图2 犹他州议会大厦下方的隔震支座（图片来源[4]）

支座是怎样做到既能承重，又能侧向变形的？常见的叠层橡胶支座把橡胶层与薄钢板交替叠合，橡胶在水平方向较容易变形，钢板则限制它受压时向侧面鼓出，帮助支座承受更大的竖向重量[1]。这样的设计使得地震发生时，将水平变形集中在隔震层，使建筑整体的摇摆节奏放慢，减轻对上部结构的影响。一些隔震装置还能耗散能量，进一步削弱地面给楼体带来的破坏。

四、阻尼器消耗振动能量

另一种做法是在楼内安装阻尼器。以黏滞阻尼器为例，楼层的相对运动带动装置伸缩，内部流体经过狭窄通道时产生阻力，将一部分振动能量转化为热[5]。汽车减震器也利用了类似的思路。

两种做法的侧重点不同。隔震主要借助具有适当水平变形能力的隔震层改变结构整体的动力特性，减少传到上部结构的地震作用；消能减震主要靠楼内专门装置耗散振动能量，降低结构响应。两者都要与主体结构、连接以及允许的位移一起设计[1,5]。

研究人员在钢框架模型的振动台试验中，观察到加设这类装置后，层间变形等响应强度将得到有效减小[5]。

五、把一栋楼搬上振动台

工程师们还会使用振动台检验结构的抗震能力。图3所示的木结构试验楼，就在美国加州大学圣迭戈分校进行的模拟地震实验[6]。图3 按真实尺寸建造的十层木结构试验楼搭建现场（图片来源[7]）

照片拍的是搭建过程。一层层木楼板、竖起的木墙板和吊装设备都清晰可见。这栋按真实尺寸建造的试验楼后来达到十层，于2023年开展振动台试验，研究者们可以同时观察主体与附属部件的表现[6]。

在模拟地震激励下，试验楼的摇摆墙出现摇摆，钢拉杆提供复位能力。研究人员还需要检查外墙、室内隔墙和楼梯[6]，这些部件即使不承担主体结构的主要抗震任务，却也关系到人员安全以及震后建筑能否继续正常使用。

我国《建筑与市政工程抗震通用规范》按不同强度的地震作用提出目标。在规定的多遇地震下，建筑应保持正常使用；设防地震下允许出现损伤，经一般性修理可继续使用；罕遇地震下则要求避免倒塌或危及生命的严重破坏[8]。这些目标与当地设防要求有关，允许的损伤程度也不尽相同。

参考文献

[1] FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY. Earthquake-resistant design concepts: an introduction to seismic provisions for new buildings: FEMA P-749[R]. 2nd ed. Washington, DC: FEMA, 2022. https://www.wbdg.org/FFC/DHS/fema_p749_2022.pdf.

[2] MOEHLE J P, HOOPER J D. Seismic design of reinforced concrete special moment frames: a guide for practicing engineers: NIST GCR 16-917-40[R]. 2nd ed. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2016. DOI:10.6028/NIST.GCR.16-917-40.

[3] VIJAY SHANKAR G R, SUJI D. Seismic behaviour of exterior reinforced concrete beam-column joints in high performance concrete using metakaolin and partial replacement with quarry dust[J]. ISRN Materials Science, 2014, 2014: 361962. DOI:10.1155/2014/361962. 图1原图：https://commons.wikimedia.org/?curid=88224895. CC BY 4.0。

[4] RENLUND M. Base isolators under the Utah State Capitol[EB/OL]. [2026-09-25]. https://commons.wikimedia.org/?curid=12560348. 图2照片，CC BY 2.0。

[5] CONSTANTINOU M C, SYMANS M D. Experimental study of seismic response of buildings with supplemental fluid dampers[J]. The Structural Design of Tall Buildings, 1993, 2(2): 93-132. DOI:10.1002/tal.4320020203.

[6] RUBALCAVA A. Engineers shake tallest full-scale building ever constructed on UC San Diego earthquake simulator[EB/OL]. (2023-05-11)[2026-09-25]. https://today.ucsd.edu/story/engineers-shake-tallest-full-scale-building-ever-constructed-on-uc-san-diego-earthquake-simulator.

[7] JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING. UCSD-JacobsSchool-20221130-Shake Table-Tallwood-03054-8MP[EB/OL]. (2022-11-30)[2026-09-25]. https://commons.wikimedia.org/?curid=131042638. 图3照片，CC BY 2.0。

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 国家市场监督管理总局. 建筑与市政工程抗震通用规范: GB 55002—2021[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2021.

作者：刘飞龙，力学研究所硕士研究生。

审核专家：刘筠乔，上海交通大学副教授；韩艳，长沙理工大学教授。

内容来自：中国力学学会

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