国外案例:新西兰

人气 2622   2011-11-17 02:47

新西兰

文、图:左希

新西兰是坐落在南太平洋上的美丽岛国,新西兰由岛屿组成,除了最主要的南岛和北岛之外,还有一系列的小岛一起构成了这个位于大洋洲版块和太平洋版块交界线上的国度。新西兰还处在环太平洋火山带上。可以想象,因为这一特殊的地理位置,新西兰存在着众多的活动性地质断层,像南岛比较著名的阿尔卑斯断层,旅行者在飞机上用肉眼就可以清晰地分辨出来。

铅芯橡胶隔震器

早在上世纪70年代,那时的新西兰科学和工业研究协会(The NewZealand Department of Scientific and IndustrialResearch)就率先设计和发明了最早一批的工程隔震设备并将其运用到当时的工程实践当中。而其中最著名的当属比尔-罗宾森博士发明的铅芯橡胶隔震器(lead-rubberbearing),这一隔震设备后来被世界多个国家的结构工程师广泛运用,同时也促成了全球建筑业界自此之后几十年来对工程隔震研究的热潮。

所谓“工程隔震”,即“SeismicIsolation”,基于长期的工程实际观察,人们发现建筑中有一定弹性的结构部件在地震中将会受到更大的应力破坏,产生屈服,同时将地震波的能量消耗掉。那么我们能不能在设计和建造的过程中就特意在结构中放入这样一个弹性部件,让它在将来可能发生的地震中吸收地震波带来的巨大冲击力而破坏掉,牺牲自己来保护与之相连的其他建筑主体,地震过后只要将这一被损坏的部件取出加以更换就可以了呢。在这一理论假设的前提下,产生了各种对工程隔震设备的研究和设计。其大致方向主要有两种,一种是对建筑的基底进行隔离,即“BaseIsolation”,在结构的基础下加上一层有弹性的垫层,将垫层之上的主体结构隔离于摧毁性的震波影响范围之外而得到保护。另外一种“EnergyDissipation”则是在基底隔离的基础之上,在主体结构之中引入额外的减震器,或称阻尼器,将主体结构可能发生的形变控制在一个可以接受的范围之内,同时吸收掉大部分的震波能量,使建筑的抗震能力再次得到提高。

5个最有代表性的抗震设计

新西兰最有代表性的建筑抗震设计主要有南瑞吉缇卡铁路桥、亚伯哈德的月光桥、威廉-克莱顿大楼、惠灵顿中央警局大楼、奥克兰联合大厦,这些主流的工程隔震技术和它们的工作原理值得学习。

南瑞吉缇卡铁路桥

南瑞吉缇卡铁路桥是新西兰第二长的高架铁路通道,有78米高,318米长,横跨在瑞吉缇卡河上,1981年正式开通,位于新西兰北岛的主要铁路运输线之上,是六跨的预应力钢筋混凝土桥。它的抗震设计在当时的全世界都是独一无二的,在地震中,它的桥墩可以自然提升13厘米,从而允许地震波能量和压力从一个桥墩柱转到另一个上。而桥墩底部所安装的巨大的能量消耗仪又能将桥身的摇摆幅度控制在可以允许的范围之内,这一设计大大地减少了预应力混凝土桥墩在地震中所要承受的压力,也节省了用传统方式来提升结构强度从而抗震所带来的花费,使得这一交通枢纽在地震之后能够继续屹立不倒。

亚伯哈德月光桥

位于亚伯哈德的月光桥是新西兰众多使用“铅芯橡胶隔震器”作为工程隔震和能量耗散装置的典型桥梁之一。这一隔震装置的水平向隔震能力是由钢板间的橡胶垫层提供的,而层与层之间的钢板则为这一设备的纵向刚度提供了保证。贯通中间的铅芯在地震波的剪力冲击下将产生形变,可以很大程度地消耗掉地震波的能量,从而减少了地震对桥体的破坏,起到了隔震的作用。许多这样的隔震器被安装在桥身下端和桥墩支撑构件的连接处,将桥的上部结构进行地震隔离。这样做有很多好处。首先,这样的隔震设计减少了地震中对桥身的侧向冲击力,从而在设计中可以使用较小尺寸的桥桩和支撑构件,减少了建造成本;其次,将桥身和拱台隔离开来避免了传统抗震设计中以牺牲桥柱来保全桥身的做法。

