10项帮助建筑物抵御地震的技术

多年来，工程师和地震学家一直青睐基地隔离作为防止地震的一种手段地震时保护建筑物．顾名思义，这个概念依赖于将建筑的底层结构与上层结构分离。其中一种系统是用铅橡胶将建筑物漂浮在地基之上轴承它包含一个由橡胶和钢交替层包裹的实心铅芯。钢板将轴承固定在建筑物及其基础上，然后，当地震来临时，它允许基础移动，而不移动上面的结构。

现在，一些日本工程师将基地隔离技术提升到了一个新水平。他们的系统实际上是让一座建筑悬浮在气垫上。它的工作原理是18新利最新登入这样的:建筑物上的传感器探测到地震的地震活动。传感器网络与空气压缩机通信，在收到警报后的半秒内，空气就会在建筑物和地基之间流动。空气垫将结构抬升至离地面1.18英寸(3厘米)的高度，使其免受可能将其撕裂的力量的影响。地震平息后，压缩机就会关闭，建筑物就会沉降到地基上。唯一缺少的是《最伟大的美国英雄》的主题曲。

另一项可靠的抗震技术来自于汽车工业。你们都很熟悉减震器这是一种控制汽车弹簧不必要运动的设备。减震器通过将弹跳悬架的动能转化为热能，通过液压油消散，从而减缓和减小振动运动的幅度。在物理学中，这被称为阻尼这就是为什么有些人把减震器称为阻尼器。

事实证明，阻尼器在设计抗震建筑时很有用。工程师通常将阻尼器放置在建筑物的每一层，一端连接在柱子上，另一端连接在横梁上。每个阻尼器由一个活塞在充满硅油的圆筒内移动的头部。当地震来袭时，建筑物的水平运动使每个阻尼器中的活塞对油产生推力，将地震的机械能转化为热能。

阻尼可以有多种形式。另一种解决方法，特别是摩天大楼这种方法包括在结构顶部附近悬挂一个巨大的物体。钢索支撑着物体，而粘性流体阻尼器位于物体和它试图保护的建筑物之间。当地震活动导致建筑物摇晃时摆向相反的方向移动，消耗能量。

工程师把这样的系统称为调谐质量阻尼器因为每个摆都精确地调整到结构的固有振动频率。如果地面运动导致建筑物以其共振频率振动，建筑物将以大量能量振动，并可能遭受破坏。调谐质量阻尼器的工作是抵消共振，使结构的动力响应最小化。

台北101大楼是一栋1667英尺(508米)高的摩天大楼，它使用了一个调谐质量阻尼器来最大限度地减少地震和强风带来的振动影响。该系统的核心是一个重达730吨(660公吨)的金色球体，由8根钢索悬挂。这是世界上最大最重的调谐质量阻尼器。

在电力的世界里，一个保险丝如果电路中的电流超过一定的电平，提供失效保护。这样可以切断电流，防止过热和火灾。事故发生后，只需更换保险丝，系统恢复正常。

斯坦福大学和伊利诺伊大学的研究人员一直在试验类似的概念，以建造一座抗震建筑。他们称自己的想法为可控摇摆系统因为构成结构的钢框架是有弹性的，可以在基础上晃动。但这本身并不是一个理想的解决方案。

除了钢框架，研究人员引入了垂直电缆，将每个框架的顶部固定在基础上，并限制摇摆运动。不仅如此，钢索还具有自定心能力，这意味着当震动停止时，它们可以将整个结构拉直。最后的部件是放置在两个框架之间或柱子底部的可更换钢保险丝。保险丝的金属齿像建筑岩石一样吸收地震能量。如果它们在地震中“爆炸”，它们可以相对快速和经济有效地更换，使建筑物恢复到最初的剪彩形式。

在许多现代高层建筑中，工程师使用核心墙结构以较低的成本提高抗震性能。在本设计中，进行了加固混凝土核心贯穿整个结构的中心，围绕着电梯群。对于极高的建筑，核心墙可以相当坚固——每个平面方向至少30英尺，18到30英寸厚。

虽然核心墙结构有助于建筑物抵御地震，但它并不是一项完美的技术。研究人员发现，具有核心墙的固定基础建筑仍然可以经历显著的非弹性变形，大剪力和破坏性的地板加速度。一种解决方案，正如我们已经讨论过的，涉及基础隔离——将建筑漂浮在铅上橡胶轴承。这种设计减少了地板加速度和剪力，但不能防止核心墙底部的变形。

震区结构的一个更好的解决方案是岩心墙与基础隔离相结合。摇晃的核心墙在地面上摇晃，以防止墙内的混凝土永久变形。为了实现这一点，工程师们用钢材加固了建筑的下面两层，并在整个高度上采用后张法。在后张紧系统中，钢筋穿过芯壁。这些筋就像橡皮筋一样，可以被液压千斤顶紧紧拉伸，以增加芯壁的抗拉强度。

当谈到波的话题时，你可能会想到水或声音，但地震也会产生波，地质学家将其分类为身体而且表面波．前者在地球内部迅速传播。后者在上地壳中传播速度较慢，并包括一个波的子集——称为瑞利波——使地面垂直移动。这种上下运动引起了大部分与地震有关的震动和破坏。

