航天技術(shù)如何變身“抗震神器”

　　隔震支座的工作原理與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的柔性噴管很接近，要有足夠的支撐力扛起上面的建筑；在抗拉力上又要具備彈性，而不至于被拉斷。通過(guò)這樣的技術(shù)，可以把地震80%左右的能量隔離，減少地震對(duì)上層建筑的破壞。

　　9月16日，新疆阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē)縣發(fā)生5.7級(jí)地震，震源深度6公里。這是今年繼九寨溝7.0級(jí)地震和新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣6.6級(jí)地震后，中國(guó)發(fā)生的又一次較大震級(jí)的地震。

　　中國(guó)是世界上多地震的國(guó)家，也是蒙受地震災(zāi)害損失最為深重的國(guó)家之一。在地震精確預(yù)測(cè)仍是世界難題的情況下，有沒(méi)有有效的方法來(lái)減少地震造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失呢？近日，一種在網(wǎng)上被稱(chēng)為“抗震神器”的設(shè)備似乎給人們帶來(lái)了希望。實(shí)際上，它是在航天技術(shù)加快軍轉(zhuǎn)民的背景下，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院41所研發(fā)的減隔震產(chǎn)品。

　　靈感來(lái)自火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　　2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級(jí)地震，震源深度13公里，震中蘆山縣龍門(mén)鄉(xiāng)99%以上房屋垮塌，重慶及陜西寶雞、漢中、安康等地均有較強(qiáng)震感。

　　在西安，吳新華密切關(guān)注著蘆山地震的動(dòng)向。一則新聞引起了他的注意：由澳門(mén)特別行政區(qū)援建的蘆山縣醫(yī)院在強(qiáng)震中“毫發(fā)未損”，網(wǎng)友稱(chēng)其“樓堅(jiān)強(qiáng)”，因?yàn)檫@棟建筑物有防震設(shè)計(jì)，加入了一種隔震墊。

　　吳新華是中國(guó)航天科技集團(tuán)四院41所返聘的老專(zhuān)家，他突然意識(shí)到，航天科技或許能幫普通民眾干一件大事。第二天，吳新華就跑到單位找領(lǐng)導(dǎo)提出了一個(gè)想法：能否依托固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管柔性擺動(dòng)技術(shù)，研發(fā)減隔震產(chǎn)品，以減少和阻隔地震波對(duì)建筑物的影響。“吳老當(dāng)時(shí)已是退休狀態(tài)，完全可以不管這些事?？墒?，他們這代人總是心系國(guó)家，這一點(diǎn)我們不得不佩服。”提起事情的原委，41所設(shè)計(jì)師裴少帥對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

　　41所固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)首席專(zhuān)家尤軍峰解釋說(shuō)，傳統(tǒng)的抗震技術(shù)是把建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)牢固地連接在一起，其實(shí)就是把房子蓋得更結(jié)實(shí)，用更粗的鋼筋、更多的混凝土澆注，但這樣抗震的效果并不理想。而如果在建筑的上部結(jié)構(gòu)與地基之間增加隔震層、安裝橡膠隔震支座，就能起到與地面“軟連接”的作用，通過(guò)這樣的技術(shù)，可以把地震80%左右的能量隔離，減少地震對(duì)上層建筑的破壞。

　　四院主要承擔(dān)我國(guó)運(yùn)載火箭、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、載人飛船等航天產(chǎn)品固體發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)任務(wù)。隔震支座的工作原理與火箭的柔性噴管很接近，要有足夠的支撐力扛起上面的建筑；在抗拉力上又要具備彈性，而不至于被拉斷。

　　于是，四院41所利用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管柔性擺動(dòng)技術(shù)和工藝，歷經(jīng)兩年多，研制出疊層橡膠隔震支座。它是由一層鋼板、一層橡膠，層層交錯(cuò)疊合起來(lái)，并經(jīng)過(guò)特殊工藝將橡膠與鋼板牢固地粘結(jié)在一起。這樣的結(jié)構(gòu)，具有大的豎向剛度和豎向承載力，足夠支撐龐大建筑物的荷重，安全系數(shù)一般可達(dá)10以上；同時(shí)，又具有很小的水平剛度和足夠大的水平變形能力，保證建筑物的振動(dòng)周期延長(zhǎng)2~3秒或3秒以上，從而能夠避免同頻共振帶來(lái)的破壞。

