奇妙的抗震结构如何守护日本的高层建筑?

2018-01-25 来源:科普中国-科普融合创作与传播

  出品:科普中国

  制作:科了个普 雁丘客

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  作为地震多发的国家之一,日本从古至今在建筑设计方面煞费苦心,通过诸多抵抗强烈地震的手段,保证了设施安全。当然,大自然的力量是可怕的,目前来说,无论我们人类有多完备的防御措施,灾祸仍然可能以摧拉枯朽的方式伤害我们。古代我们面对自然界压倒性的力量,时常无何奈何,遇到疾病或天灾,古人只能依靠祭祀来祈求平安。

图1 模拟阪神大地震震中的房屋内部晃动情况

  如今,我们依赖掌握的自然规律和科学技术,可以在很大程度上避免一些破坏力较轻的灾祸。然而,在一些较强烈的地球活动,比如火山喷发,海啸以及地震中,我们仍然面临较大的威胁。

  地震和火山活动多发的日本无疑是防灾减灾技术最领先的国家。自古以来的生存危机激励岛国人民绞尽脑汁,拿出很多优秀的防灾建筑设计。技术更新的今天,日本的新建筑在应对地质灾害方面有哪些巧妙的方法,可以被世界其他国家借鉴呢?今天,给大家简单介绍几种日本房屋的减震结构。

  2011年日本“3.11”大型地震及海啸发生时,距离福岛仅300公里的东京震级也在7级以上,然而地震在东京市区内造成的死亡人数仅仅为7人。很难想象这种情况能出现在人口密度如此高的城市中,其中的原因之一就是其坚固的城市建筑设计。

图2 各地观测到海啸高度

  过去我们一直强调房子越坚固越好,建筑材料越坚硬,整体结构才能更坚固。“耐震结构”是传统建筑技术中的一个重要组成部分。

  所谓“耐震结构”是将墙壁和承重柱强化,再加入强度补充材料形成坚固的建筑物。毋庸置疑,材料和结构越坚固,整体建筑就越牢固。木制房子肯定没有钢铁结构更结实。然而,随着文明进步和科技发展,我们知道了以柔克刚的道理,学会了借力打力,因此又发明了新的建筑技术:免震技术和制震技术。

图3 制震和免震的构造示意

  “免震结构”的原理很简单,一句话说就是“你震我不震”。其实现原理一般是在地面和建筑物之间加入橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等,把震动的地面隔开,降低振动强度,就如同在房子底下加了一个大弹簧。

  实际建筑设计上,是在地面和建筑物之间加上吸收振动,如,高层建筑的底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座。

图4 多层免震橡胶弹性垫

  这种弹性垫可以将整个建筑物与地面分离,如同在建筑物底部安装了一个大大的弹簧,可以预想该结构对地震带来的冲击有很大的缓冲效果。

图5 免震层施工状况

  这种结构在日本比较普遍,而且应用得比较早,因此日本多数建筑物都会用这种免震结构作为地基设计的基本方法。

  而“制震结构”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附着振动减轻装置,控制建筑物的摇晃。实际上,很多世界知名高层建筑都应用了这种方法来抵御地面振动或者强风。

图6 三种抗震房屋结构的直观演示

  DUOX(有源双减震器减震系统)

  首先,介绍一个比较知名的制震技术——DUOX(有源双减震器减震系统),实际上它是TMD(调谐质块阻尼器)和AMD(主动质量阻尼器)技术的组合应用。

  TMD系统应用的一个简单例子就是运用钟摆原理控制振动。在建筑物中吊一个摆锤装置,当发生振动时,建筑物产生晃动的趋向,也会引起摆锤的摆动,而摆锤会以相反的方向摆动,建筑物总是被拉回原来的方向。

  比如台北101摩天大楼为了应对因高空强风及台风吹拂造成的摇晃,在大楼的88至92楼间设置了TMD。该TMD系统挂置一个重达660公吨的巨大钢球,利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器,更是目前全球最大之阻尼器。

