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奇妙的抗震結構如何守護日本的高層建筑?

奇妙的抗震結構如何守護日本的高層建筑?

更新時間:2019-09-02 點擊數:0

文章轉載自公眾號 中國科普博覽 中國科普博覽  作者 雁丘客

作為地震多發的國家之一,日本從古至今在建筑設計方面煞費苦心,通過諸多抵抗強烈地震的手段,保證了設施安全。當然,大自然的力量是可怕的,目前來說,無論我們人類有多完備的防御措施,災禍仍然可能以摧拉枯朽的方式傷害我們。古代我們面對自然界壓倒性的力量,時常無何奈何,遇到疾病或天災,古人只能依靠祭祀來祈求平安。

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圖1 模擬阪神大地震震中的房屋內部晃動情況

如今,我們依賴掌握的自然規律和科學技術,可以在很大程度上避免一些破壞力較輕的災禍。然而,在一些較強烈的地球活動,比如火山噴發,海嘯以及地震中,我們仍然面臨較大的威脅。

地震和火山活動多發的日本無疑是防災減災技術zuilingxian的國家。自古以來的生存危機激勵島國人民絞盡腦汁,拿出很多youxiu的防災建筑設計。技術更新的今天,日本的新建筑在應對地質災害方面有哪些巧妙的方法,可以被世界其他國家借鑒呢?今天,給大家簡單介紹幾種日本房屋的減震結構。

2011年日本“3.11”大型地震及海嘯發生時,距離福島僅300公里的東京震級也在7以上,然而地震在東京市區內造成的死亡人數僅僅為7人。很難想象這種情況能出現在人口密度如此高的城市中,其中的原因之一就是其堅固的城市建筑設計。

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圖2 各地觀測到海嘯高度

過去我們一直強調房子越堅固越好,建筑材料越堅硬,整體結構才能更堅固。“耐震結構”是傳統建筑技術中的一個重要組成部分。

所謂“耐震結構”是將墻壁和承重柱強化,再加入強度補充材料形成堅固的建筑物。毋庸置疑,材料和結構越堅固,整體建筑就越牢固。木制房子肯定沒有鋼鐵結構更結實。然而,隨著文明進步和科技發展,我們知道了以柔克剛的道理,學會了借力打力,因此又發明了新的建筑技術:免震技術和制震技術。

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圖 3 制震和免震的構造示意

“免震結構”的原理很簡單,一句話說就是“你震我不”。其實現原理一般是在地面和建筑物之間加入橡膠彈性墊或摩擦滑動承重座等,把震動的地面隔開,降低振動強度,就如同在房子底下加了一個大彈簧。

實際建筑設計上,是在地面和建筑物之間加上吸收振動,如,高層建筑的底部安裝橡膠彈性墊或摩擦滑動承重座。

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圖4 多層免震橡膠彈性墊

這種彈性墊可以將整個建筑物與地面分離,如同在建筑物底部安裝了一個大大的彈簧,可以預想該結構對地震帶來的沖擊有很大的緩沖效果。

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圖5 免震層施工狀況

這種結構在日本比較普遍,而且應用得比較早,因此日本多數建筑物都會用這種免震結構作為地基設計的基本方法。

而“制震結構”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附著振動減輕裝置,控制建筑物的搖晃。實際上,很多世界知名高層建筑都應用了這種方法來抵御地面振動或者強風。

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圖6 三種抗震房屋結構的直觀演示

DUOX(有源雙減震器減震系統)

首先,介紹一個比較知名的制震技術——DUOX(有源雙減震器減震系統),實際上它是TMD(調諧質塊阻尼器)和AMD(主動質量阻尼器)技術的組合應用。

TMD系統應用的一個簡單例子就是運用鐘擺原理控制振。在建筑物中吊一個擺錘裝置,當發生振動時,建筑物產生晃動的趨向,也會引起擺錘的擺動,而擺錘會以相反的方向擺動,建筑物總是被拉回原來的方向。

比如臺北101摩天大樓為了應對因高空強風及臺風吹拂造成的搖晃,在大樓的88至92樓間設置了TMD。該TMD系統掛置一個重達660公噸的巨大鋼球,利用擺動來減緩建筑物的晃動幅度。這也是全世界唯一開放游客觀賞的巨型阻尼器,更是目前全球zui大之阻尼器。

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圖7  臺北101大樓中的調質阻尼器

zui開始TMD是建筑公司主要采用的抗震技術。

而AMD通過傳感器感知振動的頻率、幅度等,把信號傳遞給執行器,執行器對抗質量塊而把慣性控制力施加給振動體,實現抑制振動的功能。世界上diyi個安裝AMD,控制地震和強風的是日本的Kyobashi Siewa鋼結構建筑(33m)。

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圖 8 調諧質量阻尼和主動質量阻尼

而DUOX另外增加了TMD(調諧質量阻尼)和AMD(主動質量阻尼)的組合系統。隨著技術的發展,結合TMD和AMD技術而建設的日本建筑是位于東京都港區的Shiodome Media Tower(172m)。

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圖9  Kyobashi Siewa【左】和Shiodome Media Tower【右】

HIDAX-R(流動阻力抵抗振動)

