地震时防止建筑物破坏的免震建筑法

地震时防止建筑物破坏的免震建筑法


钟岳桦


　　所谓免震建筑法就是不使地震产生的力直接作用于建筑物，以避免建筑物的破坏。具体地说，就是在建筑物与地基之间加进一种特殊装置，用以吸收地震动的能量，把建筑物的晃动控制在最小程度，使建筑物不受损坏。这种建筑结构的设想虽然早已提出，但一直未引起人们的重视。日本在1995年1月阪神大地震发生前，在神户建有2栋免震楼房。阪神大地震后，神户的这2栋免震楼丝毫无损，由此证明了这一建筑技术的优越性。
　　地震使建筑物摇晃倒塌的原因，是由于建筑物直接固定在地基上的缘故。当地震能量传向建筑物时转变成建筑物的振动能。支柱和墙壁一旦吸收这种振动能就会遭到破坏。如果使建筑物脱离地基，即使地基摇晃建筑物也不会摇动，这一设想在现实能办到吗?回答是肯定的。免震抗震技术就是使用免震装置吸收所有振动能的技术，阻止地震力进入建筑物，即使进入也要把它限制在最小的程度。简单地说，就是“不让地震再现”。免震抗震技术具有对付大地震时晃动的功能，而且无需维护。这是一种有效的抗震方法。
　　首先把建筑物与地基隔开，然后插入免震装置，即在免震装置上建造楼房。所谓免震装置就是吸收结构和抗震结构的组合物。吸收结构是由薄钢板与天然橡胶重合制成的，通常用于支撑建筑物的重量。吸收结构如果仅仅是橡胶，其垂直方向会显得松软，加钢板后起坚固压重作用。横向柔软，比重适宜。在吸收结构的中心加进了铅芯和铅塞。铅塞的功能主要是把地震的动能转变成热能，以阻止震动传向建筑物。例如钢筋一旦弯伸就会生热，吸收结构一变形，铅塞也随之变形生热。地震时吸收结构可在水平方向柔软地变形，以阻止地震的力直接传向建筑物，就是说，吸收结构起着缓冲地震力的作用，将地震力从1/3减至1/7，同时从第一层到楼顶的振幅也基本不变。即使遇到强震也只感觉到轻微的晃动。
　　对吸收结构给予地震力时，一旦出现变形很难停止其缓慢运动。尽管地震已停止，但吸收结构仍在慢慢晃动，这就是橡胶的特性。为了抑制这一晃动，就需要配合使用上述的抗震结构。在叫做抗震壁的下段安装铁板箱，从上段吊下来的铁板嵌入到铁板箱中，在其间隙处注入高粘度流体，当地震造成建筑物晃动时，粘性液体能起减振的作用。它不仅能减少水平振动而且也能减少垂直振动，对减轻地震动能发挥很好的效果。抗震结构分钢棒和铅二种，可根据建筑规模选择使用。 吸收结构的强度非常惊人，其纵向支撑能力的强度是混凝土支柱的5倍。其水平方向的柔软程度是以往建筑物的100倍。橡胶不仅不危险反而非常安全。为了调查免震建筑物的抗震性能，人们在建造的免震建筑物中安装了地震观测系统。1992年2月2日，东京发生了地震。根据日本气象厅的报告，这次震度为5级，属强震。通过观测数据充分证实了免震楼的抗震效果。在一幢用免震建筑法建造的大楼中，根据地震仪的记录，该大楼各层楼的震动为15～25伽，而其附近地表的晃动接近100伽，一般中高层建筑物的顶部，摇动程度会增加2～3倍，但这座楼顶部的摇动却降低了10%。这次地震在东京丰岛区居民中心楼3层的地震仪记录的震动为143伽，当时东京市内的27000台电梯全部停运，而该楼的一切设施却运行正常。这次地震已充分确认了免震结构的抗震性能。1994年1月发生在美国洛杉矶的地震(里氏6.6级)也证实了免震楼的抗震效果。在震区共有9所医院，其中有一所医院是免震楼房，虽然9所医院都没倒塌，但8所医院都完全失去了医院的功能，仅有免震楼医院能正常地工作。地震时该免震楼只是缓慢轻微的摇动持续了一分钟。
　　90年代以来，为提高免震装置功能又开发出了各种支撑装置。如控制免震装置水平变形的“水平变形控制装置”，当免震装置出现水平大变形时可缓解周围墙壁冲击的“水平变形缓冲装置”，以及控制地震发生时水平变形不凸出1英寸以上的“凸出防止装置”等。这些装置并非是安全加固装置，而是使免震装置在任何场合都不丧失其功能的支撑装置。 一般情况下免震结构的建筑成本高于一般楼房5%～10%，但增加了安全感，目前世界上最高的防震楼在日本，这座楼高14层，地下2层，高约80米。建筑物各楼层的主体结构构架由170张抗震壁组成。装有超塑性橡胶减震器，可使建筑物的振动衰减常数达到20%。安装抗震壁等防震设备后，大大提高了工程的安全系数。这座建筑物已通过日本建筑中心的评价和认定。
　　免震装置也可用于增固旧楼，例如，用千斤顶顶起楼房，把原来的支柱去掉，插上免震装置即可。美国已开始实施这一技术加固旧楼房。可根据现有建筑物的条件施工，一些古老的建筑也可以采用这一抗震技术加固。