　　此外，支座具備恰當(dāng)?shù)淖枘岷头€(wěn)定的彈性復(fù)位功能，兼具耐久性和抗疲勞性能，適用于新型橋梁和房屋建筑。

　　“我們的產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了華中科技大學(xué)的型檢。”裴少帥介紹說(shuō)，該所已投放到市場(chǎng)的建筑，用疊層橡膠隔震支座水平極限剪切應(yīng)變(物體產(chǎn)生的相對(duì)形變量)達(dá)450%，大于國(guó)標(biāo)的要求，使用年限超過(guò)60年?！斑@個(gè)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了日本同行的水平。”

　　無(wú)論是對(duì)新建的還是已有的建筑物，這種支座的安裝施工都不復(fù)雜。陜西省渭南市大荔縣實(shí)驗(yàn)小學(xué)擁有嶄新的高標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)樓，每一棟教學(xué)樓下面都安置了這種隔震支座。打開(kāi)教學(xué)樓的一處通風(fēng)口，下到建筑的底部。隔震支座每6米一個(gè)，呈網(wǎng)狀分布，在這個(gè)地下空間有30個(gè)，支撐著整棟教學(xué)樓。

　　從提出設(shè)想到如今在社會(huì)上引起關(guān)注，裴少帥和同事們?cè)跒檫@項(xiàng)技術(shù)苦心付出了好幾年。他表示，“我們研發(fā)的減震、隔震產(chǎn)品使用效果很不錯(cuò)，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。”

　　抗震不只靠“神器”

　　41所的減隔震產(chǎn)品經(jīng)央視報(bào)道后，“抗震神器”的名頭很快就借助互聯(lián)網(wǎng)傳開(kāi)了。但裴少帥表示，這種產(chǎn)品并非中國(guó)首創(chuàng)。

　　日本是地震多發(fā)國(guó)，世界上20%以上的地震都發(fā)生在該國(guó)。因此，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性在日本很早就受到了重視，此類(lèi)結(jié)構(gòu)在功能上又分為抗震、減震、隔震三種。裴少帥說(shuō)，目前在網(wǎng)上被津津樂(lè)道的“抗震神器”其實(shí)屬于減震、隔震的范疇。

　　地震的能量經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)傳輸?shù)缴喜拷Y(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)和變形，一旦受力超過(guò)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生破壞甚至倒塌。所謂抗震結(jié)構(gòu)，就是在中小地震發(fā)生時(shí)，利用柱、梁、剪力墻的承載力抵御地震。這種結(jié)構(gòu)在形式上大致分為框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)。作為一種傳統(tǒng)的抗震方式，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把房子蓋得更結(jié)實(shí)，用更粗的鋼筋、更多的混凝土澆注。

　　減震結(jié)構(gòu)是通過(guò)在抗震結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)設(shè)置阻尼器來(lái)抑制震動(dòng)，以減輕柱、梁等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。針對(duì)大地震設(shè)計(jì)的阻尼器，多采用安裝減震器的方法。

　　隔震結(jié)構(gòu)則在建筑物的基礎(chǔ)部位或中間層設(shè)置隔震層(構(gòu)件)，它不用改變?cè)ㄖ脑O(shè)計(jì)方案，就能抑制地震力引起的橫向震動(dòng)，并使建筑物的晃動(dòng)頻率放緩。隔震層的豎向承載力大，但水平方向柔軟，能有效地降低地震引起的建筑物上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)而導(dǎo)致的變形，從而減小地震對(duì)建筑的破壞。

　　減震和隔震體系，能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)自身、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物內(nèi)部設(shè)施的三重保護(hù)，使得震后建筑物無(wú)需修復(fù)，可繼續(xù)使用。航天四院的技術(shù)人員介紹說(shuō)，“隔震與不隔震，地震反應(yīng)差4到8倍。”

　　隔震技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較快，在大型公共建筑和軍事建筑中得到了廣泛應(yīng)用。特別是新西蘭、日本和美國(guó)，其技術(shù)研究開(kāi)展較早，水平較高，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，生產(chǎn)能力也較強(qiáng)。

