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50年时间 只够做个实验看隔震橡胶“变老”

来源:南方都市报 浏览次数: 发布时间:2015年9月10日 14:17


    周福霖院士团队

    ●周福霖院士带领下的广州大学工程抗震研究中心技术团队,成立于1994年,团队成员有国家“千人计划”特聘教授一人,海外留学归国人员多名,团队以具有博士学位的中青年为主。

    ●抗震中心主持完成国家自然科学基金和省、部级科研项目多项,为我国工程隔震技术的发展和步入世界前列作出了重大贡献,也使广州大学工程抗震研究中心地位在国内外同行中产生重大影响。

    ●广州大学工程抗震研究中心先后成为广东省、广州市地震工程与应用技术重点实验室,工程抗震减震与结构安全教育部重点实验室,隔震减震控制与结构安全国家重点实验室(培育),广东省高校隔震减震控制与抗震工程技术研究中心的依托单位,并获得中国计量认证(CM A)资质。

    15米高的实验室里,深圳地铁前海段隔振装置实验轰隆作响,快到屋顶的“小蛮腰”缩微钢架、粗大的港珠澳大桥桥墩以及各种超高建筑模型摆得满满当当,7 6岁的中国工程院院士周福霖健步其中,准备去查看一项设计时长为5 0年、已经进行了15年的隔震材料老化实验……隔震减震控制与结构安全国家重点实验室藏身广州广园中路248号,世界闻名的新型隔减震体系就在这里不断创新发展。

    周福霖团队与相关单位为港珠澳大桥完成了隔震减震设计研究,在桥墩上部安装了隔震减震装置,使这条跨海大桥再也不怕大地震的突然袭击。

    处事低调的国际隔震消能减震控制学会主席周福霖,说起投身工程抗震减隔震领域的40多年时光,语气平和得仿佛在谈论外头略显炎热的天气。

    日本“3·11”地震中完好的建筑

    广州大学已经搬离广园中路248号足足10年,但周福霖带领的广州大学工程抗震研究中心仍“蜗居”在这里。头发花白的周福霖院士坐在办公室里,语音轻柔,讲起日本朋友薛教授在日本“3·11”大地震中的经历:

    2011年3月11日下午两点多,薛教授在一栋隔震的医院大楼牙科诊所修牙,修好牙已经3点多。下楼才发现满街的人都在跑,这才知道发生了大地震。他赶紧冲回位于28楼的家里,一眼就看见新买的一瓶葡萄酒完好无损,家里的东西也都没有滑落。

    牙科诊所和薛教授家所在的大楼,都安装了隔减震装置;日本仙台近50栋隔减震建筑,包括高于100米的超高层,在这次强震中均完好无损,表现惊人。

    隔震技术是40多年来世界各国(包括中国)地震工程的重大创新成果之一,其科学技术体系的创立、理论研究、试验研究、示范工程和今天的迅猛应用发展,倾注了各国科学家的毕生心血。其中就包括我国工程院院士、广州大学工程抗震研究中心主任周福霖教授。

    对周福霖来说,隔减震技术是他在1976年唐山大地震现场调查中受到启发成形的。唐山大地震后第3天,周福霖来到95%建筑被毁的唐山,一片废墟中有两栋4层砖楼屹立未倒,仅沿着地面滑动了约40多厘米,墙体下面一层柔软的防水油毛毡救了两栋楼里400多人。

    周福霖从滑动的房屋中找到了灵感。“如果只给建筑做抗震,很多时候扛不住,必须有新的思路”。随后出国留学的周福霖,在1982年与导师一起做了一个隔震房屋地震震动台模拟试验,把四层楼的房屋模型放在震动台上,下面做一层隔震层。输入地震波,发现不隔震的房屋剧烈摇晃,遇强震就被破坏,隔震的房屋却能承受9级或更大的地震。

    所谓隔震,就是在房屋和地面之间,加一层橡胶和钢板隔层叠加的隔震支座柔软层,通过延长结构自振周期,避开地面振动共震区,从而隔离地震,能使隔震结构地震反应衰减至非隔震结构的1/4至1/8,成倍提高建筑的耐震安全性。

    通俗点说,仿佛柔软的水托着海上行驶的船,地震中,船体与震动的海面之间隔着柔软的水层,船体只会慢慢摇摆,加在船体的地震冲击力被卸去。

    周福霖带着隔减震新技术回国,来访的联合国工业发展组织有关专家知道后,1989年联合国工发组织正式拨款立项,要求周福霖在中国为世界各国建造隔震住宅示范工程。1993年,在广东汕头市建成我国第一栋橡胶支座的8层隔震住宅,这是当年世界最高、面积最大的隔震住宅楼,还建了同样的8层对照抗震楼。

    次年台湾发生地震,地震中,隔震楼在橡胶隔震层上缓慢摇摆,将地震反应降至很低,房屋结构在地震中保持弹性,没有任何损坏,只是轻微摆动,居住者几乎没有感觉;而抗震房屋激烈晃动,有人还跳楼逃生,导致伤亡。联合国工发组织在汕头召开国际会议,向世界各国推广了这种技术,称之为“世界隔震技术发展的第三个里程碑”。

