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建筑工程師必備的建筑抗震技術(shù)「推薦」
像地震這樣的天災總會(huì )降臨在人們的頭上，成功預測和有效抵御它們，成為天文和地理學(xué)家、工程師奮斗終生的目標。下面，小編為大家講講建筑工程師必備的建筑抗震技術(shù)，快來(lái)看看吧!
搖擺墻
高科技往往意味著(zhù)高造價(jià)。搖擺墻是采用特殊構造、底部具有一定轉動(dòng)能力和較大抗側剛度的結構墻體,它能夠有效控制結構在地震作用下的側向變形模式,且能夠以多種方式與消能減震裝置結合,提高結構的耗能能力,進(jìn)而提升結構整體的抗震能力。
對于抗震要求不太高的建筑物來(lái)說(shuō)，在有限的造價(jià)內實(shí)現足夠的抗震等級，建筑師往往會(huì )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)砌筑強化鋼筋混凝土墻。在核心墻上繼續加裝前面提到的一些彈性強化裝置，比如可調節的鋼筋等。結果就是在較低的造價(jià)上實(shí)現了建筑的核心結構具有足夠的震動(dòng)耐受性。
地震波“隱形衣”
地震不是簡(jiǎn)單的地面來(lái)回震動(dòng)，它沒(méi)你想象的那么簡(jiǎn)單。震源發(fā)出地震波，具體體現為地表以下內部傳遞的實(shí)體波，和更復雜的、多種波型經(jīng)過(guò)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(zhù)隱形衣的問(wèn)世，光可以直接穿過(guò)這種材質(zhì)，不會(huì )讓掩蓋在材質(zhì)后面的人或物顯現出來(lái)(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(guò)的“障眼幕布”，雖然實(shí)現原理不同，不過(guò)效果差不多，見(jiàn)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構上都十分特殊，以至于現實(shí)生活中非常難以實(shí)現……
所幸，地震波相比光波來(lái)說(shuō)，因為頻率、波長(cháng)等參數的關(guān)系，想要實(shí)現“隱形”更容易一些，更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(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米左右的高強度塑料材質(zhì)的圓柱。從地表下傳來(lái)的地震波的動(dòng)能，在進(jìn)入之后被鎖定在了這個(gè)結構當中，然后被平移到了結構的外側，從而有效降低了結構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，而這種結構對表面波幾乎沒(méi)有效果;更何況這種結構本身就很脆弱，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(méi)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(shí)可以產(chǎn)生形變而吸收地震的動(dòng)能，同時(shí)將動(dòng)能轉化為其他形式的能量。而一旦動(dòng)能太過(guò)強大，材質(zhì)的形變程度超過(guò)其可耐受的程度，就會(huì )直接斷裂、破碎。
人類(lèi)社會(huì )最早使用極為粘土結構建造房屋，后來(lái)他們不滿(mǎn)足于簡(jiǎn)單的粘土結構，開(kāi)始使用木頭;還不滿(mǎn)意，有了磚木混合;還不滿(mǎn)意，有了混凝土;依然不滿(mǎn)意，有了鋼筋混凝土;仍然不滿(mǎn)意，有了純鋼架結構。但即便是最為堅固的鋼架結構依然會(huì )有耐受力不足的情況。于是，材料科學(xué)家和建筑工程師開(kāi)始考慮使用一種更為強大的材質(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有的建筑用鋼在彈性上提升30%的水平。當一次足夠災難性的地震發(fā)生，連鋼架都因為強大的動(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)候回復原來(lái)的形狀。形狀記憶合金用在建筑上并不一定能回復到100%原模原樣，但至少建筑里的人沒(méi)事，財產(chǎn)受到的影響不大，足夠偉大了。
懸浮結構
絕大多數建筑物都不是你所見(jiàn)到的樣子，為了穩固，在表面之下還有地基以及利用地基建設的地下室。然而，地基/地表建筑一體化的結構在抗震方面并不理想，當發(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(lái)災難性的破壞。
建筑工程師們帶來(lái)了一種充滿(mǎn)創(chuàng )造力的新結構——懸浮結構：將地表建筑和地基分離開(kāi)來(lái)，中間加上由培林(bearing)組成的“懸浮層”，當地震襲來(lái)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，在半秒鐘內啟動(dòng)一個(gè)壓縮裝置，將地表建筑和地基之間的充滿(mǎn)高壓氣體，讓建筑物真的“浮”在地基之上。地震結束后，壓縮裝置開(kāi)始泄壓，房屋又能恢復到原來(lái)的地基結構之上——沒(méi)人受傷，地表房屋也沒(méi)有遭到破壞，皆大歡喜。
