建筑工程師必知的10種建筑抗震技術(shù)

建筑工程師必知的10種建筑抗震技術(shù)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(xué)家、工程師奮斗終生的目標(biāo)。然而，在現(xiàn)實(shí)中，讓受災(zāi)地區(qū)人民提前撤離。但這并不意味著地震學(xué)家的學(xué)術(shù)工作沒有意義：他們?yōu)榱硪蝗喝恕ㄖこ處焸円弧峁┝俗铌P(guān)鍵的抗震指導(dǎo)，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。這些絕頂聰明的天才研發(fā)出了許許多多種增強(qiáng)建筑物強(qiáng)度，或提高其耐受能力的技術(shù)，當(dāng)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(dāng)發(fā)生足夠猛烈的地震時(shí)，地基由于擠壓和振動(dòng)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(dāng)?shù)卣鹨u來時(shí)，地基發(fā)生的劇烈晃動(dòng)對地表建筑造成的影響將被極大地減小。地震多發(fā)國家日本的工程師更加時(shí)髦：建筑的傳感器感知到地震波，在半秒鐘內(nèi)啟動(dòng)一個(gè)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。減震器你最熟悉的減震器在汽車?yán)铮汉唵蝸碚f，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?dāng)中產(chǎn)生的震動(dòng)吸收轉(zhuǎn)化，從而讓駕駛和乘坐汽車的人感覺舒服一點(diǎn)。如果沒有減震器，那么當(dāng)你開車路過減速坎的時(shí)候可要小心點(diǎn)了，因?yàn)槊恳坏揽捕甲阋宰屇愕哪X袋頂穿車頂棚……建筑工程師將減震器應(yīng)用到了建筑當(dāng)中。和汽車當(dāng)中大部分垂直放置的減震器不同，建筑物當(dāng)中的減震器水平或傾斜放置在每一樓層當(dāng)中，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)建筑物的扭動(dòng)使得樓層之間產(chǎn)生水平方向的動(dòng)能，而減震器將動(dòng)能的一部分呢吸收轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低了這種動(dòng)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(gè)大圓球?yàn)樵偷募槲?DamperBaby”。其實(shí)，大圓球是101大樓的"定樓神球”——風(fēng)阻尼器，學(xué)名叫做TunedMassDamper（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(dāng)風(fēng)力達(dá)到足夠大時(shí)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(dāng)外力作用于建筑物的時(shí)候，建筑物的擺動(dòng)產(chǎn)生的能量會被傳導(dǎo)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(dòng)時(shí)，由于慣性的作用向相反方向擺動(dòng)，從而中和建筑物的形變?？筛鼡Q鋼連梁"保險(xiǎn)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(xiǎn)絲嗎?保險(xiǎn)絲可以承受一定程度的電流，而當(dāng)電流強(qiáng)度超過額定情況時(shí)，保險(xiǎn)絲就會熔斷，從而將整個(gè)電路切斷，保護(hù)電器進(jìn)而保護(hù)人身安全。工程師將保險(xiǎn)絲的邏輯應(yīng)用到了建筑當(dāng)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(dòng)能量。除了鋼結(jié)構(gòu)之外，建筑工程師還將在整個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)受力。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，鋼纜可以吸收相當(dāng)大一部分的動(dòng)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(xiǎn)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(xiǎn)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(jià)。搖擺墻是采用特殊構(gòu)造、底部具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)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(jià)內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的抗震等級，建筑師往往會采用core-wall（核心墻）技術(shù)：在建筑物的中心位置（通常是電梯井的四周）砌筑強(qiáng)化鋼筋混凝土墻。在核心墻上繼續(xù)加裝前面提到的一些彈性強(qiáng)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(jià)上實(shí)現(xiàn)了建筑的核心結(jié)構(gòu)具有足夠的震動(dòng)耐受性。地震波"隱形衣”地震不是簡單的地面來回震動(dòng)，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(shí)體波，和更復(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(shí)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(shí)生活中非常難以實(shí)現(xiàn)……所幸，地震波相比光波來說，因?yàn)轭l率、波長等參數(shù)的關(guān)系，想要實(shí)現(xiàn)"隱形"更容易一些，更何況隱形根本不需要那么嚴(yán)格，只需要將地震波偏振到其他方向，即可讓"隱形衣”所保護(hù)的建筑免受地震波的波及。2013年一次試驗(yàn)中，法國科學(xué)家在5米深的地下用點(diǎn)陣的方式排布了一系列直徑0.3米左右的高強(qiáng)度塑料材質(zhì)的圓柱。從地表下傳來的地震波的動(dòng)能，在進(jìn)入之后被鎖定在了這個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)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(dòng)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(shí)情況中的地震波往往是多種多樣的。前面提到的表面波才是造成傷亡的最大原因，而這種結(jié)構(gòu)對表面波幾乎沒有效果;更何況這種結(jié)構(gòu)本身就很脆弱，在對抗大地震時(shí)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(dāng)中主要采用兩種材料：（鋼筋）混凝土和鋼鐵，因?yàn)樗麄兊膱?jiān)固性較高。但是，抗擊地震不僅需要堅(jiān)固性，還需要耐受力。耐受力高的材質(zhì)在地震發(fā)生時(shí)可以產(chǎn)生形變而吸收地震的動(dòng)能，同時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。而一旦動(dòng)能太過強(qiáng)大，材質(zhì)的形變程度超過其可耐受的程度，就會直接斷裂、破碎。人類社會最早使用極為粘土結(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)。但即便是最為堅(jiān)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(xué)家和建筑工程師開始考慮使用一種更為強(qiáng)大的材質(zhì)：形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys）。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(dāng)一次足夠?yàn)?zāi)難性的地震發(fā)生，連鋼架都因?yàn)閺?qiáng)大的動(dòng)能被撕裂的時(shí)候，形狀記憶合金和鋼筋混凝土建成的建筑物依然堅(jiān)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(shí)候用最合適的姿勢承受腦袋的質(zhì)量，在你起床的時(shí)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100%原模原樣，但至少建筑里的人沒事，財(cái)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(cái)產(chǎn)損失是一方面，許多歷史遺產(chǎn)建筑遭受的損失更是無法估量。保護(hù)這些年久失修的古建筑，提升其抗震性，可能遠(yuǎn)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(jī)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(shí)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-ReinforcedPlasticwrap。研究顯示，經(jīng)過這種方式進(jìn)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(xué)家和建筑工程師帶來了新的靈感。在單位粗細(xì)和數(shù)量上對比，蜘蛛絲比鋼鐵還要堅(jiān)韌。然而材料科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲擁有一種特別有趣的、"非線性”的堅(jiān)韌表現(xiàn)：當(dāng)被拽壓變形時(shí)，蜘蛛絲的韌度先提升當(dāng)力度到達(dá)一定程度時(shí)，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(jiān)韌——很顯然，彼得?帕克充分利用了這一點(diǎn)。生物學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了海中的一些有殼軟體動(dòng)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(jiān)固和柔軟之間的配比極為合適——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(fēng)浪時(shí)得以存活。紙板相對較復(fù)雜的多層紙板結(jié)構(gòu)極為堅(jiān)固——這其實(shí)并不需要科學(xué)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、粘合和防水保溫的有機(jī)高分子材料聚氨酯，當(dāng)做建筑物的主