现在想象一下，如果你能中断地震波的传播。有没有可能改变能量的方向或在城市地区重新分配?一些科学家认为可以，他们将他们的解决方案称为“地震隐身斗篷”，因为它能够使建筑物对地波隐形。工程师相信他们可以用100个同心圆制成“斗篷”塑料埋在建筑物地基下的戒指[来源:彭］．当地震波靠近时，它们进入环的一端，并被包含在系统中。在“斗篷”内部，波浪不能将能量传递给上面的结构。它们只是绕过建筑物的地基，出现在另一边，在那里它们退出环，继续它们的长途旅行。一个法国团队在2013年测试了这个概念。

正如我们之前在倒计时中讨论的，材料的可塑性对试图建造抗震结构的工程师提出了重大挑战。可塑性描述任何材料在受力时所发生的变形。如果这种力足够强，材料的形状就会被永久改变，从而影响其正常工作的能力。钢可以经历塑性变形，但混凝土也可以。然而，这两种材料被广泛应用于几乎所有的商业建设项目．

进入形状记忆合金，可以忍受沉重的压力还能恢复到原来的形状。许多工程师正在试验这些所谓的智能材料，以取代传统的钢筋混凝土结构。一种很有前途的合金是镍钛或镍钛合金，它的弹性比钢高10%到30%[来源:Raffiee］．在2012年的一项研究中，内华达大学里诺分校(University of Nevada, Reno)的研究人员比较了由钢和混凝土制成的桥柱与由镍钛诺和混凝土制成的桥柱的抗震性能。形状记忆合金在各个层面上都优于传统材料，损伤也小得多[来源:Raffiee］．

建造新建筑时考虑抗震是有道理的，但改造旧建筑以提高其抗震性能也同样重要。工程师们发现，在结构中增加基础隔离系统既可行，又具有经济吸引力。另一个很有前途的解决方案，更容易实现，需要一种称为纤维增强塑料膜,或玻璃钢．制造商通过混合生产这些包装碳纤维结合聚合物，如环氧树脂，聚酯，乙烯基酯或尼龙，以创建一个轻量级，但令人难以置信的强度，复合材料。

在改造应用方面，工程师只需将这种材料包裹在桥梁或建筑物的混凝土支撑柱周围，然后将加压环氧树脂泵入支撑柱和材料之间的间隙。根据设计要求，工程师可能会重复这一过程6到8次，从而创造出强度和延展性明显更高的木乃伊包裹梁。令人惊讶的是，即使是地震损坏的柱子也可以用碳纤维涂层修复。在一项研究中，研究人员发现，被复合材料包裹的削弱的公路桥柱比未包裹的桥柱坚固24%到38%[来源:Saadatmanesh]。

虽然工程师们用形状记忆合金和碳纤维包裹，但他们预计未来可能会有更好的材料用于抗震建筑。这些材料的灵感很可能来自动物王国。想想低等的贻贝，一种双壳类动物软体动物被发现附着在海洋岩石上，或者被取出，用葡萄酒蒸熟后，放在我们的餐盘上。为了依附在不稳定的栖息上，贻贝会分泌一种叫做足丝线程．这些线有的坚硬，有的坚硬，有的柔韧，有弹性。当海浪撞击贻贝时，贻贝会保持不动，因为有弹性的纤维会吸收冲击并消散能量。研究人员甚至计算出了贻贝粘性的刚性纤维与柔性纤维的精确比例——80:20。秦］．现在是发展的问题建筑材料模仿贻贝和它不动的神奇能力。

另一个有趣的线索来自蜘蛛的南端。我们都知道，同等重量的蜘蛛丝比钢铁更坚固(问问彼得·帕克就知道了)，但麻省理工学院的科学家们认为，正是这种天然材料在重压下的动态反应使其如此独特。当研究人员拉扯每根蜘蛛丝时，他们发现蛛丝最初是僵硬的，然后有弹性，然后又僵硬了。正是这种复杂的非线性反应使蜘蛛网如此有弹性，蜘蛛线成为下一代抗震建筑中模仿的诱人材料。

在发展中国家，将抗震技术应用于房屋和办公楼在经济上是不可行的。难道他们注定要在每一次地震中遭受成千上万的伤亡吗?不一定。工程师团队正在世界各地工作，利用当地可用或容易获得的材料设计抗震结构。例如，在秘鲁，研究人员通过用塑料网加固墙壁，使传统的土坯结构更加坚固。在印度，工程师们已经成功地用竹子加固混凝土。在印度尼西亚，一些家庭现在站在用旧轮胎填满沙子或石头制成的易于制作的轴承上。

甚至纸板可成为坚固耐用的建筑材料。日本架构师坂茂(Shigeru Ban)设计了几个结构，将涂有聚氨酯的纸板管作为主要框架元素。2013年，潘基文在新西兰克赖斯特彻奇推出了他的设计之一——过渡大教堂。教堂使用了98个巨大的纸板管，并用木梁加固[来源:Slezak］．由于纸板和木结构非常轻和灵活，它在地震事件中的表现比混凝土好得多。即使它真的坍塌了，也不太可能压垮聚集在里面的人。总而言之，这让你想对卫生纸里的硬纸筒多一点尊重。