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新型抗震技术可保护城市免遭破坏   

2015-07-06 11:26:25|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么技术能让建筑物在地震中屹立不倒?来看看笔者给出的答案。

  

建筑物需要保护。图片来源: Narendra Shrestha/EPA

 

最近发生在尼泊尔、日本、海地和智利的地震再一次证明,保护城市免遭地震破坏仍然任重道远。虽然人类在理解地震活动和建筑技术开发方面已经取得了重大进步,但在大规模保护建筑物方面,我们还没有令人满意的方法。

 

对新建筑物来说,现在的抗震技术已经很先进了,我们已经可以建造能承受绝大多数有记录地震的独立结构。一些旨在减少由地震引发的晃动或损坏的装置,例如隔离系统和减震器,已经成功地被运用在新建筑物的设计中。

 

但地震区域现存的很多建筑并不具备保护装置,尤其在发展中国家,用新建筑替代它们或引进更加严格也更加昂贵的建筑规范也十分不切实际。在2015年4月尼泊尔地震中,有超过13万间房屋遭到破坏。

 

此外,这些技术很少被用于保护现存建筑,因为它们需要在原有结构上进行大量的改造。而对于古建筑、重要的公共设施或城市住宅,尤其是发展中国家的住宅,一般的针对本建筑的解决方案也许是行不通的。

 

这意味着我们需要有找出不同的解决方案来保护这些现存的建筑物,而不是仅仅借助单一的设备来改造它们。笔者所在的布林顿大学(University of Brighton)设计了一种新型的震动屏障(ViBa)来减少由地震波引发的周边结构震动。该装置需被埋入土壤,并与周围建筑分离,从而吸收地震期间的大部分动能,将地震响应减少40-80%。

 

这个装置的设计理念是将建筑物看做城市整体的一部分,而不是将它们看做独立的结构,而在城市模型中,除了建筑物,还包括城市下的土地和各个组成部分之间的相互影响。在地震中,每个ViBa装置能保护一个或多个建筑,并与其他处于关键位置的装置共同组成一个网络,达到保护整个城市的目的。

 

ViBa装置的主体是一个盒子,盒子中间有一块由弹簧固定的固态物质。这样的结构使得固态物质能前后移动,从而吸收地震波引发的震动。整个结构经由土壤被连接在建筑物的地基上,用于吸收地基上的震动。盒子在地下安装的位置取决于周围地基的深度,它甚至还能被放置在地表上。

 

由于ViBa装置的设计目的是减少土壤中的震动,因此它还能把建筑物与人类活动引起的地震波隔离开来,比如道路交通、高铁、大型机械、岩石穿凿与爆破等。从这个方面来说,这项技术比传统的铁路隔离手段,比如挖沟或者埋入板桩墙,吸收的能量更多。

 

ViBa装置的问题在于它的尺寸,它的质量至少需要达到被保护建筑平均质量的50%,另外还要考虑建造和安装的成本。因此,较之目前保护单个建筑物的技术,它的成本会高很多。但由于ViBa装置能减少不止一个建筑物的震动,并且能够实现当前技术所办不到的对重要历史建筑的保护,因此它还是能被视为一种可行的解决方案。

 

目前,我们仅能依靠实验室的电脑和ViBa原型装置进行模拟。如果要把它运用到现实世界中,我们还需要做更多的实验才可以准确理解它的原理,并确保它不会对周边建筑产生任何破坏性的副作用。我们还需要与建筑行业展开合作,探索如何能以最经济的方式建造和安装ViBa装置。

 

我们的最新研究表明,ViBa装置是在地震中保护建筑物的可行方式之一。从长远角度看,它能让城市以更精良的装备应对灾难,让安全保障能力得以提升,让生命得到拯救。

 

关于作者:

Pierfrancesco Cacciola,布林顿大学环境与技术学院助理主任,其研究经费来源于英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)。(翻译:范俊  审校:侯政坤  )

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