有備無患！工程師必知的“建筑抗震”技術
專欄：行業資訊
發布日期：2024-01-23
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耐受力高的材質在地震發生時可以產生形變而吸收地震的動能，同時將動能轉化為其他形式的能量。當一次足夠災難性的地震發生，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。
像地震這樣的天災總會降臨在人們的頭上，成功預測和有效抵御它們，成為天文和地理學家、工程師奮斗終生的目標。然而，在現實中，讓受災地區人民提前撤離。
但這并不意味著地震學家的學術工作沒有意義：他們為另一群人——建筑工程師們——提供了最關鍵的抗震指導，告訴了這些工程師應該在哪些地區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，當中許多你可能從來沒見過，甚至沒想象過會出現。
懸浮結構
絕大多數建筑物都不是你所見到的樣子，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難性的破壞。
建筑工程師們帶來了一種充滿創造力的新結構——懸浮結構：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”，當地震襲來時，地基發生的劇烈晃動對地表建筑造成的影響將被極大地減小。
減震器
你最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組成的結構，能夠將汽車行駛當中產生的震動吸收轉化，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頂穿車頂棚……
建筑工程師將減震器應用到了建筑當中。和汽車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，當地震發生時建筑物的扭動使得樓層之間產生水平方向的動能，而減震器將動能的一部分呢吸收轉化為熱能，從而降低了這種動能對建筑物帶來的撕裂效應。
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(調諧質量阻尼器)。
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，建筑物的擺動產生的能量會被傳導至大圓球，而大圓球的質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”
大多數人的生活中可能只見過空氣開關了——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能量。除了鋼結構之外，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，可以將整個結構受力。當地震發生時，鋼纜可以吸收相當大一部分的動能，保持建筑物的結構端正。
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!
搖擺墻
高科技往往意味著高造價。搖擺墻是采用特殊構造、底部具有一定轉動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說，在有限的造價內實現足夠的抗震等級，建筑師往往會采用core-wall(核心墻)技術：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上實現了建筑的核心結構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。震源發出地震波，具體體現為地表以下內部傳遞的實體波，和更復雜的、多種波型經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，不會讓掩蓋在材質后面的人或物顯現出來(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使用過的“障眼幕布”，雖然實現原理不同，不過效果差不多，見下圖)。
然而這種材質的物料，從組成的粒子大小和例子的排列結構上都十分特殊，以至于現實生活中非常難以實現……
所幸，地震波相比光波來說，因為頻率、波長等參數的關系，想要實現“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。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有效果;更何況這種結構本身就很脆弱，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。耐受力高的材質在地震發生時可以產生形變而吸收地震的動能，同時將動能轉化為其他形式的能量。而一旦動能太過強大，材質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構建造房屋，后來他們不滿足于簡單的粘土結構，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，有了純鋼架結構。但即便是最為堅固的鋼架結構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更為強大的材質：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最合適的姿勢承受腦袋的質量，在你起床的時候回復原來的形狀。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事，財產受到的影響不大，足夠偉大了。
生物材質
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。
在單位粗細和數量上對比，蜘蛛絲比鋼鐵還要堅韌。然而材料科學家們發現蜘蛛絲擁有一種特別有趣的、“非線性”的堅韌表現：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對形變;力度繼續提高，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。
生物學家們還發現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生物在面對海上的風浪時得以存活。
本篇文章內容轉自公眾號[中國幕墻網www.alwindoor.com]
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