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【热议话题】10 级地震中,故宫模型岿然不倒的抗震验证方法是否正确?(附视频)

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【热议话题】10 级地震中,故宫模型岿然不倒的抗震验证方法是否正确?(附视频)

不久前人民日报所发布了名为「10 级地震中,故宫模型岿然不倒」的视频,在网上引起一片热议,不少网友表示厉害了!我的老祖宗!


不久前人民日报所发布了名为「10 级地震中,故宫模型岿然不倒」的视频,在网上引起一片热议,不少网友表示厉害了!我的老祖宗!


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感叹古人智慧强大的同时也有一些质疑的声音,视频中模拟10级地震是否正确?10级地震中故宫真的不会倒?是否真的有这么厉害呢?


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让我们在看网友评论之前先来看一下这段视频。



网友1:


从视频来看,不太正确,至少是有误导的。鄙人不才,读硕士时候和振动台打过很多交道,对振动台比起很多同行熟悉那么一点点,所以说两句我觉得有问题的地方,用中午休息时间,先占个坑,后面有空再仔细完善一下。 


 先不讨论基础形式对不对、木结构性能如何,以及试验时候报震级这些问题,做振动台试验用缩尺模型的话,一个比较突出的问题是模型结构自身地震作用比真实结构小,而且不是小一点的问题。


为了讨论问题简单,我们用最简单的模型——单自由度模型,如果你不知道这是什么,你就可以想象成一把砸墙的大锤子,杵在地上,就是这样。


地震会在结构内产生惯性力,这种力和重力类似,是一种体力,当模型长宽高缩小为原来的1/n,体积缩小为原来的(1/n)^3,在材料不变的情况下,重力、惯性力也会缩小(1/n)^3,由于是 单自由度体系,质量集中在上面,对基础底面的倾覆弯矩会缩小的程度是(惯性力)x(高度),也就是(1/n)^4  


a.重力          (1/n)^3 


b.惯性力      (1/n)^3


 c.倾覆弯矩   (1/n)^4  


然后我们来看看承受这些力的构件抗力的变化 


a.重力 


柱子承受重力,极限承载能力和材料强度和单自由度体系的柱子截面积有关,材料如果不变,那么只和柱子截面积有关,截面积的变化是(1/n)^2。  


b.惯性力 


地震是xyz三向都有加速度的,不过一般只考虑xy,也就是水平向,水平向的地震在结构内引起的惯性力主要靠柱的抗剪能力承受,也和柱子的截面积有关,和重力一样(1/n)^2


c.倾覆弯矩 


还是只考虑那个砸墙大锤,抗弯能力和截面的抗弯截面系数有关,对于矩形截面,公式是(bh^2/6),其他的截面也是类似的,也就是说随着缩尺比例,这个抗弯承载力的变化是(1/n)^3  


对比一下作用力和抗力,不难发现,所有作用力的缩小系数都比抗力的缩小系数高一阶,这样导致的问题就是模型缩小过程中作用力和抗力会迅速拉开差距,如果不改变材料,缩小的结构非常难以被破坏。

所以这个模型试验并不能得出“故宫三大殿能经受10级地震”这样一个结论,当然这个结论的表述本身就有一点问题。

不过,科普吗,宣传吗,为了科普和宣传效果,牺牲一些科学性和合理性也是可以理解的,不吹毛求疵。  既然题主你问了,我就从一个点告诉你,这个方法不是很合适,有一些工作没有做,正儿八经做振动台试验时候为了解决这个突出问题,要做很多工作  


1.地震作用力不是小了吗,那就增加额外的力,给模型挂上铅块,钢块,由于这些块之间是有间隙的,并不产生额外刚度强度,所以可以弥补地震作用的过度减小,重新把地震作用拉回和抗力同一水平。一般来说缩尺1/n,就要补充n-1倍的质量,才能让地震作用和抗力之间重新平衡。还有一条路是增加地地面运动的加速度,但是这个受限于加载设备。所以可以两者联合。


2.有时候缩得很厉害,1/20,1/50,想要补充20倍、50倍的地震作用很难做到,那就改材料,把材料的强度降低,让抗力缩小。


3.对于多自由度体系——其实绝大部分结构都是多自由度体系,视频里的木构模型反而是比较少见的接近单自由度体系的结构——还需要考虑动力特性的相似性。振动台试验的动力相似性这个问题到今天都还有人很多人写文章,很多不同的试验,要对结构动力特性、地震作用真实性、抗力真实性等等不同方面进行取舍,有得必有失,还没有什么能兼顾的好方法。

