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[分享]日本被公认为世界第一抗震强国,我们有很多要学习!

发表于2018-06-22    596人浏览    0人跟帖    复制链接  只看楼主

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北极星闪闪


6月18日上午7点58分(北京时间6时58分)左右,日本大阪府北部地区发生6.1级地震,大阪府、奈良县、京都府等地区震感强烈。

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截至目前,地震导致大阪府3人死亡,其中包括两名80多岁老人,另外一名是小学4年级女童三宅璃奈(9岁),在上学途中被倒塌的学校游泳池外墙压住身亡。

而包括三重、滋贺、京都、兵库等在内,已经至少有259人受伤。

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一时之间,有17万户家庭停电,各大商业设施临时休业。

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当地交通也陷入瘫痪。关西各铁路公司全线暂停运行,车站内挤满了上学上班的人群,月台像会场一样热闹。

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一时半会没办法恢复正常通行,有人忙着排队等候改签车票,

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或是离开停运的电车,排队步行回站台。

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这次地震带来的破坏是显而易见的:大阪府茨木市的阪急茨木市站里,掉落在站台上的电子显示屏。

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大阪府摄津市一居民家中破碎的餐具。

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大阪府高槻市一居民家中的震后场景。

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新大阪站内书店里满地凌乱的书本。

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大阪府箕面市的幼儿园地面出现地裂。

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日本位于亚欧板块与太平洋板块碰撞挤压的交界地带,地壳运动活跃,大震小震不断。由于频繁经历地震,日本人相对来说更显淡定,预防应对措施也更为充分。

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预测地震可能吗?

很久以来,网络上流传着这样一个传说:著名地质学家李四光曾经预测我国四大地震区域,其中京津唐(唐山)、四川和青藏高原(汶川、玉树)、台湾及福建沿海(台湾)都已经应验了,下一个就是XX。然而这个“XX”有各种不同的版本,让不少人觉得自己的家乡就是下一个灾区,引起相当广泛的恐慌。

事实上,这只是个以讹传讹的说法,李四光先生从来没有做过所谓“四大地震区域”这样的判断。

对“四大地震区域”的普遍关注,反映了人们内心的一个疑问——“地震到底能不能预测”。

首先我们必须明白,地震预测分为短期预测和中长期预测。

中长期预测的内容,是某地未来几十年甚至上百年发生大地震的概率,并不能明确告知具体日期和震级。像前面说到李四光先生虽然没有预测过“四大地震区域”,但作为地质学家,他确实预测了很多未来可能发生地震的地方,这就是中长期预测。

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▲ 我国著名地质学家李四光先生

现在地震部门关于中长期预测的一项重要任务叫活断层探测,因为活断层的“活”与活火山的“活”类似,这是有可能发生错动而引发大地震的断层。火山在地表上,肉眼可查。但是断层位于地下几公里至几十公里深处,现在全球范围内人类的钻探深度极限是十几公里,活断层探测的难度可想而知,而且地震具体什么时候发生、在哪里发生都很难准确预测。

目前的中长期地震预测,在很大程度上要借助于历史上的地震记录。发生过大地震的地方肯定有断层。中华文明因历史悠久,地震记录是全世界时间最长的。在此基础上,再辅以大范围的活断层探测和地球物理场的监测,可以在一定程度上估计某地在未来可能发生的最大地震的概率。这样的地震预测是有科学依据的,中长期预测的结果也是对建筑物进行抗震设防的重要依据。

然而与中长期预测相比,普通民众更加关心的是地震的短期预测,即提前明确通知发生地震的大小、时间和地点。

例如,海城地震(1975年2月)曾被成功预测,这是世界上唯一一例成功通过地震预报大量减少地震人员伤亡的案例。

但海城地震成功的短期预测,有着特殊背景,它主要是通过500多次前震判断出未来会发生大地震。然而全球90%的破坏性地震没有明显的前震。所以,海城地震成功预报是极其偶然的事情。

地震前兆是地震短期预报的一种常用方法。人们经常把动物行为突变、天气异常等现象视为地震前兆,但实际上它们跟地震之间并不一定有必然联系。

1995年日本阪神地震之后,大阪市立大学教授弘原海清不知道从哪里搜集了1519例地震前兆,还出了一本书叫《前兆证言1519》。

他认为,在大地震发生前,出于某种原因可能会影响到一些物质,引起动物焦虑、收音机信号不稳定等等。但是人们没有把握住大自然发出的警告。

但是,他无法用科学证明地震和这些前兆之间有确切的因果联系。平时动物生气也会焦虑,水温异常或者受污染严重也会使鱼显得异常,很难判断这些现象跟地震是否有必然联系。

至于想通过已经发生地震的地点来预测尚未发生的地震,同样是天方夜谭。

2012年,在一次地震工程的国际学术会议上,伯克利一位著名的地震工程教授在作大会报告时展示了一幅世界地图,把2010-2011年间发生在环太平洋地震带的地震都标了出来,包括海地地震(7.0级)、智利地震(8.8级),新西兰地震(7.1级、6.3级),东日本大地震(9.0级),然后开玩笑说:“下一个是不是该轮到加州了呢?”全场学者捧腹大笑。

地球已经存在了几十亿年,人类的出现也不过是两百万年前的事儿,而有历史记载的人类历史不过几千年。与地球的寿命相比,实在是微不足道。这样看来,人类想要预知地震,就像用一眨眼的瞬间去感受夜的漫长。

以现有的科学技术,人类仍无法准确预测地震。地震预测是全世界至今都无法攻克的一大难题。

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什么样的建筑能抵御地震?

