隔离地震的建筑

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  三年前,当巨大的地震灾难降临中国西南的四川时,演绎了无数生离死别的故事。
  安心灵是绵阳市防震减灾局的副局长,今年清明后带着我们再一次进入北川灾区。这个已经被建成地震纪念馆的地方,时至今日还是让他伤心不已。他清楚地记得地震当晚他来到这里寻找他的同事时,发现那里的建筑只剩下一个楼顶了。
  回看地震现场,那些倒塌的建筑让人生畏,我们似乎还能听到废墟深处传来的呻吟。而那些站立在废墟上的房子,也让我们产生深深的敬意,感谢它们在地震那一刻保护了人类的生命。在一座破损不太严重的建筑物门口,老安停下来为我们讲述了一个发生在超市里的故事。这个建筑物是一个超市,当时就在这里幸存的几千人相互分发食物,然后大家向绵阳的方向逃难。当大家到达北川中学的时候,县委决定,让青壮年返城救人,其他人向绵阳疏散,而疏散的人都自觉地把手中的食物留下来,场面特别令人感动。
  这座站立不倒的房子,保护了生命,还保留了幸存者活下去的必需品。建筑,对于生命的意义,只有经历过灾难的人才会深刻地体会到。
  怎样才能让房子不倒?我们辛辛苦苦建造的房子,怎样才不会反过来伤害我们?自古以来人们一直思考着这样的问题。在上个世纪,曾经有一个幻想学家,他幻想在下一个世纪(本世纪)人类就不怕地震了,因为人类居住的都市都建在一个大方舟上。
  地震,一次次刺痛人类的心,人类对于抵御地震灾难的要求也越来越强烈。而现实中,解决建筑抗震难题并不容易。
  随着建筑物的不断升高不断庞大,它本身的抗震安全也越来越重要,光靠把梁柱加粗、墙壁加厚也束缚了建筑的发展。怎么办,能不能真像幻想中的那样,把房子和发生地震的大地隔离开?幻想终归是幻想,把城市建在一条大船上的可能性不大。怎么才能让建筑物与地震隔离开?怎样不让它再遭受地震威胁呢?
  我们来到了正在建设的昆明新机场工地,这个机场建成后,将是我国第四大机场,是国家“十一五”期间的重点工程。但有一个让人无法回避的问题是,昆明机场所在的云南省,正处于我国西南地震多发区;而且未来的新机场航站楼,是用七条彩带一样的钢梁支撑起来的,这漂亮的建筑也给抗震提出了难题。有专家指出,昆明机场是一个非常不规则的建筑物,当地震发生时,这种不规则的建筑物就要产生扭转,一旦发生扭转则一定会发生巨大破坏。
  怎样把这个弱点转化为安全可靠的结构呢?来到机场候机楼的地下,我们看到一个奇怪的景象:候机楼的地基不是直接深入地下,而是全都架在了一个个看上去像是用橡胶制成的圆柱体上,整个建筑像是一个悬浮着的巨大的船。云南省地震工程研究院安晓文院长介绍,候机楼下面的橡胶圆柱,作用就相当于大船下的水,打个比方说,一条船行驶在海上,船跟海底之间有一层水,水是柔软的,海底发生地震的时候,对于船是没有影响的,因为被海水隔离了。
  难道这候机楼就是幻想家想象的那条大船吗?
  水的柔性,能隔离震动的力量,人类能否利用这个原理隔离地震呢?不能把建筑物建在真正的水面之上,用什么以柔克刚隔离地震的破坏呢?自然灾难,从来就是人类发展的伴生物。但人类不应该白白经历灾难,正是在灾难中,人们学会了新的生存之道。
  周福霖,中国工程院院士,30多年前,唐山发生地震时,当时还年轻的他发现了一个奇迹:在一片废墟中,还有2栋4层的房屋没有倒。他感觉非常奇怪,走进一看,发现北侧房屋墙下都有一道沥青防潮层。在发生地震时,这个建筑物沿着这个防潮层滑动了40厘米左右,房屋没有倒塌。
  4层楼下面的沥青层为什么能让楼房不倒呢?让我们到地震现场看看建筑物遭受破坏后会有什么特点。北川很多曾经是顶楼的房子,现在掉落到了地上,底层楼被摧毁了。那些没倒塌的建筑,底层柱子上也都有受到强力摧折的痕迹,这些都在告诉我们什么呢?