威廉-克莱顿大楼

威廉-克莱顿大楼于1980年建成,位于新西兰首都惠灵顿,是新西兰卫生部的总部办公室所在。它是世界上第一个在基础设计上使用铅芯橡胶隔震装置的建筑物。直接建于地面基础之上的建筑物会随着地震波的到来一起移动,导致结构受损或者瞬间垮塌。而建于由隔震器组成的弹性垫层上的建筑物在地震波到来时反而会保持不动或者只是稍稍移动,大大地减少了地震对结构的损害。

奥克兰联合大厦

地基隔震器,弹性基础垫层以及铅压减震器等设备被越来越多地运用到现代化的大楼设计和建造中。位于奥克兰海港边的联合大厦一直被作为教科书里的范例,让每一个在新西兰学习过结构抗震的学生都对它耳熟能详。在建筑的外围由钢制悬臂梁组成的对角线加固层,起到了结构抗震的作用。简易的对角线加固相比其他的结构抗震手段,如剪力墙等操作起来方便,成本低廉,并能够有效地减少地震对建筑物的破坏,在灾后重建中对危房和临时过渡房进行对角加固具有很高的可操作性。

惠灵顿中央警局大楼

位于惠灵顿市中心维多利亚和哈里斯大街交界处的中央警局大楼建成于1991年,它离主要的惠灵顿地震带只有几百米的距离,在其方圆20公里的范围之类还有另外一些活动的地质断层,因此在当初的大楼的设计和建造中充分考虑并采用了多种结构抗震和隔震手法,可以称得上是一个代表着各种抗震技术和危机应对措施的集大成者。

首先,在大楼的基础柱上安装了弹性垫层隔震,可以允许地基在地震到来时横向侧移40厘米而不影响到上部结构。其次,大楼外部混凝土框架上的斜向支撑对大楼主体结构形成的对角线加固在抗震中至关重要。而最特别的一点,是除却弹性垫层和斜向加固之外的铅压减震器。大楼的基础柱打入到地下15米的深度,插入到坚硬的杂砂岩层中。在基础柱外还套上了起保护作用的套管。而在柱的上端和弹性地基的连接处就装上了铅压减震器,如果一旦有地震发生,不管是压缩还是拉伸铅压减震器都将会消耗掉大部分的地震能量,从而将对大楼的破坏减小到最低。

另外值得一提的是,除了这些减震隔震措施保证大楼的安全之外,作为负责着灾后本区域救援指挥中心责任的中央警局大楼,除了能够不倒,还要在灾害发生后能够有效运转。所以也在建筑设计和后勤保障上采取了一系列的危机应对措施:首先,大楼配备了自己的应急发电系统,另外还随时储存着60000升的淡水和足够的食品、干粮以备不时之需。大楼的污水处理系统也可以在灾难发生之后自动转入使用另一套备用处理系统,保持大楼正常运转。除此之外,每个部门都有自己的紧急医药箱和应急工具箱,并统一规划了紧急应对预案并明确了各小组和各部门负责人,使大家能够各司其职,有条不紊地投入到灾后救援工作中。并且几乎每年都会有一次全国范围内的大规模灾后应对和紧急状态演习,参与演习的包括了各个关系到国计民生的部门和系统,从新西兰国会大厦下的指挥中心开始,下到各个市议会、电信、交通、警察、消防、医疗、媒体各系统,演练物资调配,人员撤离和灾后营救和交通抢通。

(左希:新西兰奥克兰大学土木工程系讲师,在读博士。)

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