　　日本著名的“三井之家”技術(shù)中心給出的數(shù)據(jù)是：目前在日本新建的60米以上的高層建筑中，90%都采用了各種的隔震、減震部件，來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的抗震性能。在新建的兩三層普通民居中，也有40%～50%采用了隔震、減震部件。此外，還有一些既有建筑也加裝了隔震、減震部件。

　　全國(guó)城市抗震防災(zāi)規(guī)劃審查委員會(huì)專(zhuān)家委員、中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院防災(zāi)抗震技術(shù)中心副主任曾德民說(shuō)，這些隔震、減震部件，通常具有四種機(jī)能：具有不把地震的搖動(dòng)傳給建筑的“絕緣機(jī)能”；具有受到地震搖動(dòng)也能維持穩(wěn)定來(lái)支撐建筑物重量的“支撐機(jī)能”；具有削弱地震搖動(dòng)幅度的“衰減機(jī)能”；具有地震后讓建筑物恢復(fù)到原位的“恢復(fù)機(jī)能”。

　　中國(guó)建筑研究院注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師王瑋在一篇論文中介紹，日本三井不動(dòng)產(chǎn)公司在東京都杉并區(qū)兼作的一座93米的免震結(jié)構(gòu)公寓，建筑物的外圍使用了高強(qiáng)度16積層橡膠，中央部分也使用了天然橡膠系統(tǒng)的積層橡膠。在6級(jí)以上的地震發(fā)生時(shí)，這種保護(hù)裝置能使建筑物的受力減少一半。

　　此外，日本建筑在選材上也格外講究。比如，在歐洲、中國(guó)經(jīng)常被當(dāng)作主要建筑材料的磚瓦，現(xiàn)在在日本建筑上幾乎已經(jīng)找不到蹤影，取而代之的是輔以輕型墻面材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。地上55層、高185米，有日本最高公寓樓之稱(chēng)的埼玉縣川口公寓，就采用了與美國(guó)紐約世界貿(mào)易中心相同的建筑材料——168根混凝土填注鋼管(CFT)。這種鋼管的直徑最大可達(dá)800毫米，厚度達(dá)40毫米，管芯中注入了比通?；炷恋膹?qiáng)度高3倍的特種混凝土。

　　不斷完善的建筑法律也是必不可少的?！懊恳淮稳毡景l(fā)生特大地震后，國(guó)土交通省都會(huì)組織力量進(jìn)行建筑抗震調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果提出對(duì)《建筑基準(zhǔn)法》的修改意見(jiàn)?！鄙虾Ｊ啦?huì)日本產(chǎn)業(yè)館建筑制作人寺崎由起曾表示，日本建筑師在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，會(huì)嚴(yán)格依照《建筑基準(zhǔn)法》的抗震要求，而且這部法律每幾年就會(huì)重新修訂一次。

　　發(fā)展中的減隔震設(shè)備

　　航天四院41所以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出建筑用橡膠隔震支座、減震阻尼器等產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，又先后研制出適用于大型設(shè)備或儀器的減隔震產(chǎn)品。在41所進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)之前，國(guó)內(nèi)企業(yè)也擁有同類(lèi)產(chǎn)品，但質(zhì)量控制、設(shè)計(jì)、材料、工藝等水平，都與國(guó)外同行差距較大。

　　裴少帥在前期調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)甚至沒(méi)有完全掌握設(shè)計(jì)大尺寸產(chǎn)品的技術(shù)，產(chǎn)品合格率也不高，影響了這些產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。“一拿國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，國(guó)內(nèi)基本上就沒(méi)有企業(yè)能達(dá)到了，這也堅(jiān)定了我們?cè)谶@條路上走下去的決心。”

　　41所有豐富的航天產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)儲(chǔ)備。幾年來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)師都是“兼職”狀態(tài)，一手負(fù)責(zé)航天型號(hào)的設(shè)計(jì)工作，一手研發(fā)減隔震產(chǎn)品。他們先是通過(guò)自身的研制、生產(chǎn)能力，確保設(shè)計(jì)和工藝達(dá)到國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。待條件逐漸成熟后，為解決自身生產(chǎn)能力不足的問(wèn)題，從2016年開(kāi)始開(kāi)始尋找民企進(jìn)行合作。

　　為了找到合適的生產(chǎn)伙伴，他們跑遍了衡水、株洲、西安等地的相關(guān)企業(yè)，最遠(yuǎn)還去過(guò)云南。然而，很多企業(yè)面對(duì)他們提出的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)直搖頭，要么表示做不到，要么認(rèn)為不劃算。