从视频看,好像没有增加负重,缩小比例也不小,肯定超过设备的补偿能力的,木材似乎也没有特别选材,这就不太严谨了,不过就是个宣传片,所以可以理解。我很遗憾的是这个摄制组没找我们同济,15年时候我们做了一个木塔试验,是正儿八经试验,对传统结构抗震性能的展示还是很到位的。

当然,我这里要提醒大家一句,故宫、庙宇木塔在中国古代的地位是非比寻常的,不是民宅可比,拿故宫、木塔的抗震能力去推想民宅的抗震能力是极为不妥的。


网友2:


考虑到是新闻宣传,醉翁之意不在酒,在乎山水之间。完全可以理解,不过分,效果也不错。 但是震不倒这事说厉害也不厉害,说不厉害吧也确实不能小看。 


第一,要纠正一下,10级应该是地震烈度,不是震级,这几乎是他们记者100%报道这类新闻都会反的错误。片子里实验室的人还还喊了一句“10.1级地震开始!”说的怪蹊跷,做这行的一般习惯应该说的是烈度,从来不是指震级。地震台震出10级大地震?开玩笑的吧,用炸药包模拟我觉得还差不多。


 第二,木结构本身就是一种不错的不错的结构体系,尤其节点连接的位置延性确实很好,平时正常使用的时候是固接,地震时变成铰接,形散而神不散的感觉,这样导致结构本来也“吃”不到那么多地震力,地震能量不会全部传上来,而传上来的那部分地震能量又会被木结构吱扭吱扭的消耗掉。总之,抗震首先还是得看用什么结构体系,像木结构这种,属于注定天生丽质难自弃的类型。震不塌不奇怪。 


第三,注意到他们实验的时候,柱脚不是固定的,能移动。我就很不理解这个,难道木结构都是这样,不嵌入地基里做个蹲儿?(好吧如果就是浅埋就算了,不过凡事必有代价)。这个不固定的柱脚还是很关键的,上部结构能在地上来回滑动,这抗震哪能有差的。说白了,又给木结构加了一道隔震支座,工程师的抗震大招被用在本身抗震性能就不错的木结构上。老兄都点作弊嫌疑啊。。说偏激点的,给柱脚装四个轮子吧,是男人能扛100级,体系任选。 


第四,一个小问题,这是一个缩比模型,但是材料性能是有尺寸效应的。1米长的钢筋硬梆梆,100米的钢筋软的跟面条一样。缩小了的整体模型也有尺寸效应,按理说需要一个换算等代处理。如果不做处理,那这个实验就唬人了,不如再把尺寸缩小一倍,我保证12级地震也没问题。 以上就是当时看完视频想到的。我不是说老祖宗不聪明,不厉害。而是觉得从工科的角度,这一切都是可以被解释的,所以太阳底下没有新鲜事,也就少了很多震惊的感觉。但是不是这个专业的人看了确实会很兴奋,完全可以理解。  其实我最想说的还不是这个。木结构抗震这么牛逼,为啥现存的木结构这么少?当然不是震塌的,都是烧掉的,烂掉的。木结构防火不行,防潮也不行,盖不了高楼大厦,还得砍伐树木。


这些都是实际问题,你一辈子也遇不上汶川地震,但遇上火灾,遇上刮风下雨,遇上蚂蚁的概率可是大多了。看着花里胡哨的东西,未必是大家真正需要的和实用的。


木结构再怎么牛逼,故宫也就一个,剩下99个木结构房子早就消失了,这不是偶然的,只不过塌了的房子不会说话,大家也看不到。


网友3:


就拿其中通过释放柱脚位移约束来实现地震能量的耗散为例,此类做法也就只有对视频中的矮胖的结构有效。层高或者建筑高度一上去,做成像塔一样的高耸结构的话,这类柱脚不固定的结构怕是坚持不了多久的。

作为一个独立的结构来做缩尺模型试验验证破坏过程是没有什么问题的,然而通过一个模型的情况来得出什么老祖宗智慧之类的结论就是夸大其辞了。这分明是用血泪筛选下来的经验。

地震不常有,古代一个造房子的工匠熬了一辈子也未必能体验。

难道现代人忘了什么叫“一将功成万骨枯”?


看了大部分网友的解答,大部分都认为这个实验在学术上还是不太严谨的,参考价值还是有的。


老祖宗的智慧我们确实不能否认,但毕竟老祖宗是几百年前的人,我们更不能否认长久以来我们中国在建筑行业的发展进步。


小伙伴们你们有什么想法呢?



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