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航天技术变身“抗震神器”

点击数:2017-10-28 16:21 来源: 未知

中国是多地震国家,也是世界上蒙受地震灾害损失极为深重的国家之一。在地震精确预测仍是世界难题的情况下,有没有方法可以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,它是在我国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,吴新华密切关注相关新闻,其中之一引起了他的注意:由澳门援建的芦山县医院在强震中“毫发未损”,网友称其“楼坚强”,因为这栋建筑物采用了一种隔震垫。
 
  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,航天科技或许也能用于防震减灾。第二天,吴新华就找领导提出一个想法:能否依托火箭发动机喷管柔性摆动技术,研发减隔震产品,以减少地震波对建筑物的影响。
 
  火箭发动机专家解释说,传统的抗震技术是把建筑物上部结构与地基牢固连接,实质就是用更粗的钢筋、更多的混凝土浇注,把房子盖得更结实。“减隔震产品”则是在建筑的上部结构与地基之间增加隔震层,通过安装橡胶隔震支座使建筑主体与地面实现“软连接”。
 
  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,又要在抗拉力上具备弹性,不至于被拉断。理论上,这种技术能把80%左右的地震能量隔离,减少地震对建筑的破坏。
 
  经过两年多的研制,41所利用固体火箭发动机喷管柔性摆动技术和工艺,研制出一种叠层橡胶隔震支座。它由一层钢板、一层橡胶,层层交错叠合起来,并采用特殊工艺将橡胶与钢板粘结在一起。这样的结构,具有大的竖向刚度和竖向承载力,足以支撑建筑的重量,又具有很小的水平刚度和足够大的水平变形能力,可以把建筑物的水平振动周期延长2-3秒,避免同频共振。此外,隔震支座还具备恰当的阻尼和弹性复位功能,兼具耐久性和抗疲劳性能,适用于桥梁和房屋建筑。
 
  “我们的产品已通过华中科技大学的型检。”设计师裴少帅介绍说,“隔震支座水平极限剪切应变可达450%,大于国标要求。使用年限超过60年,达到日本同行的水平。”
 
  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”的名头很快就在互联网上传开。但裴少帅表示,这种产品并非中国首创。
 
  日本是地震多发国,全球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,此类防震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、隔震范畴。
 
  地震能量经过地基传输到建筑上部结构,使建筑结构发生振动和变形,一旦受力超过结构强度,便会导致建筑损坏甚至倒塌。减震结构通过在建筑物内设置阻尼器来抑制震动,可以减轻柱、梁等主要结构的损伤。隔震结构则在建筑物的地基部位或中间层设置隔震层,隔震层的竖向承载力大,但水平方向柔软,它不用改变原建筑的设计方案,就能抑制地震引起的横向震动,并使建筑物的晃动频率放缓。技术人员介绍说,“采不采用隔震结构,地震反应相差4到8倍。”
 
  隔震技术在国外发展较快,已广泛应用于大型公共建筑和军事建筑。特别是新西兰、日本和美国,其技术研究开展较早,实践经验丰富,生产能力也较强。日本“三井之家”技术中心给出的数据是:目前在日本新建的60米以上高层建筑中,90%都采用了隔震、减震部件。在新建的两三层普通民居中,也有近半采用隔震、减震部件。此外,还有一些既有建筑也加装了此类部件。
 
  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米公寓中,使用了积层橡胶隔震装置。在发生6级以上地震时,能使建筑物的受力减少一半。
 
  不断完善的建筑法律也是必不可少的。“日本每次发生大地震后,国土交通省都会对建筑抗震进行调查,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,且这部法律几年就会修订一次。
 
  发展中的减隔震设备
 
  在研制出建筑用橡胶隔震支座、减震阻尼器等产品后,41所又先后研制出适用于大型设备或仪器的减隔震产品。裴少帅在前期调研时发现,国内企业此前也有类似原理的产品,但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。
 
  航天四院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,一手负责航天产品的设计工作,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,很多企业对他们提出的生产标准直摇头,要么做不到,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,检验时却发现,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,生产者就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。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相当较差,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深入研究,对产品材料外表面做了防老化、霉变、腐蚀的处理,所以一般情况下,正常使用寿命应该能大于设计寿命。“这和卫星经常能超期服役是一个道理。”
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