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航天技术如何变身抗震神器?可隔离地震约80%能量

2017-09-22 21:30:38

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  航天技术如何变身“抗震神器”

  隔震支座的工作原理与火箭发动机的柔性喷管很接近,要有足够的支撑力扛起上面的建筑;在抗拉力上又要具备弹性,而不至于被拉断。通过这样的技术,可以把地震80%左右的能量隔离,减少地震对上层建筑的破坏

隔震支座施工安装现场。受访者供图
隔震支座施工安装现场。受访者供图

  文/陈立

  9月16日,新疆阿克苏地区库车县发生5.7级地震,震源深度6公里。这是今年继九寨沟7.0级地震和新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县6.6级地震后,中国发生的又一次较大震级的地震。

  中国是世界上多地震的国家,也是蒙受地震灾害损失最为深重的国家之一。在地震精确预测仍是世界难题的情况下,有没有有效的方法来减少地震造成的生命和财产损失呢?近日,一种在网上被称为“抗震神器”的设备似乎给人们带来了希望。实际上,它是在航天技术加快军转民的背景下,中国航天科技集团公司四院41所研发的减隔震产品。

  灵感来自火箭发动机

  2013年4月20日,四川省雅安市芦山县发生7.0级地震,震源深度13公里,震中芦山县龙门乡99%以上房屋垮塌,重庆及陕西宝鸡、汉中、安康等地均有较强震感。

  在西安,吴新华密切关注着芦山地震的动向。一则新闻引起了他的注意:由澳门特别行政区援建的芦山县医院在强震中“毫发未损”,网友称其“楼坚强”,因为这栋建筑物有防震设计,加入了一种隔震垫。

  吴新华是中国航天科技集团四院41所返聘的老专家,他突然意识到,航天科技或许能帮普通民众干一件大事。第二天,吴新华就跑到单位找领导提出了一个想法:能否依托固体火箭发动机喷管柔性摆动技术,研发减隔震产品,以减少和阻隔地震波对建筑物的影响。“吴老当时已是退休状态,完全可以不管这些事。可是,他们这代人总是心系国家,这一点我们不得不佩服。”提起事情的原委,41所设计师裴少帅对《中国新闻周刊》说。

  41所固体火箭发动机首席专家尤军峰解释说,传统的抗震技术是把建筑物上部结构与基础牢固地连接在一起,其实就是把房子盖得更结实,用更粗的钢筋、更多的混凝土浇注,但这样抗震的效果并不理想。而如果在建筑的上部结构与地基之间增加隔震层、安装橡胶隔震支座,就能起到与地面“软连接”的作用,通过这样的技术,可以把地震80%左右的能量隔离,减少地震对上层建筑的破坏。

  四院主要承担我国运载火箭、战略战术导弹、卫星、载人飞船等航天产品固体发动机的研制、生产和试验任务。隔震支座的工作原理与火箭的柔性喷管很接近,要有足够的支撑力扛起上面的建筑;在抗拉力上又要具备弹性,而不至于被拉断。

  于是,四院41所利用固体火箭发动机喷管柔性摆动技术和工艺,历经两年多,研制出叠层橡胶隔震支座。它是由一层钢板、一层橡胶,层层交错叠合起来,并经过特殊工艺将橡胶与钢板牢固地粘结在一起。这样的结构,具有大的竖向刚度和竖向承载力,足够支撑庞大建筑物的荷重,安全系数一般可达10以上;同时,又具有很小的水平刚度和足够大的水平变形能力,保证建筑物的振动周期延长2~3秒或3秒以上,从而能够避免同频共振带来的破坏。

  此外,支座具备恰当的阻尼和稳定的弹性复位功能,兼具耐久性和抗疲劳性能,适用于新型桥梁和房屋建筑。

  “我们的产品已经通过了华中科技大学的型检。”裴少帅介绍说,该所已投放到市场的建筑,用叠层橡胶隔震支座水平极限剪切应变(物体产生的相对形变量)达450%,大于国标的要求,使用年限超过60年。“这个指标已经达到了日本同行的水平。”

