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[海外慈善]建筑防震,城市"安居"各有招

2022年1月17日14:10 来源:解放日报 作者:彭德倩 选稿:马芸

图像智利圣地亚哥。 视觉中国 图

近几个月,“包邮区”偶发微震,有惊无险。其实,从全球范围来看,防震抗灾始终是城市建设的重要议题。

 

  在建筑规范技术上,城市结合自身特点,在规划设计、分区布局、建设技术等领域都有新探索,安居各有招。

  2003年1月21日,一场不幸的灾害中,一个工程界奇迹被世界见证——

  发生在墨西哥Colima州沿海地区的7.6级地震,给处于断层附近的墨西哥城再次带来巨大的破坏。然而,在30秒的强烈震动过程中,Torre Mayor大楼震感强度比其他建筑小很多。液体阻尼器如同“安全气囊”,最大限度吸收和消耗了地震带来的冲击能量,成功起到减震作用。由此,这幢楼成为世界抗震工程领域的标志性建筑之一。

  地震是人类社会面临的自然灾害之一。据统计,地球每年平均发生500万次左右的地震,其中,5级以上的破坏性地震约1000次。目前,科学技术还不能准确预测并控制地震的发生。

  对城市而言,如何更好地防范及降低地震带来的影响,是一项长期工作。工程实践证明,对建筑结构进行抗震设计是减轻地震灾害的一种积极有效的方法。

  全面分析

  对抗“七伤拳”

  地震对建筑的破坏,可以用“七伤拳”来形容,而建筑抗震设计可从对结构与力的充分研究出发,对症下药。

  近年来,日本和许多国家一样,不断加大城市防震减灾的新技术开发,探索城市综合减灾的新路。其中,“免震结构公寓”是诸多新技术的集中展示。

  一座建在埼玉县川口市的55层公寓在设计中,使用了直径最大达800毫米、管壁厚度40毫米的钢管,管中注入比普通混凝土强度高3倍的高强度混凝土,该公寓共使用这种钢管168根。同时,这一建筑还使用了刚性结构抗震体。通常来说,高层公寓以柔性结构为主流,靠整个建筑来减弱地震引起的摇动,但在强风刮过来时,楼的结构也会发生一定的摇动。采取了刚性结构后,摇动大大降低。如发生阪神大地震级别的地震时,柔性结构的建筑一般要摇动1米左右,而刚性结构建筑只摇动30厘米。另一幢建在东京的免震结构公寓,高达93米,建筑物外围使用了新研制的高强度16积层橡胶,建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样,在烈度为6的地震发生时,就可将建筑物的受力减少至二分之一。

  在低层、多层住宅建筑方面,轻型木结构是北美、新西兰等国家采用的主要结构形式。这种类型的结构主要是以钢筋混凝土或砌体为基础,上部结构采用规格材料和木基结构板材以及其他工程木产品,其特征类似箱型结构。美国现代建筑规范对轻型木结构的抗震设计都有详细的设计规定。北美洲历史上几次大地震的经验表明,在满足规范要求的前提下,轻型木结构因其自身质量轻、强度高以及结构的高次超静定等特性,均表现出良好的抗震性能。

  1964年阿拉斯加地震,是20世纪北美震级最大的地震之一,里氏8.4级。这次地震的特点之一是地震与其之后的余震间隔时间很短,造成该州安克雷奇市人口密集区的地表滑移。轻型木结构的建筑在地震中表现出良好的结构整体性,即使在地表运动的情况下,除了建筑物位置方向发生变化,其余均未造成很大的破坏。

  从建筑结构变革趋势来看,施工技术的发展往往领先于结构设计的发展,当前结构抗震研究的重要目标是加快发展抗震设计方法,更经济安全地保持地震后的建筑功能。现代抗震设计方法始于20世纪初,随着人们对震动和结构反应特性研究的不断深入,结构抗震理论研究经历了以结构承载力分析为主,发展到兼顾承载力和结构变形,再到全面分析结构的承载力、变形、损伤和耗能的过程。

  在一个多世纪的工程技术发展过程中,研究者们提出的抗震设计基本思路大致有5种:基于承载力的抗震设计方法,基于延性的抗震设计方法,基于损伤耗能的抗震设计方法,能力抗震设计方法,基于性能的抗震设计方法。

  堵不如疏

  苦练“乾坤大挪移”

  2010年3月,一场8.8级特大地震突袭智利,其强度之大震惊世界。当地大部分建筑扛住了巨震。尽管大地震发生在距离其首都圣地亚哥325公里之外,但圣地亚哥市感受到的地震强度也达到了8.2级。之后几天,有人乘车从智利首都圣地亚哥机场前往市区。一路上交通顺畅,车流时速超过100公里。放眼望去,高速公路两旁看不到一栋倒塌的建筑。很难想象,这是一座刚刚经历了大地震劫难的城市。

