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2017版:工程师必知的“建筑抗震”技术

来源:建造师  作者:编辑  日期:2017-8-15
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  像地震这样的天灾总会降临在人们的头上,成功预测和有效抵御它们,成为天文和地理学家、工程师奋斗终生的目标。然而,在现实中,让受灾地区人民提前撤离。

  本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布:

  像地震这样的天灾总会降临在人们的头上,成功预测和有效抵御它们,成为天文和地理学家、工程师奋斗终生的目标。然而,在现实中,让受灾地区人民提前撤离。

  但这并不意味着地震学家的学术工作没有意义:他们为另一群人——建筑工程师们——提供了最关键的抗震指导,告诉了这些工程师应该在哪些地区建造抗震等级多高的建筑物。接下来的事情,就交给工程师了。

  这些绝顶聪明的天才研发出了许许多多种增强建筑物强度,或提高其耐受能力的技术,当中许多你可能从来没见过,甚至没想象过会出现。

  悬浮结构

  绝大多数建筑物都不是你所见到的样子,为了稳固,在表面之下还有地基以及利用地基建设的地下室。然而,地基/地表建筑一体化的结构在抗震方面并不理想,当发生足够猛烈的地震时,地基由于挤压和振动造成的形变足以对地表以上的建筑带来灾难性的破坏。

  建筑工程师们带来了一种充满创造力的新结构——悬浮结构:将地表建筑和地基分离开来,中间加上由培林(bearing)组成的“悬浮层”,当地震袭来时,地基发生的剧烈晃动对地表建筑造成的影响将被极大地减小。

  减震器

  你最熟悉的减震器在汽车里:简单来说,这是一套由弹簧和液压系统组成的结构,能够将汽车行驶当中产生的震动吸收转化,从而让驾驶和乘坐汽车的人感觉舒服一点。如果没有减震器,那么当你开车路过减速坎的时候可要小心点了,因为每一道坎都足以让你的脑袋顶穿车顶棚……

  建筑工程师将减震器应用到了建筑当中。和汽车当中大部分垂直放置的减震器不同,建筑物当中的减震器水平或倾斜放置在每一楼层当中,当地震发生时建筑物的扭动使得楼层之间产生水平方向的动能,而减震器将动能的一部分呢吸收转化为热能,从而降低了这种动能对建筑物带来的撕裂效应。

  阻尼器

  你去过台北101大楼吗?如果去过的话,那你一定对楼顶金色大球印象深刻吧?101大楼还推出过以这个大圆球为原型的吉祥物“Damper Baby”。其实,大圆球是101大楼的“定楼神球”——风阻尼器,学名叫做Tuned Mass Damper(调谐质量阻尼器)。

  对于101这样的摩天塔状大楼来说,不需要地震,当风力达到足够大时就足以对建筑物产生形变,使得居于其中的人感觉到“震感”。而大圆球被放置在楼顶,当外力作用于建筑物的时候,建筑物的摆动产生的能量会被传导至大圆球,而大圆球的质量刚刚好可以在建筑物整体摆动时,由于惯性的作用向相反方向摆动,从而中和建筑物的形变。

  可更换钢连梁“保险丝”

  大多数人的生活中可能只见过空气开关了——还记得以前的保险丝吗?

  保险丝可以承受一定程度的电流,而当电流强度超过额定情况时,保险丝就会熔断,从而将整个电路切断,保护电器进而保护人身安全。

  工程师将保险丝的逻辑应用到了建筑当中。钢架结构建筑物由于金属的特性本身具有一定的弹性,从而可以吸收一定程度的震动能量。除了钢结构之外,建筑工程师还将在整个建筑物从头到脚用垂直的可更换钢缆“缠紧”。这些钢缆就像皮筋一样,可以将整个结构受力。当地震发生时,钢缆可以吸收相当大一部分的动能,保持建筑物的结构端正。

  一旦受力过高,钢缆会向保险丝一样崩断,将能量释放给钢结构以及其它的钢缆。就像保险丝一样,钢缆是可替换的——勒紧自己,保卫生命!

