建筑工程師必知的10種建筑抗震技術(shù)

時間：2020-01-05作者：湖南漢坤實業(yè)有限公司瀏覽：621

像地震這樣的天災(zāi)總會降臨在人們的頭上，成功預(yù)測和有效抵御它們，成為天文和地理學家、工程師奮斗終生的目標。然而，在現(xiàn)實中，讓受災(zāi)地區(qū)人民提前撤離。
但這并不意味著地震學家的學術(shù)工作沒有意義：他們?yōu)榱硪蝗喝恕ㄖこ處焸儭峁┝溯^關(guān)鍵的抗震指導，告訴了這些工程師應(yīng)該在哪些地區(qū)建造抗震等級多高的建筑物。接下來的事情，就交給工程師了。
這些絕**聰明的天才研發(fā)出了許許多多種增強建筑物強度，或提高其耐受能力的技術(shù)，當中許多你可能從來沒見過，甚至沒想象過會出現(xiàn)。

懸浮結(jié)構(gòu)
絕大多數(shù)建筑物都不是你所見到的樣子，為了穩(wěn)固，在表面之下還有地基以及利用地基建設(shè)的地下室。然而，地基/地表建筑一體化的結(jié)構(gòu)在抗震方面并不理想，當發(fā)生足夠猛烈的地震時，地基由于擠壓和振動造成的形變足以對地表以上的建筑帶來災(zāi)難性的破壞。
建筑工程師們帶來了一種充滿創(chuàng)造力的新結(jié)構(gòu)——懸浮結(jié)構(gòu)：將地表建筑和地基分離開來，中間加上由培林(bearing)組成的“懸浮層”，當?shù)卣鹨u來時，地基發(fā)生的劇烈晃動對地表建筑造成的影響將被較大地減小。

地震多發(fā)國家日本的工程師較加時髦：建筑的傳感器感知到地震波，在半秒鐘內(nèi)啟動一個壓縮裝置，將地表建筑和地基之間的充滿高壓氣體，讓建筑物真的“浮”在地基之上。地震結(jié)束后，壓縮裝置開始泄壓，房屋又能恢復(fù)到原來的地基結(jié)構(gòu)之上——沒人受傷，地表房屋也沒有遭到破壞，皆大歡喜。

減震器
你較熟悉的減震器在汽車里：簡單來說，這是一套由彈簧和液壓系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑵囆旭偖斨挟a(chǎn)生的震動吸收轉(zhuǎn)化，從而讓駕駛和乘坐汽車的人感覺舒服一點。如果沒有減震器，那么當你開車路過減速坎的時候可要小心點了，因為每一道坎都足以讓你的腦袋**穿車頂棚……

建筑工程師將減震器應(yīng)用到了建筑當中。和汽車當*部分垂直放置的減震器不同，建筑物當中的減震器水平或傾斜放置在每一樓層當中，當?shù)卣鸢l(fā)生時建筑物的扭動使得樓層之間產(chǎn)生水平方向的動能，而減震器將動能的一部分呢吸收轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低了這種動能對建筑物帶來的撕裂效應(yīng)。

阻尼器
你去過臺北101大樓嗎?如果去過的話，那你一定對樓頂金色大球印象深刻吧?101大樓還推出過以這個大圓球為原型的吉祥物“Damper Baby”。其實，大圓球是101大樓的“定樓神球”——風阻尼器，學名叫做Tuned Mass Damper(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)。

對于101這樣的摩天塔狀大樓來說，不需要地震，當風力達到足夠大時就足以對建筑物產(chǎn)生形變，使得居于其中的人感覺到“震感”。而大圓球被放置在樓頂，當外力作用于建筑物的時候，建筑物的擺動產(chǎn)生的能量會被傳導至大圓球，而大圓球的質(zhì)量剛剛好可以在建筑物整體擺動時，由于慣性的作用向相反方向擺動，從而中和建筑物的形變。