  据统计,当时圣地亚哥99%的房屋都成功躲过一劫,虽有一些房屋开裂,但仅有20多栋房屋严重受损。其中原因,除了政府要求所有建筑都按照抗击9级地震的标准来设计之外,还有不少独具匠心的设计思路。“乾坤大挪移”便是其中之一。

  由于智利曾遭受大地震的袭击,当地人深知地震的巨大动能无法抵抗,所以智利防震设计的理念不是建造坚不可摧的建筑,而是尽可能地缓冲、释放地震能量,对其加以引导,最大限度地保全建筑物,减小损失。堵不如疏,在已有的实践中妙招频频。

  如:多层房屋的混凝土楼板被专门设计成两块,中间用橡胶或泡沫分隔开。当地震来临时,可以缓冲巨大的冲力,从而保证楼板不会因为扭曲而断裂。

  在地震中,圣地亚哥机场候机楼连接高速公路的一座桥梁一端塌陷,引发外界质疑。对此,设计师的回应出乎所有人意料——这是“故意的”。设计师的考虑是,如果桥的两端都固定连接,大地震来临时,强大的张力会拉垮与之相连的候机楼或是高速公路。只有一端固定,大地震来时,经过特殊处理的“非固定”一端受力后会自然塌下来,既保护了候机楼,又保护了公路。

  在智利这一地震多发国家,广泛采用“强柱弱梁”的抗震设计。这一理念是为了在特大地震发生时,通过梁的断裂来缓冲地震能量,但是柱不会断,尽可能保证楼房不会整体倒塌,从而在最大限度地减少伤亡。地震中受灾最严重的康塞普西翁市区,一幢顶部出现30度倾斜的高层建筑,有数层楼的楼板都塌了,但大楼的柱子并未断裂,依然矗立。

  针对如何引导、释放地震动能,各国科学家和工程领域专家的发明天马行空,充满想象力。

  一家日本公司开发了名为“局部浮力”的抗震系统,即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。局部浮力系统在上层结构与地基之间设置贮水槽,水的浮力承担建筑物大约一半重量。这样既减轻了地基的承重负荷,又可以把隔震橡胶小型化,降低支撑构造部分的刚性,从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时,贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火,地震发生后可作为临时生活用水。以8层楼医院建筑为例,配备这一系统的成本比普通抗震系统高出大约2%。

  德国科学家则研制出了一种特殊的“抗震墙纸”。地震中大部分的伤亡是由倒塌的房屋造成的。现有的一些抗震材料,比如一种特殊的弹簧结构,可以在地震中减少冲击。然而,这类材料往往很昂贵,德国研究人员希望找到成本更低的替代品。“抗震墙纸”应运而生,它是一种带有玻璃纤维的特殊布料,可以作为砖混结构墙的墙纸使用。材料的主要成分是一种聚氨酯分散体,有助于加固最脆弱的地方。墙纸作用原理是将地震所释放的能量分散到整面墙壁上,避免像窗户和门框这样脆弱的结构超载。测试过程中发现,“抗震墙纸”一定程度上防止了各种结构的崩塌。即使没有完全防止,也可减缓其崩塌的过程,争取更多人员逃生的时间。

  古今相通“以柔克刚”

  在建筑抗震领域,古今中外的“鲁班”们,思想也有共通之处。

  我国古代建筑中,有不少经历多次强烈地震仍然完好无损,这是中国乃至世界建筑史上的佳话。柔性框架、台基隔震、斗拱承托、榫卯连接……这是木结构古建筑的抗震机理。

  例如,木结构房屋中,结构构件的联结均采用榫卯联结,虽然榫卯削弱了木构件的承载面积,使节点处的承载力有所下降,但古建筑结构中材料余度很大,削弱后的木截面面积仍足以承受较大荷载,从而充分利用了半刚性接头的柔性。榫卯联结不仅改变了结构的特性,而且在地震过程中,由于榫卯接触面的摩擦,耗散了地震能量,相当于在节点处安装了阻尼器,从而减小了结构的地震响应。

  再如,优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一,对提高建筑的抗震能力也做出过贡献。形成大屋顶需要复杂结构和大量构件,大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性;庞大的屋顶以其自重压在柱网上,也提高了构架的稳定性。

  几千年后的英国科学家则致力于利用纳米聚合体粒子研发特殊墙体,从而建造一种能在地震中“自我愈合”的特殊房屋。据称,这种墙体在压力(地震期间)的挤压下,纳米聚合粒子将流入裂缝中并变硬,形成固体材料,从而对房屋的裂缝进行自动填补。

  在希腊,同样有研究人员探索可以自我保护和修复的“智能屋”,路径却与英国人不尽相同——“智能屋”里安装了多种传感设备,即便是对最轻微的震动也会有所察觉,并可借助屋内设备减少甚至抵消地震带来的震动。

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