- A+
新西蘭時間2016年11月14日凌晨00時02分，新西蘭南島發(fā)生7.5級大地震，震中位于基督城東北處的漢默斯溫泉Hammers Spring，震源深度15千米，屬于淺源地震（一般淺源地震比深源地震破壞性更強(qiáng)烈）。
新西蘭地質(zhì)災(zāi)害網(wǎng)GeoNet測到的最大地震動為0.23倍的重力加速度，相當(dāng)于北京450年一遇的地震強(qiáng)度，上海2500年一遇的地震強(qiáng)度，對于抗震設(shè)防不是很高的地區(qū)，這已然是千年一遇的大地震。
地震如此之大，到目前為止報(bào)道的遇難人數(shù)僅為兩人，其中有一人是心臟病突發(fā)死亡，這不禁讓我們感覺新西蘭房屋的堅(jiān)固。當(dāng)然，人口較少是少傷亡的一個重要原因，不過這么低的死亡率著實(shí)讓世界震驚，大家一致認(rèn)為新西蘭是個抗震的國家。那么，新西蘭的房子是怎么設(shè)計(jì)的呢？
現(xiàn)在全世界最流行的抗震設(shè)計(jì)方法叫做“能力設(shè)計(jì)法”，是基督城坎特伯雷大學(xué)的帕克和鮑雷教授在70年代提出的，這兩位教授被國際抗震組織授予“地震工程傳奇”，雖然現(xiàn)有一些新理念新方法被提出，但他們提出的方法還是被現(xiàn)今世界上各大抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用。
這種方法的核心將控制概念引入結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)房屋結(jié)構(gòu)如何變形，設(shè)計(jì)時告訴房子如何破壞，并將“延性概念”引入結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，能在地震中產(chǎn)生較大變形而不倒塌，鮑雷教授有一句名言叫做“Tell the structure how to behave”就是對這種方法最好的闡述。
中國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也采用此方法，并通俗地將地震性能要求設(shè)定為：小震不壞，中震可修，大震不倒。
外國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也有類似的標(biāo)準(zhǔn)。
該理念雖好，但有時候地震在超出預(yù)期的情況下仍然使結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，比如震中心在基督城市區(qū)的2011年坎特伯雷大地震，很多房屋倒塌，破壞嚴(yán)重。
所以，新西蘭的結(jié)構(gòu)工程師們一直在思考一個問題：可不可以中震不壞，大震不修，甚至大震也一點(diǎn)不壞，把房子設(shè)計(jì)成新西蘭工程師所謂的無損房子low-damage building呢？
答案是肯定的，新西蘭就是這么一個國家，在土木結(jié)構(gòu)工程方面，科研和工業(yè)緊密結(jié)合讓世界驚嘆。小編8月份參加了在基督城舉行的世界low-damage building研究論壇，來自美國斯坦福大學(xué)的格雷格教授在參觀了基督城重建工作之后，發(fā)出由衷的贊嘆：我們真羨慕你們，你們研發(fā)的新技術(shù)竟然可以如此迅速地運(yùn)用到實(shí)際工程中，堪稱完美。
事實(shí)上，經(jīng)過2010/2011基督城地震之后，政府在抗震方面的投入甚大，新西蘭的抗震研究迅速發(fā)展，奧大和砍大相繼更新了大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，各種新規(guī)范、新方法、新理念層出不窮，全世界的結(jié)構(gòu)工程師和科研工作者均來新西蘭參觀交流講學(xué)，甚至在這里扎根做研究，最近幾年的新西蘭像是整個世界的抗震研究中心。這是奧克蘭大學(xué)最新結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室：