紙板
相對較復雜的多層紙板結構極為堅固——這其實(shí)并不需要科學(xué)家去研究，把你家買(mǎi)電器產(chǎn)品留下的紙板箱多折幾層就能發(fā)現了。
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月新西蘭百年大教堂因地震倒塌，奪走了近200條人命�，F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構，加上加固用的木梁建成的。
紙板結構非常堅固，兼具彈性，質(zhì)量極輕。用這種材質(zhì)結構建造的建筑，抗震性能較好;一旦倒塌，也比傳統的混凝土/鋼架結構建筑對人員和財產(chǎn)造成的損害小到不知道哪兒去了……
上完廁所，也許你應該重新認識一下用完的紙卷筒……
減震器
你最熟悉的減震器在汽車(chē)里：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是一套由彈簧和液壓系統組成的結構，能夠將汽車(chē)行駛當中產(chǎn)生的震動(dòng)吸收轉化，從而讓駕駛和乘坐汽車(chē)的人感覺(jué)舒服一點(diǎn)。如果沒(méi)有減震器，那么當你開(kāi)車(chē)路過(guò)減速坎的時(shí)候可要小心點(diǎn)了，因為每一道坎都足以讓你的腦袋頂穿車(chē)頂棚……
建筑工程師將減震器應用到了建筑當中。和汽車(chē)當中大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，當地震發(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化為熱能，從而降低了這種動(dòng)能對建筑物帶來(lái)的撕裂效應。
阻尼器
你去過(guò)臺北101大樓嗎?如果去過(guò)的話(huà)，那你一定對樓頂金色大球印象深刻吧?101大樓還推出過(guò)以這個(gè)大圓球為原型的吉祥物“Damper Baby”。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Tuned Mass Damper(調諧質(zhì)量阻尼器)。
對于101這樣的摩天塔狀大樓來(lái)說(shuō)，不需要地震，當風(fēng)力達到足夠大時(shí)就足以對建筑物產(chǎn)生形變，使得居于其中的人感覺(jué)到“震感”。而大圓球被放置在樓頂，當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(huì )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(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。
可更換鋼連梁“保險絲”
大多數人的生活中可能只見(jiàn)過(guò)空氣開(kāi)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，而當電流強度超過(guò)額定情況時(shí)，保險絲就會(huì )熔斷，從而將整個(gè)電路切斷，保護電器進(jìn)而保護人身安全。
工程師將保險絲的邏輯應用到了建筑當中。鋼架結構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。除了鋼結構之外，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)結構受力。當地震發(fā)生時(shí)，鋼纜可以吸收相當大一部分的動(dòng)能，保持建筑物的結構端正。
一旦受力過(guò)高，鋼纜會(huì )向保險絲一樣崩斷，將能量釋放給鋼結構以及其它的鋼纜。就像保險絲一樣，鋼纜是可替換的——勒緊自己，保衛生命!
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)建筑遭受的損失更是無(wú)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(guò)去重要，然而尼泊爾過(guò)去沒(méi)有把握住這樣的機會(huì )。警鐘已經(jīng)敲響，我們該怎樣提升這些在建設過(guò)程中沒(méi)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(xiàn)纜繳合在一起，捆綁在建筑物的承重結構上，比如橋梁的橋墩，建筑物的承重墻，從而用較低的成本實(shí)現對非抗震結構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(guò)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(lái)了新的靈感。
在單位粗細和數量上對比，蜘蛛絲比鋼鐵還要堅韌。然而材料科學(xué)家們發(fā)現蜘蛛絲擁有一種特別有趣的、“非線(xiàn)性”的堅韌表現：當被拽壓變形時(shí)，蜘蛛絲的韌度先提升;當力度到達一定程度時(shí)，蜘蛛絲開(kāi)始變得柔軟以應對形變;力度繼續提高，蜘蛛絲又開(kāi)始變得堅韌——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(lèi)生物在面對海上的風(fēng)浪時(shí)得以存活。
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