日本鹿島會社于1995年開發出了振動吸收阻尼HiDAM,我們先來看一下早期的HiDAM是如何工作的。

當建筑物產生振動時,建筑物的梁和支架產生位移差,使得活塞移動。活塞上有可以打開的連接孔,液壓油可以通過連接孔在左右油室之間移動連接孔中設有調節閥,利用通過孔口的油的流體阻力達到減震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama (209m) 就是采用了這種抗震技術。

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圖 10  HiDAM

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圖11 使用HiDAM 的The Kitahama

2015年開發出的新型振動吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX 的基礎上研發的,抗振性能達到前者的4倍以上。與HiDAM相比,HiDAX是一種可以控制流量的油阻尼器。性能要優于HiDAM。而HiDAX-R是世界上首個搭載振動能量再生系統VERS的新型制震阻尼器,也是首次將汽車制動控制原理應用到建筑物的設計中。可以臨時儲存因地震等引起的振動能量,提高抗震效率。

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圖12 HiDAX-R

由于該技術開發于2015年,目前尚未應用于實際建筑中。HiDAX則已應用于2003年竣工的位于東京的Roppongi Hills Mori Tower (238m)中。

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圖13 Roppongi Hills Mori Tower 【東京】

DFS (雙框架系統)

在建筑物的中心放一個剛性心軸,在它的外圍放一個由很多柱子和橫梁搭建的軟結構建筑物。然后用減振裝置(油阻尼器)連接這兩個建筑物。地震時,這兩個建筑物的硬度不同,晃動的頻率也不同。所以變形的趨向也不同。心軸比較硬,晃動會比較厲害,而建筑物通過油阻尼器的減振作用,大大降低了晃動的幅度。

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圖 14  DFS結構圖

位于日本川崎市正在建造的港町駅前マンション(96m)正是應用了這個抗震技術。

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圖15 建設中的港町駅前マンション

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圖16  東京天空樹所用的DFS抗震結構示意圖

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圖17  抗震技術有效的增強了房屋抵抗地震的能力

我們從zui初的耐震結構,針對每時每刻都會發生變化的地震、強風等作用力,發展為制震和免震結構,并且逐漸把多種抗震技術組合應用到建筑物中,使建筑物的抗震抗風能力越來越強。建筑物的設計高度越來越高,無疑給一些發達的高人口密度地區帶來了更多發展機會,我們也可以節省更多的地面面積用來綠化或者種植農作物。

日本這樣一個多地震國家,由于受到生存危機的驅使,開發出了很多youxiu的抗震技術,這些技術是值得其他國家學習的。

我們國家很多地區也在地震帶上,這些地區的建筑物的建筑設計方法應該借鑒先進技術,建造抗震能力更強的建筑物,才能減低災害引起的人身和財產安全。而對日本來說,地震或海嘯帶來的“水”和“火”仍然是需要面對的兩個難題,相信今后的科研工作者們也會在繼續努力解決這些問題。

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圖18  耐震、制震和免震的示意圖


參考文獻

https://www.kajima.co.jp/tech/seishin_menshin/str_ctrl/index.html

http://www.rs.noda.tus.ac.jp/kita-rcl/PDF/architectural-technology/081110_Presentaion01.pdf

李春祥,劉艷霞,王肇民.質量阻尼器的發展[J].力學進展,2003(02):194-206.


現如今我國為了防止地震給人們帶來的傷害,地震帶上城市都嚴令要求安裝抗震支架,有了抗震支架當地震來臨時可以有效的保護我們財產和生命的安全。

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注釋:我國哪些地區zui容易發生地震?

我國處在世界上zui大的兩個地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,是世界上地震zui多的國家之一,同時又因為我國人口密集,防震意識差,導致我國也是地震造成的災害zui嚴重的國家。

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上個世紀,全球共發生3次8.5級以上的強烈地震,其中兩次都是在中國;導致死亡20萬人以上的兩次強烈地震,也都發生在中國,一次是1920年寧夏海原地震,造成 23萬多人死亡;另一次則是著名的1976年河北唐山大地震,造成24萬多人死亡。這兩次地震死亡人數之多,在全世界也是絕無僅有的。在2008年5月12日的四川省汶川縣,又發生了8.0級大地震,造成69227同胞遇難。

面對如此慘烈的自然災害,我們必須摸清地震活動的規律,以求能加強防御、減收災害。我國發生的地震主要分布在五個地區的23條地震帶上。分別為:1.臺灣省及其附近海域;2.西南地區,主要集中在西藏、四川西部和云南中西部;3.西北地區,主要在甘肅河西走廊、青海、寧夏、天山南北麓;4.華北地區,主要在太行山兩側、汾渭河谷、陰山-燕山一帶、山東中部和渤海灣;5.東南沿海的廣東、福建等地。

根據2013年我國地震研究權威部門發布的:中國30個省級城市地震危險度排名中來看,UERDI代表:地震風險度指數,數值越高危險越大。其中,位居榜首的是石家莊0.35;緊隨其后的是合肥 0.25;其次西寧 0.24;再次是海口 0.23;第五位是長沙和南昌都是0.22。

出品:科普中國

制作:科了個普 雁丘客

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

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來源:中國科普博覽


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