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地震时大楼的晃动实际上是可以起到保护大楼的作用,为什么?
其实不只是地震的时候,即使是没地震的时候,在风的作用下,超高层建筑也在不停的晃动,只不过幅度没有那么明显。
举个例子,你站在公交车里,没抓扶手,公交车突然从静止开始急加速,你会不由自主的往后仰,甚至有可能摔倒。
这个例子里,你就是一栋建筑物,急加速就是一次地震。
因为公交车急加速对公交车地板上的你带来了加速度,你的腿部跟着公交车开始加速,但是上半身还处于惯性状态下的静止,所以你就会往后仰。
反过来,急刹车的时候你会往前倾,也是一样的道理。
地震中建筑物的晃动也是如此,只不过比这个例子要复杂的多,牵扯到多个水平方向和竖向的加速度,有点类似公交车不停的交替急加速和急刹车,同时还在急转弯,此外路面还不平,公交车还在上下颠簸。
抗震的本质,是要把地震带来的巨大能量消耗掉。
地震震中地层的断裂或者其它,释放出了巨大的能量,这些能量通过地震波传递到建筑物。
如何安全可靠的消耗掉这些能量,就是抗震的关键问题。
质量巨大的建筑物在整体晃动,这个巨大的动能消耗,本身就能有效的耗散地震带来的能量。
所以晃动的确是在保护建筑物。
当然前提是,我们要保证建筑物不会在晃动中散架。
也可以这么说,晃动是地震带来的必然结果。
如果能够持续晃动,那么说明建筑物的抗震性能较好;如果不能持续晃动,“啪”的一声就折断了,或者“哗啦”一声就坍塌了,那么就没有可靠的抗震性能。
建筑物的整体性是抗震性能很重要的一方面,部分也是由于这个原因。
比如普通的砌体结构,砖头垒的,就像一摞书,一晃就散架;带构造柱、圈梁的砌体结构,就像一摞书外面又用绳子捆了起来,所以不太容易晃散架;更好的则是混凝土剪力墙,整体现浇的,所以更不容易散架。
同样的对比,现浇混凝土楼板要好一些,因为整个是一块,不容易散架;而在国内“臭名昭著”的预制板则相对要差一些,因为是一块一块拼起来的,所以比较容易晃散架。
如果地震带来的能量特别大,就需要额外的耗能手段。
最常见的就是构件破坏,比如剪力墙连梁裂缝、框架梁梁端裂缝。
让钢筋混凝土连梁出现彻底裂缝需要很大的能量,而地震能量恰好被消散在了这上面。
再进一步,连梁都裂完了,开始裂剪力墙,让剪力墙出现彻底的裂缝需要更大的能量,等剪力墙开裂的不成样子了,地震能量消耗的也差不多了。
事实上,这也是混凝土连梁这一类构件的使命。
它们的作用就是地震的时候开裂、甚至断裂,它们就像保险丝一样,牺牲了自己,保护了其它构件。
很多人装修自家房子的时候,在连梁上打洞,甚至敲掉一半或者更多。
虽然平时没有任何问题,但这相当于把保险丝给弄坏了。
地震来了,本来该起作用的保险丝没能消耗所应该消耗的能量,早早的就不行了,那么剩余的地震能量可能就要危及那些重要的非“保险丝”构件了。
这两张照片引自钢结构论坛zlfwto老师的这个帖子:框架、框架剪力墙、底框结构的震害(都江堰) 上面一张就是混凝土连梁在汶川地震中的裂缝,下面一张是混凝土框架梁的梁端裂缝。
因为地震的能量消耗在了这上面,所以其它构件承受的伤害就少一些。
连梁和框架梁,起到了类似“防火墙”的作用。
而抗震设计的目的之一,就是精心的、故意的让巨大的地震能量耗散到这上面,而不是其它部位。
其它类似的例子还有狗腿式削弱梁端,常见于美国的钢框架设计,梁端故意做成一个狗骨头式的形状,类似卫生纸卷纸的那种易撕口,同样也是一个“保险丝”的作用。
地震能量来了,它们第一个破坏,形成塑性铰,消耗掉大量的地震能量,从而让其它更重要的构件免遭破坏。
如果这些“保险丝”构件的开裂破坏还不足以消散地震能量,那我们还可以考虑让整个建筑物晃动所消散的能量更大。
常见的就是各种阻尼器,比如这个答案 高层建筑物通常会用哪些手段抗风抗震?中提到的粘滞墙。
这些特殊装置内部有粘滞系数很大的油或者其它类似液体,建筑物的晃动连带着他们的运动,而它们跟随建筑物晃动需要克服自身巨大的粘滞力,地震能量就都耗在这上面了。
或者建筑物楼顶放一个巨大的质量调节阻尼器,比如大铁球、大水箱之类的,在消耗地震能量的同时,尽量降低建筑物的晃动程度,避免其它构件因为变形过大而散架。
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