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谈城市的减灾管理与智能建筑减灾设计

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2015-06-18

512日的汶川大地震,这些天来牵动了社会各界无数人的心。516日下午1时,一支由同济大学各相关专业知名专家、学者以及优秀学生组成的“抗震救灾专业技术志愿服务队”成立。6位土木工程相关学科领域的专家,作为国家建设部派出的“房屋应急评估专家组”,担当此次“志愿服务队”的先遣部队,在当天下午就火速启程赶赴救灾第一线,发挥学科专业优势,为抗震救灾提供智力支援。当天带队的就是同济大学土木工程防灾国家重点实验室副主任、结构工程与防灾研究所所长吕西林教授。

1  自带帐篷深入地震灾区

在出发前一天15日的晚上,吕教授在百忙中接受了笔者的电话采访。当时他并不知晓第二天自己就将奔赴四川。16日下午3时,笔者又一次拨通了吕教授的电话,这时的他已经坐上了车,在前往机场的路上。他说:“我虽然50多岁了,但我觉得还年轻,要到第一线去!”

 据了解,这支“6人专家组”除了负责土木工程结构抗震的吕西林教授外,还有桥梁抗震专家李建中、地质工程专家唐益群、房屋检测专家李翔、生命线工程专家刘威和房屋抗震专家任晓崧。他们从浦东机场乘坐飞机到达成都后,将接受国家建设部和四川省建设厅的总体安排,直接深入到受灾最严重的地区。临行前,按照建设部要求,每个人还都自带了帐篷。

问:到灾区现场后主要负责哪方面工作?吕教授说:“前期主要是对开裂的房屋进行评定,对它们的安全性迅速作出判断。因为地震之后灾民对于开裂的房屋会心生恐慌,不敢再入住。对于其中能居住的房屋,我们可能先住进去,帮助老百姓对房屋重建信心。有了专家快速及时的技术指导,救灾的速度和效率将大大提高。”而后期,专家还将对在地震中倒塌的房屋进行震害调查,分析倒塌的原因,研究倒塌的过程。“地震是不可避免的。但发生在不同的地区,导致人员伤亡的情况会很不一样。我们这次地震发生在山区,倒塌的房屋基本上都是旧房、民房和学校建筑,还遇到了山体滑坡的问题。如果是发生在美国、日本,一是当地人口比较少,还有一点是在那些国家城市和农村没有差距,所以可能受灾的程度就会减轻很多。”

 2  唐山地震引出抗震之路

从别人口中得知,吕西林不仅是长江学者,其实还是同济的第一位博士——“82级结构工程博士生”。从1979年考上同济大学的结构工程硕士研究生时起,他就一直与“土木工程抗震防灾”打着交道,算下来,有将近30年的工夫了。问起他当初怎么会选择抗震这个研究方向的,他说:“这源于1976年唐山大地震对我的触动。”唐山大地震发生的时候,他正在西安冶金建筑学院(现名西安建筑科技大学)上大二,住在学校的宿舍里。地震那天,西安也有明显震感。只记得当天晚上有人大喊“地震了”,大家全跑下了楼。而之后学校为了避免地震再次发生,统一安排,让学生们将床搬到了远离宿舍的操场上。“那时候我们的床都是上下铺的,每一架床就用一块布幔围一下,男生一个区域,女生一个区域,大家都躺在操场上,有点露营的感觉。不过当时对地震并不理解是怎么回事,只是听说很多房子倒塌了,死了很多人,觉得地震非常危险。”这件事让他一直记忆犹新。所以,在选择硕士的研究方向时,他便选择了土木工程结构抗震方向。

 3  为重大工程做抗震试验

 确保一个工程结构的安全可靠是设计时必须首先追求的目标。对于极具破坏性的灾害来说,防范胜于一切。工程防灾,已成为推动土木工程学科持续发展的巨大原动力。同济大学的结构工程与防灾研究所,在吕教授的带领下,对高层建筑的抗震控制进行了深入系统研究,建立了结构的多种分析方法和计算模型,提出了多种有效改善建筑抗震性能的方法,为工程设计和相关的国家设计规范的制定直接提供了科学依据。