可更換鋼連梁“保險絲”
大多數(shù)人的生活中可能只見過空氣開關(guān)了——還記得以前的保險絲嗎?
保險絲可以承受一定程度的電流，而當電流強度**過額定情況時，保險絲就會熔斷，從而將整個電路切斷，保護電器進而保護人身安全。
工程師將保險絲的邏輯應(yīng)用到了建筑當中。鋼架結(jié)構(gòu)建筑物由于金屬的特性本身具有一定的彈性，從而可以吸收一定程度的震動能量。除了鋼結(jié)構(gòu)之外，建筑工程師還將在整個建筑物從頭到腳用垂直的可更換鋼纜“纏緊”。這些鋼纜就像皮筋一樣，可以將整個結(jié)構(gòu)受力。當?shù)卣鸢l(fā)生時，鋼纜可以吸收相當大一部分的動能，保持建筑物的結(jié)構(gòu)端正。




一旦受力過高，鋼纜會向保險絲一樣崩斷，將能量釋放給鋼結(jié)構(gòu)以及其它的鋼纜。就像保險絲一樣，鋼纜是可替換的——勒緊自己，保衛(wèi)生命!

搖擺墻
高科技往往意味著高造價。搖擺墻是采用特殊構(gòu)造、底部具有一定轉(zhuǎn)動能力和較大抗側(cè)剛度的結(jié)構(gòu)墻體,它能夠有效控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向變形模式,且能夠以多種方式與消能減震裝置結(jié)合,提高結(jié)構(gòu)的耗能能力,進而提升結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。







對于抗震要求不太高的建筑物來說，在有限的造價內(nèi)實現(xiàn)足夠的抗震等級，建筑師往往會采用core-wall(**墻)技術(shù)：在建筑物的中心位置(通常是電梯井的四周)砌筑強化鋼筋混凝土墻。在**墻上繼續(xù)加裝**提到的一些彈性強化裝置，比如可調(diào)節(jié)的鋼筋等。結(jié)果就是在較低的造價上實現(xiàn)了建筑的**結(jié)構(gòu)具有足夠的震動耐受性。

地震波“隱形衣”
地震不是簡單的地面來回震動，它沒你想象的那么簡單。震源發(fā)出地震波，具體體現(xiàn)為地表以下內(nèi)部傳遞的實體波，和較復(fù)雜的、多種波型經(jīng)過多次折反射在地表傳遞的表面波。
地震波，和光波一樣，都是一種波。人們總是憧憬著隱形衣的問世，光可以直接穿過這種材質(zhì)，不會讓掩蓋在材質(zhì)后面的人或物顯現(xiàn)出來(可以參考《碟中諜4》里伊森·亨特和他的伙伴班吉在克林姆林宮地下室通道里曾經(jīng)使用過的“障眼幕布”，雖然實現(xiàn)原理不同，不過效果差不多，見下圖)。

然而這種材質(zhì)的物料，從組成的粒子大小和例子的排列結(jié)構(gòu)上都十分特殊，以至于現(xiàn)實生活中非常難以實現(xiàn)……
所幸，地震波相比光波來說，因為頻率、波長等參數(shù)的關(guān)系，想要實現(xiàn)“隱形”較*一些，較何況隱形根本不需要那么嚴格，只需要將地震波偏振到其他方向，即可讓“隱形衣”所保護的建筑免受地震波的波及。

2013年一次試驗中，法國科學家在5米深的地下用點陣的方式排布了一系列直徑0.3米左右的高強度塑料材質(zhì)的圓柱。從地表下傳來的地震波的動能，在進入之后被鎖定在了這個結(jié)構(gòu)當中，然后被平移到了結(jié)構(gòu)的外側(cè)，從而有效降低了結(jié)構(gòu)上方的建筑物所接受到的動能。

然而，一種型號的“隱形衣”往往只對特定頻率的地震波有效，而真實情況中的地震波往往是多種多樣的。**提到的表面波才是造成傷亡的較大原因，而這種結(jié)構(gòu)對表面波幾乎沒有效果;較何況這種結(jié)構(gòu)本身就很脆弱，在對抗大地震時自身也脆弱的不堪一擊……
但，有效果總比沒效果好，對吧?