  摇摆墙

  高科技往往意味着高造价。摇摆墙是采用特殊构造、底部具有一定转动能力和较大抗侧刚度(词条“刚度”由行业大百科提供)的结构墙体,它能够有效控制结构在地震作用下的侧向变形模式,且能够以多种方式与消能减震装置结合,提高结构的耗能能力,进而提升结构整体的抗震能力。

  对于抗震要求不太高的建筑物来说,在有限的造价内实现足够的抗震等级,建筑师往往会采用core-wall(核心墙)技术:在建筑物的中心位置(通常是电梯井的四周)砌筑强化钢筋混凝土墙。在核心墙上继续加装前面提到的一些弹性强化装置,比如可调节的钢筋等。结果就是在较低的造价上实现了建筑的核心结构具有足够的震动耐受性。

  地震波“隐形衣”

  地震不是简单的地面来回震动,它没你想象的那么简单。震源发出地震波,具体体现为地表以下内部传递的实体波,和更复杂的、多种波型经过多次折反射在地表传递的表面波。

  地震波,和光波一样,都是一种波。人们总是憧憬着隐形衣的问世,光可以直接穿过这种材质,不会让掩盖在材质后面的人或物显现出来(可以参考《碟中谍4》里伊森·亨特和他的伙伴班吉在克林姆林宫地下室通道里曾经使用过的“障眼幕布”,虽然实现原理不同,不过效果差不多,见下图)。

  然而这种材质的物料,从组成的粒子大小和例子的排列结构上都十分特殊,以至于现实生活中非常难以实现……

  所幸,地震波相比光波来说,因为频率、波长等参数的关系,想要实现“隐形”更容易一些,更何况隐形根本不需要那么严格,只需要将地震波偏振到其他方向,即可让“隐形衣”所保护的建筑免受地震波的波及。

  2013年一次试验中,法国科学家在5米深的地下用点阵的方式排布了一系列直径0.3米左右的高强度塑料材质的圆柱。从地表下传来的地震波的动能,在进入之后被锁定在了这个结构当中,然后被平移到了结构的外侧,从而有效降低了结构上方的建筑物所接受到的动能。

  然而,一种型号的“隐形衣”往往只对特定频率的地震波有效,而真实情况中的地震波往往是多种多样的。前面提到的表面波才是造成伤亡的最大原因,而这种结构对表面波几乎没有效果;更何况这种结构本身就很脆弱,在对抗大地震时自身也脆弱的不堪一击……

  但,有效果总比没效果好,对吧?

  形状记忆合金

  建筑当中主要采用两种材料:(钢筋)混凝土和钢铁,因为他们的坚固性较高。但是,抗击地震不仅需要坚固性,还需要耐受力。耐受力高的材质在地震发生时可以产生形变而吸收地震的动能,同时将动能转化为其他形式的能量。而一旦动能太过强大,材质的形变程度超过其可耐受的程度,就会直接断裂、破碎。

  人类社会最早使用极为粘土结构建造房屋,后来他们不满足于简单的粘土结构,开始使用木头;还不满意,有了砖木混合;还不满意,有了混凝土;依然不满意,有了钢筋混凝土;仍然不满意,有了纯钢架结构。但即便是最为坚固的钢架结构依然会有耐受力不足的情况。于是,材料科学家和建筑工程师开始考虑使用一种更为强大的材质:形状记忆合金(Shape Memory Alloys)。

  由镍和钛组成的镍钛记忆合金可以比现有的建筑用钢在弹性上提升30%的水平。当一次足够灾难性的地震发生,连钢架都因为强大的动能被撕裂的时候,形状记忆合金和钢筋混凝土建成的建筑物依然坚挺。这种合金在被人们形象地成为“智能合金”。

  它就像你的记忆枕一样,可以在你躺下的时候用最合适的姿势承受脑袋的质量,在你起床的时候回复原来的形状。形状记忆合金用在建筑上并不一定能回复到100%原模原样,但至少建筑里的人没事,财产受到的影响不大,足够伟大了。

  生物材质

  蜘蛛和海蛎子,给材料科学家和建筑工程师带来了新的灵感。

  在单位粗细和数量上对比,蜘蛛丝比钢铁还要坚韧。然而材料科学家们发现蜘蛛丝拥有一种特别有趣的、“非线性”的坚韧表现:当被拽压变形时,蜘蛛丝的韧度先提升;当力度到达一定程度时,蜘蛛丝开始变得柔软以应对形变;力度继续提高,蜘蛛丝又开始变得坚韧——很显然,彼得·帕克充分利用了这一点。

  生物学家们还发现了海中的一些有壳软体动物和他们的壳相连的那段部分(对,就是你们经常吃的瑶柱)在坚固和柔软之间的配比极为合适——大约为4:1。这种配比使得这些贝壳类生物在面对海上的风浪时得以存活。

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