  无论是对新建的还是已有的建筑物,这种支座的安装施工都不复杂。陕西省渭南市大荔县实验小学拥有崭新的高标准教学楼,每一栋教学楼下面都安置了这种隔震支座。打开教学楼的一处通风口,下到建筑的底部。隔震支座每6米一个,呈网状分布,在这个地下空间有30个,支撑着整栋教学楼。

  从提出设想到如今在社会上引起关注,裴少帅和同事们在为这项技术苦心付出了好几年。他表示,“我们研发的减震、隔震产品使用效果很不错,技术应用比较成熟。”

粘滞阻尼器。受访者供图
粘滞阻尼器。受访者供图

  抗震不只靠“神器”

  41所的减隔震产品经央视报道后,“抗震神器”的名头很快就借助互联网传开了。但裴少帅表示,这种产品并非中国首创。

  日本是地震多发国,世界上20%以上的地震都发生在该国。因此,建筑结构的抗震性在日本很早就受到了重视,此类结构在功能上又分为抗震、减震、隔震三种。裴少帅说,目前在网上被津津乐道的“抗震神器”其实属于减震、隔震的范畴。

  地震的能量经过基础传输到上部结构,使结构发生振动和变形,一旦受力超过其结构强度时,便会发生破坏甚至倒塌。所谓抗震结构,就是在中小地震发生时,利用柱、梁、剪力墙的承载力抵御地震。这种结构在形式上大致分为框架结构和剪力墙结构。作为一种传统的抗震方式,简单地说,就是把房子盖得更结实,用更粗的钢筋、更多的混凝土浇注。

  减震结构是通过在抗震结构的建筑物内设置阻尼器来抑制震动,以减轻柱、梁等主要结构构件的损伤。针对大地震设计的阻尼器,多采用安装减震器的方法。

  隔震结构则在建筑物的基础部位或中间层设置隔震层(构件),它不用改变原建筑的设计方案,就能抑制地震力引起的横向震动,并使建筑物的晃动频率放缓。隔震层的竖向承载力大,但水平方向柔软,能有效地降低地震引起的建筑物上部结构加速度反应而导致的变形,从而减小地震对建筑的破坏。

  减震和隔震体系,能实现建筑结构自身、非结构构件和建筑物内部设施的三重保护,使得震后建筑物无需修复,可继续使用。航天四院的技术人员介绍说,“隔震与不隔震,地震反应差4到8倍。”

  隔震技术在国外发展较快,在大型公共建筑和军事建筑中得到了广泛应用。特别是新西兰、日本和美国,其技术研究开展较早,水平较高,实践经验丰富,生产能力也较强。

  日本著名的“三井之家”技术中心给出的数据是:目前在日本新建的60米以上的高层建筑中,90%都采用了各种的隔震、减震部件,来实现建筑的抗震性能。在新建的两三层普通民居中,也有40%~50%采用了隔震、减震部件。此外,还有一些既有建筑也加装了隔震、减震部件。

  全国城市抗震防灾规划审查委员会专家委员、中国建筑标准设计研究院防灾抗震技术中心副主任曾德民说,这些隔震、减震部件,通常具有四种机能:具有不把地震的摇动传给建筑的“绝缘机能”;具有受到地震摇动也能维持稳定来支撑建筑物重量的“支撑机能”;具有削弱地震摇动幅度的“衰减机能”;具有地震后让建筑物恢复到原位的“恢复机能”。

  中国建筑研究院注册结构工程师王玮在一篇论文中介绍,日本三井不动产公司在东京都杉并区兼作的一座93米的免震结构公寓,建筑物的外围使用了高强度16积层橡胶,中央部分也使用了天然橡胶系统的积层橡胶。在6级以上的地震发生时,这种保护装置能使建筑物的受力减少一半。

  此外,日本建筑在选材上也格外讲究。比如,在欧洲、中国经常被当作主要建筑材料的砖瓦,现在在日本建筑上几乎已经找不到踪影,取而代之的是辅以轻型墙面材料的钢筋混凝土结构。地上55层、高185米,有日本最高公寓楼之称的

  不断完善的建筑法律也是必不可少的。“每一次日本发生特大地震后,国土交通省都会组织力量进行建筑抗震调查,根据调查结果提出对《建筑基准法》的修改意见。”上海世博会日本产业馆建筑制作人寺崎由起曾表示,日本建筑师在设计建筑时,会严格依照《建筑基准法》的抗震要求,而且这部法律每几年就会重新修订一次。

  发展中的减隔震设备

  航天四院41所以固体火箭发动机柔性喷管技术为基础,研制出建筑用橡胶隔震支座、减震阻尼器等产品,在此基础上,又先后研制出适用于大型设备或仪器的减隔震产品。在41所进入这个市场之前,国内企业也拥有同类产品,但质量控制、设计、材料、工艺等水平,都与国外同行差距较大。

  裴少帅在前期调研时发现,国内企业甚至没有完全掌握设计大尺寸产品的技术,产品合格率也不高,影响了这些产品的推广应用。“一拿国外标准对比,国内基本上就没有企业能达到了,这也坚定了我们在这条路上走下去的决心。”

  41所有丰富的航天产品研发技术储备。几年来,研发团队的设计师都是“兼职”状态,一手负责航天型号的设计工作,一手研发减隔震产品。他们先是通过自身的研制、生产能力,确保设计和工艺达到国外标准。待条件逐渐成熟后,为解决自身生产能力不足的问题,从2016年开始开始寻找民企进行合作。

  为了找到合适的生产伙伴,他们跑遍了衡水、株洲、西安等地的相关企业,最远还去过云南。然而,很多企业面对他们提出的生产标准直摇头,要么表示做不到,要么认为不划算。

  起初找到一家业内信誉度很高的企业,前期合作比较顺利。但在建筑用叠层橡胶隔震支座中,橡胶和钢板要粘结起来,但检验时发现,钢板在加压硫化环境下变形非常大,钢板的不平度超过了41所提出的标准两倍。原来,这家企业在生产过程中节省了一道热处理工序,钢板没有释放应力。“如果在常温环境下检测是没问题的,然而,生产者认为那道工序没有必要,也耗费成本。”

  寻遍大半个中国后,最终还是在西安找到一家民企并顺利达成合作。除了商业诉求,大家也希望能通过努力,改变国内产品性能普遍落后的现状。裴少帅认为,产品设计理念都是国外现成的,国内产品水平不高主要还是因为工程应用能力差,而航天企业在这方面会强一些。

  隔震支座的设计寿命是60~70年,这个结果是以材料在恶劣自然环境下加速老化为前提计算出来的。但实际上,41所在超强抗老化高性能橡胶、高强度粘接剂等方面做了更深入的研究,还对产品材料外表面做了防止老化、霉变、腐蚀的处理,所以一般情况下,正常使用寿命应该是大于设计寿命的。“这和天上飞的卫星经常能超期服役是一个道理。”

  除了需要在整体上帮助建筑物减隔震,房屋内的精密仪器设备、重要文物也可以通过减隔震支座得到重点保护。“四川连续发生的几次地震,对文物的破坏就很严重,博物馆也是需要重点保护的对象。”裴少帅说。

  一旦出现极端条件,连隔震支座都无法避免的大变形和位移怎么办?尤军峰表示,一方面,他们将研发一种配合支座使用的装置,以应付更大的荷重和冲击;另一方面,还将通过航天仿真技术来优化、改进现有的隔震结构。

  目前市场上的减隔震产品主要都是应用于二维层面的地震中,因为地震波最厉害的就是横波,地面是横向摆动。国内外业界还在研制、测试三维空间的减隔震系统,可应对海上的横向和纵向摆动。41所也在进行这方面的探索。

  中国的隔震技术起步较晚,但目前已建有隔震建筑3000多幢,比2005 年统计数量翻了一番。其中,云南省的隔震建筑面积约占全国的一半左右。

  国家住房和城乡建设部发文指出,从2014年起,各省、自治区、直辖市住房和城乡建设厅应有序推进减隔震技术的应用,确保工程质量。随后,甘肃、新疆、青海等地震高烈度地区对使用减隔震技术做了强制规定――凡是位于抗震设防烈度8度及以上的地震高烈度地区及地震灾后重建的4至12层学校教学楼、学生宿舍、医院医疗用房、幼儿园、机场等人员密集公共建筑,必须采用基础隔震技术进行设计。

  在中国,减隔震设备未来还会在公路、桥梁、船舶和核电设施等领域派上更大的用场。

  声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权

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