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建筑工程师的建筑抗震技术「」(2)

时间:2017-06-03 14:57:11 建筑施工 我要投稿

建筑工程师必备的建筑抗震技术「推荐」

  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。

  地震多发国家日本的工程师更加时髦:建筑的传感器感知到地震波,在半秒钟内启动一个压缩装置,将地表建筑和地基之间的充满高压气体,让建筑物真的“浮”在地基之上。地震结束后,压缩装置开始泄压,房屋又能恢复到原来的地基结构之上——没人受伤,地表房屋也没有遭到破坏,皆大欢喜。

  纸板

  相对较复杂的多层纸板结构极为坚固——这其实并不需要科学家去研究,把你家买电器产品留下的纸板箱多折几层就能发现了。

  日本建筑师有坂茂将纸板卷成筒,刷上用作密封、粘合和防水保温的有机高分子材料聚氨酯,当做建筑物的主要框架材料。2011年2月新西兰百年大教堂因地震倒塌,夺走了近200条人命。现在,原址上拔地而起的新大教堂就是用上面描述的这种纸板筒结构,加上加固用的木梁建成的。

  纸板结构非常坚固,兼具弹性,质量极轻。用这种材质结构建造的建筑,抗震性能较好;一旦倒塌,也比传统的混凝土/钢架结构建筑对人员和财产造成的损害小到不知道哪儿去了……

  上完厕所,也许你应该重新认识一下用完的纸卷筒……

  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!

  碳纤维加固改造

  在刚刚发生的尼泊尔大地震中,人员伤亡和财产损失是一方面,许多历史遗产建筑遭受的损失更是无法估量。

  保护这些年久失修的古建筑,提升其抗震性,可能远比修建新的抗震建筑在过去重要,然而尼泊尔过去没有把握住这样的机会。警钟已经敲响,我们该怎样提升这些在建设过程中没有考虑抗震性能的建筑?

  工程师们用碳纤维和尼龙、聚酯、乙烯基质等化纤材质的线缆缴合在一起,捆绑在建筑物的承重结构上,比如桥梁的桥墩,建筑物的承重墙,从而用较低的成本实现对非抗震结构建筑物的抗震加固改造。这种方式叫做FRP——Fiber-Reinforced Plastic wrap。研究显示,经过这种方式进行多次加固的建筑物抗震能力能够获得20%~40%的提升。

  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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