    近年来,周福霖发表的300多篇学术论文和三本创新性专著,改变着我国的结构设计方法:从单纯采用抗震,改为抗震与隔震减震双管齐下,使我国在隔震领域处于世界前列。

    防震方面“世界上最安全的跨海大桥”

    5年前,即将开始设计的港珠澳大桥工程组和设计团队,与广州大学周福霖团队一起,对这座世界上最长的有地震断层穿过的跨海大桥,采用隔减震技术,解决抗震设计难题。

    在拥挤的实验室里,港珠澳大桥桥墩模型的底部布满细小裂纹,这是桥墩模型被放在地震振动台上进行地震波冲击试验时留下的。真正建设中的港珠澳大桥桥墩位于海底,一旦出现这些裂纹将极难修复,也威胁大桥的安全。

    周福霖带着团队,经过详细计算分析,将隔震层设置在桥墩顶部。地震来临时,桥墩和桥梁之间是柔软的,产生的地震力大概只有原来的1/3。

    “8级地震不怕,9级地震也不怕,这种设计将抗震级别提高了好几倍,实验中甚至将抗震级别提高到4倍”,周福霖称,经过隔震保护的港珠澳大桥,在防震上可以称得上是“世界上最安全的跨海大桥”。

    如今,桥墩上都已经安装了隔震支座。每个桥墩顶分开两个挑梁,挑梁上安装着不同类型的隔震装置,包括橡胶隔震支座、盆式摩擦滑板隔震支座等。

    除了港珠澳大桥,周福霖团队针对我国将要大量建设的近海桥梁地震破坏机理,都提出有效的解决方案。如论证中“一带一路”通过的川滇疆藏地区跨河大桥、琼州海峡跨海通道、渤海湾海峡跨海通道等。

    目前,隔减震技术已在我国5000多栋房屋和350座桥梁上应用。

    给北京故宫和西安碑林加“活动地毯”

    周福霖院士的电脑中,保存着许多张尼泊尔古建筑倒在地震中的照片。被称为“千寺之城”的加德满都,12座世界文化遗产在今年的地震中被毁,诸多古迹被夷为废墟。他很感慨,如果这些珍贵的文物事先加过隔震装置,应该能在世上留存更久,至少能扛过这次8.1级地震。

    一生与地震过招的周福霖更从中看到教训:“对于已有的建筑,尤其是学校和医院,还有古文物建筑,一定要有较强的保护意识,要进行防震加固。”

    周福霖团队从故宫博物院、西安碑林博物馆的珍贵文物进行加固保护,在珍贵文物下加装一层隔震层,这是现代隔震技术在国内文物地震保护中的首次应用。

    周福霖团队在故宫摆放的珍贵瓷器等文物底部,设计了特别高效的隔震装置。西安碑林以前没有防震装置,有些在地震中倒了,有的甚至摔坏,周福霖也选了一些珍贵的碑和雕像加装特别高效的隔震层,“要使我国珍贵文物在特大地震下不倒不坏、完好无损。”

    负责监测广州地震数据的广州市地震监测指挥中心,2000年就加了隔震层。而新建成的广东科学馆本身抗震能力很强,但里面的模型、设备和仪器也将采用隔震技术。

    2008年汶川地震时,四川和贵州的酒厂也受了很大破坏,地震一来,堆积存放的酒酿大坛“哗”一声,全部都倒了。周福霖的团队最近为知名酒厂的珍贵酒酿罐也做了隔震,在大坛下安置橡胶隔震垫,无论多大地震,都能保护这些酒厂的“酒种子”不被破坏。

    去年2月,住建部发通知在全国推广隔震技术,云南等省市要求医院、学校、指挥中心和交通枢纽强制使用隔减震技术。

    地震时室内比室外还安全的小学

    在各种公共建筑中,隔震对医院和学校尤为重要。2013年芦山地震后,四川雅安芦山县人民医院院长曾对周福霖说:“全县所有医院都瘫痪了,就剩这栋隔震楼成了急救中心。如果没有这栋隔震楼,灾后没有地方急救,后果真是不堪设想。”

    他所说的这栋在芦山地震中屹立不倒的芦山人民医院门诊楼,由澳门援建,兴建之初由广州大学做了隔震分析设计。但因为时间来不及,只有一栋门诊楼做了隔震,另外两栋做了抗震设计。

    2013年7级地震后,隔震的门诊楼里从天花板、仪器设备到人员都完好无损,没进行隔震的住院楼却房体开裂,仪器设备都倒了。83个隔震橡胶支座,使芦山县人民医院门诊部成为震后全县的急救中心。

    芦山地震考验的另一座隔震建筑,是汶川第二小学。2008年汶川地震后,新建的汶川第一小学没进行隔震设计,第二小学则做了隔震防护。7级芦山地震前,第二小学的老师告诉学生:“地震来时你们不要往外跑,房间里面比外面还安全,因为我们的楼房是隔震的。”

