航天技术如何变身抗震神器？可隔离地震约80%能量

　　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

　　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。”

　　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埼玉县川口公寓，就采用了与美国纽约世界贸易中心相同的建筑材料——168根混凝土填注钢管(CFT)。这种钢管的直径最大可达800毫米，厚度达40毫米，管芯中注入了比通常混凝土的强度高3倍的特种混凝土。

　　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。

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