　　起初找到一家業(yè)內(nèi)信譽(yù)度很高的企業(yè)，前期合作比較順利。但在建筑用疊層橡膠隔震支座中，橡膠和鋼板要粘結(jié)起來(lái)，但檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鋼板在加壓硫化環(huán)境下變形非常大，鋼板的不平度超過(guò)了41所提出的標(biāo)準(zhǔn)兩倍。原來(lái)，這家企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省了一道熱處理工序，鋼板沒(méi)有釋放應(yīng)力?！叭绻诔丨h(huán)境下檢測(cè)是沒(méi)問(wèn)題的，然而，生產(chǎn)者認(rèn)為那道工序沒(méi)有必要，也耗費(fèi)成本?！?/p>

　　尋遍大半個(gè)中國(guó)后，最終還是在西安找到一家民企并順利達(dá)成合作。除了商業(yè)訴求，大家也希望能通過(guò)努力，改變國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性能普遍落后的現(xiàn)狀。裴少帥認(rèn)為，產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念都是國(guó)外現(xiàn)成的，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品水平不高主要還是因?yàn)楣こ虘?yīng)用能力差，而航天企業(yè)在這方面會(huì)強(qiáng)一些。

　　隔震支座的設(shè)計(jì)壽命是60～70年，這個(gè)結(jié)果是以材料在惡劣自然環(huán)境下加速老化為前提計(jì)算出來(lái)的。但實(shí)際上，41所在超強(qiáng)抗老化高性能橡膠、高強(qiáng)度粘接劑等方面做了更深入的研究，還對(duì)產(chǎn)品材料外表面做了防止老化、霉變、腐蝕的處理，所以一般情況下，正常使用壽命應(yīng)該是大于設(shè)計(jì)壽命的?！斑@和天上飛的衛(wèi)星經(jīng)常能超期服役是一個(gè)道理。”

　　除了需要在整體上幫助建筑物減隔震，房屋內(nèi)的精密儀器設(shè)備、重要文物也可以通過(guò)減隔震支座得到重點(diǎn)保護(hù)?！八拇ㄟB續(xù)發(fā)生的幾次地震，對(duì)文物的破壞就很?chē)?yán)重，博物館也是需要重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象。”裴少帥說(shuō)。

　　一旦出現(xiàn)極端條件，連隔震支座都無(wú)法避免的大變形和位移怎么辦？尤軍峰表示，一方面，他們將研發(fā)一種配合支座使用的裝置，以應(yīng)付更大的荷重和沖擊；另一方面，還將通過(guò)航天仿真技術(shù)來(lái)優(yōu)化、改進(jìn)現(xiàn)有的隔震結(jié)構(gòu)。

　　目前市場(chǎng)上的減隔震產(chǎn)品主要都是應(yīng)用于二維層面的地震中，因?yàn)榈卣鸩ㄗ顓柡Φ木褪菣M波，地面是橫向擺動(dòng)。國(guó)內(nèi)外業(yè)界還在研制、測(cè)試三維空間的減隔震系統(tǒng)，可應(yīng)對(duì)海上的橫向和縱向擺動(dòng)。41所也在進(jìn)行這方面的探索。

　　中國(guó)的隔震技術(shù)起步較晚，但目前已建有隔震建筑3000多幢，比2005 年統(tǒng)計(jì)數(shù)量翻了一番。其中，云南省的隔震建筑面積約占全國(guó)的一半左右。

　　國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)文指出，從2014年起，各省、自治區(qū)、直轄市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳應(yīng)有序推進(jìn)減隔震技術(shù)的應(yīng)用，確保工程質(zhì)量。隨后，甘肅、新疆、青海等地震高烈度地區(qū)對(duì)使用減隔震技術(shù)做了強(qiáng)制規(guī)定——凡是位于抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度地區(qū)及地震災(zāi)后重建的4至12層學(xué)校教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、醫(yī)院醫(yī)療用房、幼兒園、機(jī)場(chǎng)等人員密集公共建筑，必須采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　在中國(guó)，減隔震設(shè)備未來(lái)還會(huì)在公路、橋梁、船舶和核電設(shè)施等領(lǐng)域派上更大的用場(chǎng)。