  专家介绍,地震的时候,从震源破裂出来的能量,会以地震波的方式向周围传播,一个叫纵波,一个是水平向的剪切波,对建筑损害最大的是剪切波。地震发生时,它往往在建筑物的一层产生剪切力,对那里的破坏最大。人们针对这种现象,想出了现在的办法:把柔性的橡胶隔震垫加装在受力最大的地方,把这个破坏性的力消减掉,以此来减轻地震对建筑其他结构的摧毁,这就是隔震的原理。
  加上这样一层柔性的隔震垫,地震的破坏就能被隔离掉吗?让我们来做实物实验:
  制作2个同样的建筑模型,在2个模型下面安装不同的底座,一个是用有机玻璃固定的,另一个是用橡胶垫支撑的。把它们放在一个震动台上,在遭受同样的地面震动时,它们会有什么不同呢?
  发生震动时,同样的震动,建筑物的晃动程度不同,上方放置的水箱里的水也明显能看出差别。造成这种明显差异的就是2个模型下面安装了材料不同的底座。
  在模型实验中,我们看到了明显效果,但用在真材实料的建筑中也能有同样的效果吗?研究者已经在广州大学抗震建筑研究中心的试验台,根据采集来的真实地震波,进行过很多次模拟试验。结果表明,不管多大地震,在震动台上每一个隔震房屋都没有被震倒,而且地震越大它的隔震效果越好。
  国外一些研究机构也进行了很多类似的试验。试验结果告诉人们:因为经过隔震后房屋的晃动变成了一种缓慢的平移,不仅房屋受损减少,房内的家具等设施的倒塌也减少很多。
  橡胶隔震的理念,给人们抵御地震的幻想打开了一扇门,但是当把它应用于承载我们生命的建筑上时,它安全吗?有没有难以回避的问题呢?
  在昆明机场的地下层我们看到,橡胶隔震垫非常粗大,直径都在1米以上,但橡胶毕竟是柔软的东西,把这样大一个机场候机楼放在橡胶做成的垫子上,它能承受得了吗?专家分析,如果是一个完全纯的橡胶块的话,那么它竖向的承载力和横向的承载力是完全一样的,由于建筑物很重,因此它竖向的承载力不够。
  怎样能让橡胶承受住建筑物的强大压力呢?这个秘密就在橡胶隔震垫制作的过程中!原来在橡胶的中间被叠放进去了一层层钢板。
  把钢板放进橡胶层,橡胶就不会变形了吗?不变形的橡胶垫还能具有隔震的效果吗?
  每种橡胶垫做好后,都要经过抗压和柔性试验,在巨大的纵向压力和横向拉力下,它的各项性能必须达标才能安装。但是对于橡胶,还有另一个让人担心的地方,就是它会不会老化呢?专家告诉我们,橡胶是相当容易疲劳氧化的,一般橡胶放上个三五年就会有一定程度老化。而建筑物的寿命可远不止三五年,我国通常的民用建筑设计使用年限为50年,重要建筑年限更长。使用周期如此长久的建筑物,怎么能用易老化的东西来支撑呢?
  橡胶老化主要是热老化,在受热时它的分子链断裂就会产生老化。但是作为隔震垫来说,它使用的环境是比较封闭的,受到光照等情况较少,因此老化程度比较低,所以作为隔震垫使用,寿命是相当长的。
  汶川地震后,隔震建筑进入了迅速发展期,很多援建项目都采用了隔震技术。但在普通住宅中,这样的技术应用,会不会增加房屋建设成本呢?
  在昆明市最外围的东川区,因为历史上发生过比较大的地震,所以对建筑的抗震要求,这里达到了最高的9度设防,建筑的梁柱钢筋用量很大,高楼无法承受,以至于几年前这里还很少有高层建筑,百货大楼也只敢盖到5层高。
  因为有了橡胶隔震技术,十几层的商用高楼出现在了东川。这种隔震建造技术也运用到了住宅小区的开发中。我们看到,在一个小区里现在正在建设的,是从未有过的11层楼住宅。那么房子每平方米成本会提高多少呢?该小区开放商向我们介绍,使用隔震垫的房屋造价比不使用隔震垫的造价还稍微偏低一点。
  为什么使用隔震垫造价反而会降低呢?因为按照国家建筑抗震设计规范,加装隔震垫后,建筑上部结构的梁柱和墙体都可以相应减少尺度,钢材和混凝土的使用量会减少,所以虽然增加了隔震垫的支出,但总体成本却能降低,这就为隔震技术在建筑中的大量使用提供了条件。而隔震技术的不断完善,也为各种特殊建筑的抗震,提供了新思路。
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