过去我们一直强调房子越坚固越好,建筑材料越坚硬,整体结构才能更坚固。“耐震结构”是传统建筑技术中的一个重要组成部分。

所谓“耐震结构”是将墙壁和承重柱强化,再加入强度补充材料形成坚固的建筑物。毋庸置疑,材料和结构越坚固,整体建筑就越牢固。木制房子肯定没有钢铁结构更结实。

然而,随着文明进步和科技发展,我们知道了以柔克刚的道理,学会了借力打力,因此又发明了新的建筑技术:免震技术和制震技术。

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▲ 制震和免震的构造示意
 
“免震结构”的原理很简单,一句话说就是“你震我不震”。其实现原理一般是在地面和建筑物之间加入橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等,把震动的地面隔开,降低振动强度,就如同在房子底下加了一个大弹簧。

实际建筑设计上,是在地面和建筑物之间加上吸收振动,如,高层建筑的底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座。

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▲ 多层免震橡胶弹性垫
 
这种弹性垫可以将整个建筑物与地面分离,如同在建筑物底部安装了一个大大的弹簧,可以预想该结构对地震带来的冲击有很大的缓冲效果。

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▲ 免震层施工状况
 
这种结构在日本比较普遍,而且应用得比较早,因此日本多数建筑物都会用这种免震结构作为地基设计的基本方法。

而“制震结构”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附着振动减轻装置,控制建筑物的摇晃。实际上,很多世界知名高层建筑都应用了这种方法来抵御地面振动或者强风。

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▲ 三种抗震房屋结构的直观演示
 
 DUOX(有源双减震器减震系统)

首先,介绍一个比较知名的制震技术——DUOX(有源双减震器减震系统),实际上它是TMD(调谐质块阻尼器)和AMD(主动质量阻尼器)技术的组合应用。

TMD系统应用的一个简单例子就是运用钟摆原理控制振动。在建筑物中吊一个摆锤装置,当发生振动时,建筑物产生晃动的趋向,也会引起摆锤的摆动,而摆锤会以相反的方向摆动,建筑物总是被拉回原来的方向。

比如台北101摩天大楼为了应对因高空强风及台风吹拂造成的摇晃,在大楼的88至92楼间设置了TMD。该TMD系统挂置一个重达660公吨的巨大钢球,利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器,更是目前全球最大之阻尼器。

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▲ 台北101大楼中的调质阻尼器
 
最开始TMD是建筑公司主要采用的抗震技术。

而AMD通过传感器感知振动的频率、幅度等,把信号传递给执行器,执行器对抗质量块而把惯性控制力施加给振动体,实现抑制振动的功能。世界上第一个安装AMD,控制地震和强风的是日本的Kyobashi Siewa钢结构建筑(33m)。

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▲ 调谐质量阻尼和主动质量阻尼
 
而DUOX另外增加了TMD(调谐质量阻尼)和AMD(主动质量阻尼)的组合系统。随着技术的发展,结合TMD和AMD技术而建设的日本建筑是位于东京都港区的Shiodome Media Tower(172m)

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▲  Kyobashi Siewa和Shiodome Media Tower
 
 HIDAX-R(流动阻力抵抗振动)

日本鹿岛会社于1995年开发出了振动吸收阻尼HiDAM,我们先来看一下早期的HiDAM是如何工作的。

当建筑物产生振动时,建筑物的梁和支架产生位移差,使得活塞移动。活塞上有可以打开的连接孔,液压油可以通过连接孔在左右油室之间移动。连接孔中设有调节阀,利用通过孔口的油的流体阻力达到减震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama (209m) 就是采用了这种抗震技术。

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▲ HiDAM

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▲ 使用HiDAM 的The Kitahama
 
2015年开发出的新型振动吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX 的基础上研发的,抗振性能达到前者的4倍以上。与HiDAM相比,HiDAX是一种可以控制流量的油阻尼器。性能要优于HiDAM。

HiDAX-R是世界上首个搭载振动能量再生系统VERS的新型制震阻尼器,也是首次将汽车制动控制原理应用到建筑物的设计中。可以临时储存因地震等引起的振动能量,提高抗震效率。

