12月18日23时59分,甘肃省临夏回族自治州积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生6.2级地震,震源深度10公里。

截至20日上午9时,积石山6.2级地震已造成甘肃省113人遇难,782人受伤。

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图1:12月19日,救援人员在积石山县大河家镇进行救援。新华社记者张领/摄

国家自然灾害防治研究院创院院长、中国地质大学教授徐锡伟表示,此次地震伤亡人数出乎意料。6.2级属于中等强度地震,与汶川地震、玉树地震等强震不同,这样“背景性”的地震发生率更高。造成此次地震人员伤亡较大的原因是多方面的。

其中一个重要原因就是房屋的抗震性能相对不够,震动破坏条件下很容易倒塌或发生边墙倒塌。

那么地震是如何对房屋造成破坏的?什么样的房屋在地震中更安全呢?

地震就是地壳内部发生了变动而产生了振动源,之后以地震波的形式将振动传播到周围房屋,造成房屋破坏。而这个振动源产生的原因可能是板块之间活动、火山喷发、岩层塌陷等。

如下图1所示,地震波可分为纵波(P波)、横波(S波)和面波(L波)三种。当波源产生后,这三种波就会像图中三辆小汽车一样开始驰骋,但它们在行驶时各自形式和速度是不同的。

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图2:地震波传播图示

P波就像图中绿色汽车一样,振动方向和传播方向相同,速度最快,是最先到达地面的,并使地面上下振动,但它的破坏性较小。紧随其后的是红色小汽车所代表的S波,其振动方向和传播方向垂直,会使地面产生左右、前后的抖动,破坏性较强。最后就是我们蓝色小汽车所代表的面波(L波),它是P波和S波在地表一起产生的新的地震波,只能沿地表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素。图片

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图3: 地震发生并作用到房屋示意图

虽然地震很可怕,但并不是所有的地震都会造成破坏。据相关数据统计,全球平均每年发生约500万次地震,但我们真正能够感觉到的地震约有5万次,而这其中可能造成破坏的地震约有100次。

接下来让我们一起来了解一下这剩下的100次破坏性地震对房屋造成的影响。下图为2008年汶川大地震中北川县城的两栋砌体结构,这两栋建筑的距离50m不到,但所产生的破坏差距却令人吃惊。

通过观察,我们可以看出二者最大的区别是圈梁-构造柱。图4没有加入圈梁构造柱,倒塌严重;而图5加入了圈梁-构造柱,仅部分墙体产生X形裂缝,但主体结构并未破坏,基本不会对人员造成伤害。

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图4 无圈梁构造柱的砌体结构

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图5 有圈梁构造柱的砌体结构

相信大家在生活中都有打包包裹的经历,一个包裹如果不给它四周缠上打包带,那么就会非常松散。相同的道理,圈梁-构造柱在砌体建筑中就充当打包带的作用,它将松散的楼板和砌体墙连接成一个整体,这就提高了其抗震能力。

在地震现场除了砌体结构破坏以外,框架结构破坏也有很多。如图6和图7都是地震现场中的框架结构破坏,图6中底部框架中间的砌体填充墙被剪坏,形成X形裂缝,图7中角落的柱子发生破坏。

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图6 框架结构内部砌体填充墙破坏

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图7 框架结构的框架柱产生破坏

那么为什么会出现这样的破坏呢?这就要说起刚度这个词了。刚度指的是抵抗变形的能力,刚度大,抵抗变形的能力强,但同样也会承担更大的地震作用。而不管是图6的砌体填充墙,还是图7中加了半高窗台的柱,它们都会造成自身刚度变大,导致刚度不均匀,这样,刚度越大的构件在地震中破坏也就更严重。这也就是人们常说的“能者多劳”,既然你刚度大,那你就多承担点,但最后也是受伤最严重的一个。

在9·5泸定地震中,上述类型的破坏也或多或少地再次出现,下图为泸定地震破坏的相关情况。

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图8 内部砌体填充墙剪切破坏

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图9 框架结构内部装饰层破坏

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图10 填充墙X形裂缝

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图11 框架结构底层整体垮塌

上面我们已经看了地震中房屋具体的破坏形态,那么,如何来减轻这些震害呢?现在比较热门的技术莫过于减隔震技术了,今天让我们来简单认识下这个秘籍吧。

隔震技术是指通过一些减隔震装置将建筑结构与地面隔开,通过隔震层的变形来消耗地面振动,从而起到保护上部结构免于地震破坏的目的。下图就是一个简单的隔震原理示意图。

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图12:隔震原理示意图

此外,消能减震技术是将结构的一些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设置成变形能力强的消能构件,或在结构某些部位(如层间、节点处等)装设消能装置。它的核心就是消耗地震能量。

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图13: 减震阻尼器

上述减隔震手段在国内已应用很多,比较典型的隔震建筑有被称为 “楼坚强”的芦山县人民医院、北京大兴机场项目、云南昆明机场项目等。

比较典型的消能减震工程有北京盈泰中心、天津国贸中心、昆明春之眼等结构。当然,国内也有将这两种技术综合运用的案例,比如唐山妇幼保健院项目、郯城职业技术学校和四川西昌攀西国际商贸城等就既有隔震技术,也有减震技术。

最后,当地震真的来临,我们的房子真的安全吗?我想只要我们的房子做到场地规划合理、设计理论得当、施工技术规范,是完全可以抵御中等地震的,如果在此基础上合理地加入减隔震技术,这样的房子毋庸置疑是安全的。

END

作者:郭宇(浙江工业大学 土木工程学院)

来源: 蝌蚪五线谱