這是坎特伯雷大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室剛建成的室內(nèi)：
順便提醒廣大留學(xué)生，如果學(xué)土木結(jié)構(gòu)，到新西蘭是來對地方了，奧大和砍大的結(jié)構(gòu)工程在世界上均名列前茅，在歷史上，這里出來的工程師、學(xué)者、咨詢公司創(chuàng)始人都在全世界遍地開花。
對于基督城重建，新西蘭結(jié)構(gòu)工程師正打算把基督城建成一座智能城市smart city，在重建過程中用到了很多最新的抗震技術(shù)，當(dāng)?shù)卣鹪俅蝸硪u時，或者房屋已經(jīng)自動啟動預(yù)警系統(tǒng)，或者房屋只是隨著地震搖擺片刻，隨即又可使用。
那么，這些絕頂聰明的工程師想出的抗震技術(shù)到底是什么樣子的呢？我們來看看。
1 - 減震器
在汽車?yán)铮绻麤]有減震器吸收能量，那上下顛簸時可要小心了，隨時都有腦袋穿頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，因?yàn)闆]有消耗能量，你的身體也會隨著慣性上下晃動。
新西蘭結(jié)構(gòu)工程師將這一理念用到了建筑結(jié)構(gòu)中，稱之為消能減震器，材料一般是延展性較好的鋼材、或者是大型彈簧和液壓系統(tǒng)，其核心思想是：破壞弱者來保護(hù)強(qiáng)者，減震器消化了地震帶給建筑物的能量，從而降低了對地震對建筑物帶來的撕裂效應(yīng)。
與汽車不同的是房屋的減震器一般水平放置或者斜向放置，因?yàn)樗椒较虻牡卣鹌茐南鄳?yīng)遠(yuǎn)大于豎向的破壞，而汽車消能減震器一般豎向放置來防止上下顛簸。
奧大實(shí)驗(yàn)室對一種消能減震器“防屈曲支撐BRB”進(jìn)行過地震模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明這種消能器可以非常有效率地耗散地震能力，從而使主體結(jié)構(gòu)保持良好。
當(dāng)?shù)卣鹜旰螅@些破壞的消能裝置可以拆除重新安裝，既抗震又方便，十分經(jīng)濟(jì)。
這種裝了消能減震裝置的結(jié)構(gòu)在其他國家可能應(yīng)用得沒有這么廣泛，但在新西蘭的房屋中到處可見。在基督城的木結(jié)構(gòu)房子Trimble Navigation在2011年地震中被大火燒毀，重建后的這棟房子用的就是這種技術(shù)，在梁柱節(jié)點(diǎn)，墻角處均使用了耗能器。
2 - 隔震技術(shù)
新西蘭是第一個開發(fā)并應(yīng)用地震隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的國家，”結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)“在新西蘭已經(jīng)有超過一百年的研究歷史，無論地震有多強(qiáng)，這種“以柔克剛”的抗震技術(shù)使得房子就像一片荷葉在水上漂浮，而房子內(nèi)部卻安然無恙。
隔開主結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的可以是耗能性能好的橡膠，也可以是各種先進(jìn)的隔震裝置。
現(xiàn)今世界上最大的振動模擬臺E-defense（日本Earthquake-Defense）對一個5層16米高的原型房子進(jìn)行了抗震試驗(yàn)，所用的地震動為罕遇大地震，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)房子除了天花板有掉落外，結(jié)構(gòu)部分完好，震后稍加修復(fù)即可使用。
新西蘭惠靈頓的警察局大樓就是世界上第一棟基礎(chǔ)隔震的房屋，房子的斜向支撐是用來把房屋變得剛硬，地震來時可以使房子在隔震支座上來回移動。