    安装了隔震装置的汶川第二小学教学楼在地震中慢慢摆,直至度过地震波的冲击。震后,安装在两个小学内的监测设备显示,两所学校的地震中房屋水平加速度反应大概相差6倍。

    目前,日本正规的建筑结构几乎都要采用隔减震技术。我国已经建好但防震能力不足的大量医院、学校等建筑,面临后期加固的难题,周福霖团队提出采用隔震技术进行加固,例如可在首层或采取挖地下室的办法加装隔震垫。

    地下室本身对抗震没有作用,但地下施工既不影响学生上课,也不妨碍患者看病。在地下室顶上、临近首层的地方加装隔震层,给老建筑加了一道防震安全锁。

    周福霖团队还关注到农民的简易住房。这些简易农民房在地震中不堪一击,历史记载,我国死亡超20万人的大地震,分别在山西洪洞、陕西华县、宁夏海原、河北唐山发生过,每次房倒屋塌死伤惨重。“房子对农民的意义很重要,震倒了,他们找不起设计院,也找不到施工单位,更没办法将吊车开过去盖房,他们的房子怎么做抗震?”

    于是,他们专为农民开发研制了便宜简单的弹性隔震块。隔震块20厘米长、15厘米高。农民买回家,平好地后在所有承重墙下拼一层,然后垒砖,自己建房都可以实现隔震。周福霖团队帮农民算了一笔账,弹性隔震块每平方米50元,200平方米的新建住房,政府补贴有一万元,足够支付做隔震的成本。

    为世界面积最大候机楼铺隔震设施

    近几年,周福霖团队致力“层间隔震”和“三维隔震”新技术体系的理论研究和工程应用,成果被用在国内多项工程。其中,世界上面积最大的“层间隔震”住宅群———28栋9层的北京通惠家园,房屋抗震安全性提高4倍,这项创新成果获2010年国家科技进步二等奖。

    新建成的全国第四大飞机场———昆明新机场,意识到了防震的重要性。周福霖团队为整个昆明新机场航站楼铺设了隔震垫,达50万平方米。这种大跨复杂结构的应用,使昆明新机场航站楼成为目前世界上最大的单体隔震建筑。

    整个机场落在橡胶隔层之上,就像一条河流上的船只,橡胶隔层承托着机场在震动中轻轻摇摆或滑动,不会受到倒塌或损坏的威胁。

    周福霖团队在我国开发的隔震新技术,还将迎接新的挑战,北京正在筹建中的新国际机场,已经决定在世界面积最大的候机楼下面全部铺设隔震设施。

    “他们要在大地震时做到四重保护,确保结构安全,确保候机楼里天花板等非结构装修安全,确保里边人的安全,确保内部设备仪器不掉落,航运功能不中断。”周福霖介绍,北京新建机场的隔震面积将达到70万平方米,为世界面积最大。

    刚从加拿大进修回来的陈洋洋博士,正忙着为某城地铁做隔减震实验,给一块隔震垫加9.5吨的力,隔震垫缓缓地轻微移动。这段地铁上面都是商场,他们希望隔震同时减轻地铁对商场的振动影响。这种技术将应用于地铁甚至高铁,它能有效降低列车的振动和噪声,也减少列车传到周围的环境振动。

    如今,周福霖团队正与有关单位合作,忙于核电站、高铁,地铁等的隔减震试点准备工作,准备开始试点工程,并对已建工程加装隔震装置。

    周福霖的书桌上,放着他正在主持编写的我国第一本《建筑隔震设计规范》(2014- 2015)国家标准。十年前曾写过的规范条文,已经无法满足现在的隔震设计需要,添加了加固建筑、村镇建筑、核电站隔震等内容,填补着国内的空白。

    他期待两年后在广州大学城,一个27米高的新实验室将落成,新的地震震动台和各种先进隔减震试验研究设备,将会成为国内外人才聚集、创新技术合作交流的新平台。

    轰隆作响的实验室里,周福霖安静地注视着高高的橡胶老化实验装置。15年来,被加压的橡胶变形不到3毫米,“这种实验急不来,2050年我已经不在了,不过后面接力的研究人员会看到实验的结果”。

    最新成果

    ●主持973项目“近海重大交通工程地震破坏机理及全寿命性能设计与控制”,针对我国将要大量建设的近海桥梁地震破坏机理,提出有效的解决方案。

    ●主持“国家自然科学基金资助项目———《强震作用下高速铁路桥梁损伤破坏及全寿命性能设计与控制》”,保证高铁在特大地震中的安全,确保高铁正常运行。

    ●主持“国家自然科学基金重大研究计划-集成项目-大型结构非线性灾变过程控制理论”项目,解决我国重大工程结构在地震作用下的破坏机理,提出解决方案。

    ●主持“《港珠澳大桥桥梁隔震设计工程项目》应用型研究”项目,使大桥的地震响应降低至1/3。

    周福霖院士。

    周福霖团队在进行一项设计时长为50年的隔震材料老化实验,对一块橡胶进行施压,测试其老化情况,目前这个测试已进行了15年。

    隔震结构模型(左)与不隔震结构模型,在同一震级中不同抗震效果的对比。