图7 台北101大楼中的调质阻尼器

  最开始TMD是建筑公司主要采用的抗震技术。

  而AMD通过传感器感知振动的频率、幅度等,把信号传递给执行器,执行器对抗质量块而把惯性控制力施加给振动体,实现抑制振动的功能。世界上第一个安装AMD,控制地震和强风的是日本的Kyobashi Siewa钢结构建筑(33m)。

图8 调谐质量阻尼和主动质量阻尼

  而DUOX另外增加了TMD(调谐质量阻尼)和AMD(主动质量阻尼)的组合系统。随着技术的发展,结合TMD和AMD技术而建设的日本建筑是位于东京都港区的Shiodome Media Tower(172m)。

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

  HIDAX-R(流动阻力抵抗振动)

  日本鹿岛会社于1995年开发出了振动吸收阻尼HiDAM,我们先来看一下早期的HiDAM是如何工作的。

  当建筑物产生振动时,建筑物的梁和支架产生位移差,使得活塞移动。活塞上有可以打开的连接孔,液压油可以通过连接孔在左右油室之间移动。连接孔中设有调节阀,利用通过孔口的油的流体阻力达到减震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama (209m) 就是采用了这种抗震技术。

图10 HiDAM

图11 使用HiDAM 的The Kitahama

  2015年开发出的新型振动吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX 的基础上研发的,抗振性能达到前者的4倍以上。与HiDAM相比,HiDAX是一种可以控制流量的油阻尼器。性能要优于HiDAM。而HiDAX-R是世界上首个搭载振动能量再生系统VERS的新型制震阻尼器,也是首次将汽车制动控制原理应用到建筑物的设计中。可以临时储存因地震等引起的振动能量,提高抗震效率。

图12 HiDAX-R

  由于该技术开发于2015年,目前尚未应用于实际建筑中。HiDAX则已应用于2003年竣工的位于东京的Roppongi Hills Mori Tower (238m)中。

图13 Roppongi Hills Mori Tower 【东京】

  DFS (双框架系统)

  在建筑物的中心放一个刚性心轴,在它的外围放一个由很多柱子和横梁搭建的软结构建筑物。然后用减振装置(油阻尼器)连接这两个建筑物。地震时,这两个建筑物的硬度不同,晃动的频率也不同。所以变形的趋向也不同。心轴比较硬,晃动会比较厉害,而建筑物通过油阻尼器的减振作用,大大降低了晃动的幅度。

图14 DFS结构图

  位于日本川崎市正在建造的港町駅前マンション(96m)正是应用了这个抗震技术。

图15 建设中的港町駅前マンション

图16 东京天空树所用的DFS抗震结构示意图

图17 抗震技术有效的增强了房屋抵抗地震的能力

  结语

  我们从最初的耐震结构,针对每时每刻都会发生变化的地震、强风等作用力,发展为制震和免震结构,并且逐渐把多种抗震技术组合应用到建筑物中,使建筑物的抗震抗风能力越来越强。建筑物的设计高度越来越高,无疑给一些发达的高人口密度地区带来了更多发展机会,我们也可以节省更多的地面面积用来绿化或者种植农作物。

  日本这样一个多地震国家,由于受到生存危机的驱使,开发出了很多优秀的抗震技术,这些技术是值得其他国家学习的。

  我们国家很多地区也在地震带上,这些地区的建筑物的建筑设计方法应该借鉴先进技术,建造抗震能力更强的建筑物,才能减低灾害引起的人身和财产安全。而对日本来说,地震或海啸带来的“水”和“火”仍然是需要面对的两个难题,相信今后的科研工作者们也会在继续努力解决这些问题。

图18 耐震、制震和免震的示意图

  参考文献

  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,刘艳霞,王肇民.质量阻尼器的发展[J].力学进展,2003(02):194-206.

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本文由山西省消防协会科普教育工作委员会主任赵胜进行科学性把关

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