在实验室前有一片空地,竖着十几个等比例缩小的建筑模型。其中有我们熟悉的上海环球金融中心、世茂滨江花园等。来到这里,好像不知不觉走进了“锦绣中华”里的微缩景观区。原来,研究所为国内的许多高层建筑做过抗震性能研究,做模拟地震振动台试验一般需要制作一个小比例的缩尺模型,模型通常是用微粒混凝土和镀锌铁丝制作的。而研究结束后,模型就被搬放到了这里,久而久之就变成了一道独特的校园景观。

比如研究所曾为目前世界上结构主体最高的建筑物、高492米的上海环球金融中心做过抗震试验与理论分析。该大厦的高度和高宽比远远超过了规范限值,且结构竖向变化较大,筒体多次转换,多重结构体系混用,属于特别复杂的超高层结构体系,也是在国际上首次采用的新型结构体系。“做模拟地震振动台试验时,将模型放到振动台上,模拟地震的情况,来考察建筑的抗震性能。”也就是使用这个振动台,研究所还为上海大剧院、上海浦东国际机场候机楼、秦山核电站、田湾核电站等重大工程做过抗震试验。据统计,它可谓“世界上最繁忙的振动台”之一,到目前为止已做过600多项试验。

 说起在此次地震中上海中心城区的高楼振动一事,吕教授说:“在高层建筑设计时,已经考虑了振动的因素,所以振动对结构的影响不大。东方明珠电视塔在2005年台风来袭的时候,顶尖振动最大幅度达到了90厘米,但台风过后仍安然无恙。其实振动说明建筑对地震比较敏感。”吕教授还告诉笔者,“即使是把金茂大厦这样的建筑放在此次地震的震中位置,它也不会倒塌,最多只是玻璃幕墙倒下来。”

4  积极开发抗震防灾技术

“上海的地震设防烈度为7度,新造的楼房都应符合这个标准。”那么对于一些年代长远的老房子,有什么补救措施?吕教授说:“因为设防标准会根据时间变化而提高,上世纪50年代、60年代造的房子的设防标准和现在的肯定不一样。能做的,就是对老房子的结构进行加固。在日本、中国台湾地区,将此动作叫作‘补强’。比如柱子断面比较小的,再套上一圈,就像帮它再穿件茄克一样;原来这里没有墙的,就再加上一堵墙。不过,别小看外滩的保护建筑,它们的抗震能力很好,当时建造时因为技术不发达,所以在设计上比较保守,墙很厚,厚度要达到50厘米,柱子也很粗,并且建筑大多不高。”

1994年起,吕教授就带领着课题组,致力于开发新型的抗震防灾技术。走在同济大学土木工程学院大楼的楼梯上,常会有人仰着头问:那拐角处贴着墙面、顶着天花板的“人字形灰色结构”是干什么的?这正是研究所专家的得意之作:将橡胶、油阻尼器这两大减震设备创造性地连在一起,不仅能令大楼抵抗住相当于67级强震的冲击,而且施工较传统方法更为简易。这一“消能减震支撑体系”获得了国家专利。当年上海港汇广场商务办公楼的加固就使用了这一技术。

研究所还有另一个新型减震专利——组合隔震支座。隔震支座是由两种支座组合而成,一种是用橡胶、钢板组成的叠层橡胶支座,另一种是由钢板做成的滑板支座。形象点说,隔震支座就相当于一层垫子,一般厚度不会超过1米。通常是加在建筑的底部,接近或低于地面的地方。有了这个,地震的时候,就可以让支座消能减震、受力变形,但是支座上的建筑就不会受到太大的影响。而且在遭遇大地震后,支座还能进行更换,不会影响到建筑。上海国际赛车场有一个重约10000吨的“大屋盖”,由四个巨型的砼柱支撑。在柱顶上,就运用了这个隔震支座,这样就解决了大震下的结构安全问题。

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