形狀記憶合金
建筑當中主要采用兩種材料：(鋼筋)混凝土和鋼鐵，因為他們的堅固性較高。但是，抗擊地震不僅需要堅固性，還需要耐受力。耐受力高的材質(zhì)在地震發(fā)生時可以產(chǎn)生形變而吸收地震的動能，同時將動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。而一旦動能太過強大，材質(zhì)的形變程度**過其可耐受的程度，就會直接斷裂、破碎。
人類社會較早使用較為粘土結(jié)構(gòu)建造房屋，后來他們不滿足于簡單的粘土結(jié)構(gòu)，開始使用木頭;還不滿意，有了磚木混合;還不滿意，有了混凝土;依然不滿意，有了鋼筋混凝土;仍然不滿意，有了純鋼架結(jié)構(gòu)。但即便是較為堅固的鋼架結(jié)構(gòu)依然會有耐受力不足的情況。于是，材料科學家和建筑工程師開始考慮使用一種較為強大的材質(zhì)：形狀記憶合金(Shape Memory Alloys)。

由鎳和鈦組成的鎳鈦記憶合金可以比現(xiàn)有的建筑用鋼在彈性上提升30%的水平。當一次足夠災(zāi)難性的地震發(fā)生，連鋼架都因為強大的動能被撕裂的時候，形狀記憶合金和鋼筋混凝土建成的建筑物依然堅挺。這種合金在被人們形象地成為“智能合金”。
它就像你的記憶枕一樣，可以在你躺下的時候用較合適的姿勢承受腦袋的質(zhì)量，在你起床的時候回復(fù)原來的形狀。形狀記憶合金用在建筑上并不一定能回復(fù)到**原模原樣，但至少建筑里的人沒事，財產(chǎn)受到的影響不大，足夠偉大了。

碳纖維加固改造
在剛剛發(fā)生的尼泊爾大地震中，人員傷亡和財產(chǎn)損失是一方面，許多歷史遺產(chǎn)建筑遭受的損失較是無法估量。
保護這些年久失修的古建筑，提升其抗震性，可能遠比修建新的抗震建筑在過去重要，然而尼泊爾過去沒有把握住這樣的機會。警鐘已經(jīng)敲響，我們該怎樣提升這些在建設(shè)過程中沒有考慮抗震性能的建筑?

工程師們用碳纖維和尼龍、聚酯、乙烯基質(zhì)等化纖材質(zhì)的線纜繳合在一起，捆綁在建筑物的承重結(jié)構(gòu)上，比如橋梁的橋墩，建筑物的承重墻，從而用較低的成本實現(xiàn)對非抗震結(jié)構(gòu)建筑物的抗震加固改造。這種方式叫做FRP——Fiber-Reinforced Plastic wrap。研究顯示，經(jīng)過這種方式進行多次加固的建筑物抗震能力能夠獲得20%～40%的提升。

生物材質(zhì)

蜘蛛和海蠣子，給材料科學家和建筑工程師帶來了新的靈感。




在單位粗細和數(shù)量上對比，蜘蛛絲比鋼鐵還要堅韌。然而材料科學家們發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲擁有一種特別有趣的、“非線性”的堅韌表現(xiàn)：當被拽壓變形時，蜘蛛絲的韌度先提升;當力度到達一定程度時，蜘蛛絲開始變得柔軟以應(yīng)對形變;力度繼續(xù)提高，蜘蛛絲又開始變得堅韌——很顯然，彼得·帕克充分利用了這一點。
生物學家們還發(fā)現(xiàn)了海中的一些有殼軟體動物和他們的殼相連的那段部分(對，就是你們經(jīng)常吃的瑤柱)在堅固和柔軟之間的配比較為合適——大約為4：1。這種配比使得這些貝殼類生物在面對海上的風浪時得以存活。

紙板
相對較復(fù)雜的多層紙板結(jié)構(gòu)較為堅固——這其實并不需要科學家去研究，把你家買電器產(chǎn)品留下的紙板箱多折幾層就能發(fā)現(xiàn)了。
日本建筑師有坂茂將紙板卷成筒，刷上用作密封、粘合和防水保溫的**高分子材料聚氨酯，當做建筑物的主要框架材料。2011年2月新西蘭**大教堂因地震倒塌，奪走了近200條人命?，F(xiàn)在，原址上拔地而起的新大教堂就是用上面描述的這種紙板筒結(jié)構(gòu)，加上加固用的木梁建成的。

紙板結(jié)構(gòu)非常堅固，兼具彈性，質(zhì)量較輕。用這種材質(zhì)結(jié)構(gòu)建造的建筑，抗震性能較好;一旦倒塌，也比傳統(tǒng)的混凝土/鋼架結(jié)構(gòu)建筑對人員和財產(chǎn)造成的損害小到不知道哪兒去了……
上完廁所，也許你應(yīng)該重新認識一下用完的紙卷筒……


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