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“抗震神器”用上火箭技术

2018-02-22 10:22 来源:科技日报
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  视觉中国

  隔震支座在2500吨压剪机上开展测试

  这种新型的隔震支座是在上部结构与地基之间增加隔震层,安装橡胶隔震支座,实现与地面的软连接,通过这样的技术,可以把地震80%左右的能量抵消掉。这样的抗震技术灵感来自于研发火箭固体发动机的设计师。

  本报记者 付毅飞

  9月,陕西省渭南市的一群孩子,走进了刚刚竣工的大荔县实验小学洛滨校区。新老师、新同学,以及三栋崭新的教学楼让他们颇感新鲜。但他们不知道,每栋教学楼下,都安装了源于航天技术的隔震支座,能在地震时抵消80%左右的能量,保护他们的生命安全。

  我国是世界上多地震的国家,也是蒙受地震灾害最为深重的国家之一。地震给人类带来的灾难大多是由于建筑物的倒塌所致,因此,对各种建筑物进行抗震设防,使其在地震中不损坏、不倒塌,是避免人员伤亡的关键。

  目前,地震精确预测仍是世界难题,但航天科技集团公司四院41所的科技人员,却借助火箭发动机技术研发了这款“抗震神器”,能有效减少地震造成的生命财产损失。

  地震中的“杂技演员”

  来到洛滨校区新教学楼底部可以看到,30个隔震支座以6米为间距呈网状分布,支撑着教学楼。

  41所固体火箭发动机首席专家尤军峰介绍说,传统抗震技术是借助钢筋混凝土,把上部结构和基础牢固地连接在一起。但这样一来,地震能量会经过基础传输到上部结构,使其发生振动和变形。当受力超过结构强度时,建筑便会被破坏。“地震波最厉害的就是横波。”他说,“当地面横向摆动时,建筑可能会瞬间倒塌。”

  隔震技术是在不改变原建筑设计方案的前提下,在建筑物上部结构与基础之间安装支座作为隔震层。隔震支座竖向刚度和承载力很大,水平刚度却很小,且具有很强的水平变形能力。同时它还具有恰当的阻尼和稳定的弹性复位功能。当地震来临时,它就像脚踩滚筒、头顶大缸的杂技演员,脚下跟随横波来回摆动,顶部却稳稳地托举着建筑物,能有效降低建筑物上部结构加速度反应而导致的变形,避免同频共振带来的破坏。如此减隔震体系,能实现建筑结构自身、非结构构件和建筑物内部设施“三重保护”,确保震后建筑物无需修复即可继续使用。

  航天人的材料配方

  在西安市郊一座工厂里,炼胶师正对炼好的橡胶像揉面一样反复挤压。这种橡胶的延伸率为600%,材质达到了航天级橡胶的要求。反复挤压则是为了让橡胶里的配方充分融合。

  隔震支座正是由35片厚度3毫米的橡胶与35张特种钢板交替叠合,黏结而成的。41所将固体火箭发动机喷管柔性摆动技术和工艺用于其中。

  尤军峰介绍说,隔震支座的工作原理与火箭柔性喷管很接近。既要有足够的支撑力能扛起上面的建筑,又要有足够的弹性和抗拉力,保证不会被拉断。

  其所用的橡胶配方是航天人的得意之作。尤军峰说,固体火箭或导弹装备一放就是10年甚至更久,对橡胶材料要求很高,老化、变硬或性能改变都不行。

  因此,用这种橡胶制成的隔震支座,寿命能与建筑一样长,如果没发生地震就不用更换。

  在隔震支座研制中,四院耗时两年多,在设计方法、超强抗老化高性能橡胶、高强度黏接剂、成型工艺、过程控制和产品性能等方面开展了大量研究。产品通过了华中科技大学的型式检验,技术达到国内先进水平。

  将为千家万户打造“安全岛”

  凭借有效的隔震减灾效果和较低的成本,隔震技术得到了国际上的认可。特别是在新西兰、日本、美国等,相关研究开展较早,技术水平较高。有数据显示,在目前新建的房屋及房屋改造中,该技术在美国、意大利等国家的使用率达到10%以上,在日本甚至超过了50%。

  在我国,隔震技术起步较晚,但逐渐受到重视。目前国内建有隔震建筑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一半左右。2008年汶川大地震后,包括雅安的芦山县、宝兴县在内,四川省超过50个灾后重建项目都使用了隔震技术。

  从2014年起,国家住房与城乡建设部发文指出,各省、自治区住房与城乡建设厅需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层至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。据统计,目前我国约70亿平方米的在建建筑面积需使用隔震设备,未来,该类产品将在公路、桥梁、船舶和核电设施等领域发挥重要作用,更将为千家万户打造地震中的“安全岛”。

(责任编辑:王蔚)

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