惠靈頓是新西蘭抗震等級最高的城市，地震帶橫穿該城市，這個城市有很多外表看似平常卻用了大量抗震技術(shù)的房屋。最大的博物館Te Papa也是采用的隔震技術(shù)，四層的Te Papa在基礎(chǔ)底部都布置了隔震裝置。
此種技術(shù)抗震效果好，結(jié)構(gòu)工程師建議比較重要的房屋結(jié)構(gòu)均可采用此種技術(shù)。
3 - 搖擺技術(shù)
搖擺技術(shù)是90年代由新西蘭結(jié)構(gòu)工程專家Priesley教授提出，墻體預(yù)留洞，鋼絞索穿入孔洞然后將墻體預(yù)拉起來，墻體與基礎(chǔ)本身并不現(xiàn)澆連接，地震作用下形成搖擺，地震結(jié)束時，搖擺系統(tǒng)回到原點(diǎn)，所以也叫自中心self-centering墻。與出現(xiàn)大量裂縫的普通混凝土墻相比，搖擺墻沒有裂縫，沒有破壞。
其核心是放松了節(jié)點(diǎn)也拉緊了節(jié)點(diǎn)，而保證主體結(jié)構(gòu)在變形時未造成破壞，而且震后可以回到房屋中心。日本D-defense振動臺對兩個四層的鋼筋混凝土房子進(jìn)行了原型試驗(yàn)，一個是普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一個是采用搖擺技術(shù)的結(jié)構(gòu)，兩個房子放在同一個振動臺，用罕遇大地震進(jìn)行試驗(yàn)。
震后表明，一模一樣的兩棟房子，采用搖擺體系的結(jié)構(gòu)破壞微小，而普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系破壞很嚴(yán)重，梁柱墻均出現(xiàn)不同程度的破壞。
搖擺體系只有混凝土稍微剝落，稍加修復(fù)即可使用。
而普通體系，墻角處即出現(xiàn)大面積混凝土壓碎，很難修復(fù)。
新西蘭惠靈頓四層樓房子Alan MacDiarmid就是根據(jù)該理念設(shè)計(jì)所成，當(dāng)然該房子還利用了第一種耗能減震裝置，該房子的設(shè)計(jì)理念有可能入選新西蘭-中國合作項(xiàng)目，2017年有望在上海同濟(jì)大學(xué)地震國際合作中心振動臺上進(jìn)行抗震試驗(yàn)，讓我們拭目以待。
以上三種技術(shù)不僅僅單一地用在房屋結(jié)構(gòu)上，它們可以同時融入到同一結(jié)構(gòu)，從而互相作用，形成更加有效的抗震效果。比如位于奧克蘭海港附近的Union House就是同時使用了基礎(chǔ)隔震和消能減震器的房屋。
底下黑色部分就是隔震裝置，而底層柱與柱之間巨大的橫梁就是消能減震器。
以上三種技術(shù)是新西蘭房屋結(jié)構(gòu)最常用的抗震技術(shù)，當(dāng)然了，另外還有很多。比如金屬記憶材料的結(jié)構(gòu)，大家都聽過記憶眼鏡，對的，該種材料已經(jīng)用在了結(jié)構(gòu)工程中，使用這種材料的結(jié)構(gòu)在地震作用下會變形，但是它有記憶力，隨后即可復(fù)原為原來的形狀，這種材料因?yàn)楝F(xiàn)階段價(jià)格太高，所以目前未能得到普遍利用。
還有，工程將保險(xiǎn)絲應(yīng)用到了結(jié)構(gòu)中，鋼索將整個建筑用垂直地可更換鋼纜拉緊，這些鋼纜就像橡皮筋一樣可使整個結(jié)構(gòu)受力，地震來時，保證結(jié)構(gòu)端正。
另外還有阻尼結(jié)構(gòu)，建筑中掛一個質(zhì)量超大的球狀物體，當(dāng)?shù)卣鹨u來時，建筑產(chǎn)生的能量會被傳至大球，而大球的質(zhì)量剛好可以在建筑物整體擺動時由于慣性力反方向運(yùn)動，從而中和建筑的變形。
聰明的新西蘭結(jié)構(gòu)工程師當(dāng)然還有很多很多辦法來解決房屋的抗震問題，這里不一一解釋了。隨著每一次地震的發(fā)生，抗震技術(shù)不斷更新，新西蘭抗震規(guī)范也不斷完善，大家一定要相信，我們雖然無法戰(zhàn)勝大自然，但我們不斷可以解決大自然所帶來的問題。
大家都在看:
