如何評價所謂「抗震神器」,即「建築隔震支座」?
央視財經對這個事進行了報道,航天科技四院的專家門說,技術來自火箭,通過在建築物底部增加橡膠隔震支座,能抵消80%的地震能量。
部分報道如下:
我國抗震神器問世 可讓建築物抵銷80%地震能量
陸科技軍轉民 抗震神器問世
相關報道的數據是否有可靠的來源和實驗證據,所謂的「抗震神器」這種說法是否得體?真正實際在建築上應用,能夠吸收的所謂「地震能量」是哪些種類,是否存在閾值?使用壽命如何?
希望各個媒體宣傳的時候多提供一點點客觀的資料,少一點點主觀的「綽號」。
這是一份 1870 年的專利文件,谷歌專利資料庫可以直接搜得到,https://www.google.com/patents/US99973。
從 1870 年開始,隔震支座就開始蓬勃發展了,一代又一代的科學家和工程師傾注了大量的心血。隨著材料科學和工程技術的發展,這項技術目前已經比較成熟。自 1980 年代開始,隔震支座已經有很廣泛的實際應用,尤其是中國和日本。
目前比較成熟的主要還是被動的鋼板橡膠類支座,就好比傳統汽車上的被動懸掛,只能靠彈簧和阻尼來調整性能,一旦安裝完成,在汽車行駛過程中不能調整,只能在修車廠調整性能。比較新的研究方向包括主動的隔震支座和可恢復的隔震支座,就好比現在一些性能車上的主動電磁懸掛或者氣動懸掛,可以根據車身和路面狀態隨時主動調整。目前這一類的隔震支座研究包括電磁阻尼支座和形狀記憶合金支座,這些原本用在跑車、戰鬥機、航天器上的技術正在慢慢向基礎設施建設領域滲透。
給大家介紹一篇論文,第一作者是我。Gao, N., Jeon, J. S., Hodgson, D. E., DesRoches, R. (2016). An innovative seismic bracing system based on a superelastic shape memory alloy ring. Smart Materials and Structures, 25(5), 055030.
我們研發了一種形狀記憶合金的抗震支撐,看看裡面的 Figure 13(a),我們的支撐讓建築物能額外多抵禦 120% 的地震能量哦。牛逼吧,直接翻倍哦,這才叫「抗震神器」嘛。
這只是成千上萬論文中普普通通一篇,而且,我相信您讀出了我的諷刺語氣。科學技術的進步幾乎沒有一帆風順的,從研究到應用也從來沒有一馬平川的,這些不是靠吹水就能解決的。更何況,論文都沒拿出來,連吹水別人都不信。
我還是乖乖呆在這兒吧,知道為啥不回去不,因為臉皮比不過同行。完全沒有優勢,回去純屬自討苦吃。
還是上山當麻匪自在。
謝 @周鑫 邀。雖然在國內是幾乎是汶川地震後才開始在國內大力推廣的,但隔震並不是什麼新技術,很早就出現了。隔震支座也不是什麼神器,有它的優點和局限性。對媒體的誇大報道就不多批判了,就簡單聊聊隔震技術吧。
隔震支座說白了其實跟汽車的彈簧沒什麼區別,只不過汽車彈簧隔開的主要是豎向的顛簸,建築物隔震隔的主要是是水平的地面運動。它的原理可以通過下面一幅圖簡單理解。
我國現行《建築抗震設計規範》中的規範反應譜
這是我國結構設計用的規範反應譜,可以把它理解為地震的對不同周期系統影響的統計結果,反映的是在給定地震烈度、場地條件和結構阻尼下,地震力隨系統自振周期的變化。可以看到,在某一個周期區間上(0~0.1s),周期越長,地震力越大;某一個區間(0.1s到場地特徵周期Tg),地震力最大且不隨周期變化;過了某個周期(場地特徵周期Tg之後),周期越長,地震力越小。
可見,地震並不是對所有建築物一視同仁的。地震對周期較短較為剛硬的建築更「狠」一些。
加了個彈簧,建築物和彈簧形成的系統周期就比單一建築物更柔,周期也就延長了。如果延長後的周期落在反應譜的位置比原來低,那麼結構的受到的地震力就減小了,算是以柔克剛。
有效的隔震
如果沒比原來低,那麼隔震就沒什麼效果,甚至可能有反效果。這種情況在場地特徵周期Tg比較長的軟土場地(比如長三角、珠三角地區)上比較容易出現。
無效的隔震
所以說,隔震不僅僅是安個橡膠彈簧支座那麼簡單,而是需要通過詳細分析設計來確定支座合適的布置、類型和參數,以達到減小地震作用目的的一整套技術體系。
隔震的最大好處是根本性地減少了地震能量的輸入,所以跟其他抗震的措施相比,隔震技術把建築物的整體振動降低了,所以建築物裡面的非結構構件和物品都一併受到保護。設計可靠度相同的前提下,一般建築可能晃動很大但不會倒塌,而隔震設計的建築不但不會倒塌,甚至可以讓瓶瓶罐罐不會摔壞,手術正常進行。所以特別適合博物館、醫院等重要的建築物。
因為隔震可以降低輸入的地震能量,所以對於受地震作用控制的建築物,應用隔震技術可以減小需要的樑柱尺寸,因此結構造價也可以降低,建築可用的空間也更大。
不過隔震技術也不是免費的午餐。隔震需要特別設計一個隔震層,佔據了額外的建築空間;如果是基底隔震,為了保證建築物跟地面運動脫離開,建築物周圍還需要設置隔震溝,這會給地下室防水帶來不少麻煩。此外,需要隔震支座不便宜,隔震支座的製作安裝也需要一定的工期,帶來的經濟成本可能掩蓋掉結構材料節省得到經濟效益。如果不在強震區,隔震設計可能得不償失。
所以隔震支座不是什麼神器,隔震技術也不是。只有因地制宜,量身定做的隔震設計才能經濟可靠地在地震中為建築物保駕護航。
隔震技術目前已經很成熟了,並不是什麼新技術。『抵消』兩個字用得很不好,因為隔震的原理是"隔",通過調整結構的自振頻率來『隔離』地震動能量,是一種濾波效應。能量『抵消80%』個人感覺也是可能的==
至於隔震效果,目前公認能降低50%以上(和基礎固結結構相比)地震輸入能量是沒有爭論的(中國目前規範隔震結構降低一度進行抗震設計)。我們課題組做過很多隔震設計,數值分析和試驗。總的看來經過合理隔震設計,地震作用力降低到1/7左右是沒問題的。既然這麼好為什麼不用呢?當然關鍵還是沒錢啊,還有一些其他問題,比如支座老化,徐變,近場地震下位移過大等等。下面給點例子證明,論文就不給了反正你們也不會引用我的。
1.數值
大概意思就是一個這樣圖3的層間隔震結構,隔震方案和普通固定方案的樓層剪力對比。
也可以有頻域分析(這裡是分析隔離地鐵引起結構豎向振動,QZS是隔振結構):
2.試驗
(最下面是摩擦擺隔震支座!)
(legend里是地面地震輸入加速度峰值)
我本來想說,這個東西不是什麼新的東西,在國際上不算什麼新的東西,其他回答里也都看得到。
在國內也不算什麼新的東西,拍一段我朝的抗震國家規範里的話:
也就是說,在08年之前,在我朝不算先進地區但算高烈度地震區的四川,這種建築已經有不少了。上午老師提到這個問題,下午就知乎刷出來了,我們抗震老師說記者就是傻逼,這種東西早就出來了,還出過院士
具有實用意義的隔振支座是紐西蘭人William Robinson發明的,時間是1974年。wiki有詞條,截圖為證。後因為鉛芯有污染,後來被高阻尼橡膠替代了。
看到那句話了嗎?
his invention of lead rubber bearing seismic isolation device
詞條在此: William Robinson (scientist)
好了,諸位告訴我我該怎麼評價?
我工作一起覺得這是個靠手藝吃飯的行當,後來才發現自己太天真,這是個靠臉皮和牛皮吃飯的行當。這個新聞只是又一次印證了這一點而已。
就國內而言,建築上的隔震支座早在20世紀90年代就被應用了。
所謂隔震就是在建築物的基礎和上部結構設置【疊層橡膠支座】,在水平地震荷載作用時,通過橡膠支座剪切變形產生位移,減小上部結構的結構反映(位移、轉角等)。該類橡膠支座一般是這樣式的。
【工作原理示意圖】
圖(a)非隔震結構在地震來時,因為上部結構和基礎的固端,可以認為是「硬連接」,地震來時,只能通過上部結構的擺動來耗散地震能量;反之,圖(b),上部結構和基礎之間疊層支座連接,可以認為是「軟連接」,地震來時,支座剪切變形,帶動上部結構橫向移動,上部結構擺動減小,達到隔震的目的。
~ 非隔震和隔震房屋的地震破壞形式~
1993年,廣東汕頭的一個8層住宅樓用了這項技術,在1994年的年台灣海峽6.4級地震影響中,樓房在橡膠隔震層上緩慢搖擺,房屋結構在地震中保持彈性,沒有任何損壞,只是發生了輕微的擺動。
------------------------------------------------------分割線-----------------------------------------------------------------
評價隔震支座,一是對結構反應的影響,如自振周期延長了多少,位移削減多少等;二是耗能情況;~~~對於任意一個支座,先通過計算得到結構的反應,然後看耗能,如果隔震後的反應不滿足要求,就需要增大支座的耗能,通過調整橡膠的硬度,鋼板的強度或布置方式等,使結構的反應滿足隔震要求。~~~
而拋開結構反應去談耗能像是「耍流氓」~
這裡重點說一下耗能。
央視財經頻道報道的「抗震神器」,說是由35道特種鋼板和橡膠片黏結在一起,能抵消80%的地震能量。這個耗能量真的相當可觀,但具體用在結構中,對結構的反應真的比現有的支座好多少,還未可知,期待更多的聲音、更詳細的論文數據拿來參考。
(~拋磚引玉~)
手機答一波......
橡膠隔震...已經是比較成熟的技術了...台大土木學院大樓就採用了這一技術,同濟大學新綜合樓也採用了這一技術。
但是呢...這技術有個缺點...就是加速度放大了...位移減小了。簡單點說就是E=0.5kx^2,因為E的一部分被橡膠吸收(消耗)了,位移x就減小了,同樣大小的力作用下,短距離內減速,加速度就要變大....所以樓內晃動體感會變大...
而且...根據鞭梢效應...樓越高,加速度變大的越明顯...
所以,橡膠隔震技術只適用於低矮建築。
至於「80%」...這一點...有待考證...
抗震..總的來說是一個「能量消耗」的問題..橫向和豎向的能量都要消耗掉(能量是標量,但位移是矢量啊)...吸收這個說法不對...消耗更準確。
以上。最近一直在爆神器,這次是隔震墊舊瓶換新酒,上次是真空磁懸浮4000公里的時速,再往前有可燃冰高密度能量塊……一片欣欣向榮,我很期待
疊層橡膠隔震結構的概念出現比較早,這種結構能實現垂向的高承載能力,並具備較低的橫向剛度以降低共振頻率,也就是增大振動周期,將地震與建築結構分離運動,通過大阻尼特性消耗地震能量。印象中應該是周福霖院士最先將這個概念引入國內的,現在也有相關的國家標準。所以,這個不明學科背景的記者有點誇大報道…
除此之外,形狀記憶合金、滑動摩擦耗能結構、磁流變液阻尼器等結構裝置都在學術層面和小範圍工程試點實現了橋樑、建築的地震防護。
學術上提出智能結構的概念實現振動控制,實際工程師們更樂於接受簡單可靠自適應的裝置。回到這個報道,個人認為針對不同工程應用場合的特種橡膠材料製備原料和工藝,粘接技術可靠性應該是關鍵。
Ps.本人有幸從事過疊層磁流變彈性體隔震結構研究,也僅僅實現了原理樣機,也對疊層結構和應用背景有些許了解。做隔震設計,主要控制指標有兩個:
1、上部結構各層隔震後層間剪力/隔震前層間剪力最大值,即減震係數(抗規12.2.5);
2、橡膠隔震支座的承載力和變形應滿足要求。
以上兩點是衝突的,布置的支座越柔,上部減震係數越小(即減震效果越好),支座的變形(主要是側移)越大。
一般設計抗震設防烈度降1度時,減震係數要控制在0.4以內,也就是說,上部結構各層隔震後的剪力比隔震前至少降低60%。對於一些結構(比如自振周期較低、抗震設防烈度較高的結構等),減震係數控制在0.2以內,將地震作用降低80%以上,是完全有可能的。
目前隔震支座對地震作用的消耗,只對水平地震作用有效,對豎向地震作用效果不大。
隔震支座的使用壽命可以達到80年以上,超過建築本身的使用年限,並且可以維修、更換。
日本、美國的隔震技術很成熟並且應用廣泛,我國的建築隔震技術是上世紀90年代開始應用,目前還在大力推廣中。國內外有很多隔震建築經受過地震檢驗的例子,例如我國的蘆山人民醫院。
我個人認為,叫「抗震神器」不太準確,應該叫「減震神器」。
有人覺得「神器」這個說法過於誇大其詞,只能說每個人的標準不一樣吧。
至於會不會使建設成本提高,可以確定,對抗震設防烈度越高的建築,成本會降低得越多,以前也看過相關的文獻,記得好像是在9度時,會大大地降低成本。
「這樣的抗震技術竟然來源於火箭發動機。正是研發火箭固體發動機的設計師們研發了這項技術。」就我所知,我國建築方面的橡膠支座隔震技術,是中國建築科學研究院、廣州大學和華中科技大學共同研究的。一個造火箭的竟敢吹自己研究出建築隔震技術,你比專門研究建築結構抗震的人更專業哦?隔震技術在我國已經被研究了幾十年並且有成功的應用,這個時候還要盜用他人科研成果、偽裝成新技術來矇騙人民群眾,簡直無恥。
大家一味地在說技術有多麼多麼落後的同時有沒有想過,央視的受眾群體。央視的受眾群體是中國最廣大的人民群眾,各行各業,絕大部分恐怕是什麼是隔振都不知道;並不是像知乎一樣人均985211。把科學大道理用樸實生動的話語描述出來,讓不了解的人聽得懂,讓想了解的人去思考,才是這類媒體的意義。至於大家所說的專業性,大可去翻閱專業期刊。 不是本專業但是想說說我的理解。隔振系統雖提出較早,經歷了漫長時間的發展也趨於成熟。上面回答的也都提到了不少新穎的隔振技術和材料,但是真正適合中國國情符合生產者利益的又有多少呢。 材料的加工和連接方式可以大大改變最後成品的性能。我不覺得這項技術有多lowb,或者只是報道出來的顯得lowb罷了。
一波宣傳炒作,能達到什麼抗震效果是要通過計算做的,用在什麼級別的建築上也是值得商榷的。
就像橋樑的抗震支座一樣,看上去很美,沒等地震自己先脫空了也很常見。
日本智利甚至墨西哥都有大把的東西,也要吹得飛起。
啥?這個也被「神器」了?有興趣的可以去地震科普館看看模型。雲南那個就不錯不是什麼新技術。效果還可以,一般建築不用的主要原因是成本。
我只關心一個問題,是否需要神器點數?
有隔震減震的作用,但稱抗震神器,絕對誇張了,鋼板疊合橡膠支座不是什麼高科技,抗震效果取決橡膠支座材料本身特性,橡膠的特性提供增阻尼能剪切變形的優勢,但對橡膠材料本身的要求比普通材料高的多,成本也較高,但效果如何難以保證。
抗震支座不是什麼新鮮科技,這篇報道要說的應該是支座材料,標題不明覺厲
隔震不是新技術,我校周福霖院士在這方面已經有了很多年的研究和貢獻。有興趣的可以看下這個介紹。http://wap.sciencenet.cn/info.aspx?id=323050
這種東西在行業內叫隔震墊,早就有了,日本用的比較多,而且抗震性能很好,中國比較有名的工程昆明長水機場也用了,根本不是什麼新奇東西,產品國內也有廠家在生產。記者在寫文章前也不好好查一下資料,任聽這些所謂的專家吹牛。
推薦閱讀:
※把肉拿出去曬的時候想到的,一根鋼絲,兩端是固定絞支座。肉如何掛才能使鋼絲在極限承載力之下掛更多的肉?
※馬上讀研,結構方向,施工單位工作兩年,想以後在結構方向有好的發展,現在應該讀些什麼書,或者準備什麼?
※如何根據剛架單元的剛度矩陣得到一端剛接、一端鉸接的單元的剛度矩陣?
※土木研究生如何選方向?跨度空間結構、輕鋼結構還是鋼混組合結構?
※結構優化可以做到什麼程度?