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▲ HiDAX-R
 
由于该技术开发于2015年,目前尚未应用于实际建筑中。HiDAX则已应用于2003年竣工的位于东京的Roppongi Hills Mori Tower (238m)中。

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▲ Roppongi Hills Mori Tower 【东京】
 
 DFS (双框架系统)

在建筑物的中心放一个刚性心轴,在它的外围放一个由很多柱子和横梁搭建的软结构建筑物。然后用减振装置(油阻尼器)连接这两个建筑物。

地震时,这两个建筑物的硬度不同,晃动的频率也不同。所以变形的趋向也不同。心轴比较硬,晃动会比较厉害,而建筑物通过油阻尼器的减振作用,大大降低了晃动的幅度。

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DFS结构图
 
位于日本川崎市正在建造的港町駅前マンション(96m)正是应用了这个抗震技术。

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▲  建设中的港町駅前マンション

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▲ 东京天空树所用的DFS抗震结构示意图
 
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抗震技术有效的增强了房屋抵抗地震的能力

日本这样一个多地震国家,由于受到生存危机的驱使,开发出了很多优秀的抗震技术,这些技术是值得其他国家学习的。
 
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▲ 耐震、制震和免震的示意图


日本房屋抗震发展史就是建筑法的完善史



“每一次日本发生特大地震后,国土交通省都会组织力量进行建筑抗震调查,根据调查结果提出对《建筑基准法》的修改意见。”2010年上海世博会期间日本产业馆建筑制作人寺崎由起曾公开表示,日本建筑师在设计建筑时,会严格按照《建筑基准法》的抗震要求。而且这部法律每几年就会重新修订一次。

回顾日本抗震建筑发展的历史,就是其建筑法律法规不断完善发展的历史。

十九世纪后半叶,日本刚刚开始对地震的研究,那个年代,日本还没有提出建筑要有抗震设防能力。

1892年,“预防震灾调查会”成立,他们的目标是——提升木造建筑的耐震性。

在那之后,日本建筑抗震研究就开始进入了有科学世界观指导的阶段。

1916年,日本建筑家佐野利器提出“静力震度法”,建议建筑的结构设计中,水平力应该是结构重量的1/15,这样能够起到防震作用。

1923年,按照这种设计思想建造的日本兴业银行大楼落成。流年不利,同年9月,关东大地震就发生了,兴业银行大楼经受了考验。于是,在第二年施行的日本都市建筑法中,“静力震度法”的原则,就成了抗震设计的规范。

此后,日本的建筑物进入抗震减灾1.0时代。

1924年开始,日本建筑规范规定结构力计算要考虑抗震系数,在这方面日本当时走在了世界前列。

日本的《建筑设计基准法》颁布于1950年,之后几经修改,其中比较著名的有1971年的修正。

1995年的阪神大地震给日本造成了很大损失,而灾后统计显示,这次地震中受损建筑主要建于1971年前,1981年后建造的房屋几乎完好无损。

事实上,《建筑基准法》1971年修正令强化了钢筋混凝土柱的带筋间隔距离,而1981年则全面实行“新抗震设计法”,引入了多个方面的新规定。

在上世纪七八十年代,日本的建筑法律就有两次重大修改。首先,这部法律否认了传统的日本式木造住宅建筑方法——木造轴框架法的抗震性能。这种建筑方法是用石条在屋基上做柱子,然后放上木造框架,房顶则使用瓦片。经过专家认证,木造轴框架,这种本来就是不稳定的平行四边形框架结构,再加上沉重的瓦块屋 顶对地震的摇晃毫无抵抗能力,一旦塌落很可能造成人员损伤。”

在1974年,日本从欧美引进了木造框架组合墙壁构造法 (two-by-fourmethod)建筑技术。1982年重新修订的《建筑基准法》给予了这种施工方法支持。之后的地震证明,当时这个支持法案是对的。因为,根据新方法建造的住房没有一间倒塌。

1995年经过修订的《建筑基准法》规定,高层建筑必须能够抵御里氏7级以上的强烈地震。寺崎由起表示:“一个建筑工程,要从政府部门获得开工许可,除了要上交设计图纸、施工图纸等文件外,还必须提交建筑抗震报告书。”抗震报告书的内容包括,根据地震的不同强度,计算不同的建筑结构在地震中的受力大小,进而确定建筑的梁柱位置、承重以及施工中钢筋、混凝土的规格和配比。

此后,日本曾在1996、2000、2005和2006年四次修改《建筑基准法》,将建筑物的抗震标准一再提高。修订后的法规将住宅、楼房抗震标准提高为:经得住6至7级地震摇晃而不会坍塌,尤其是商务楼要求能够8级地震不倒,使用期限能够超过100年。

相比抗震技术,更缺乏的是防震意识

目前,我国在建筑抗震性能方面,整体上与美国、日本相比还存在显著差距。

从地震致灾程度可窥探一二:同样发生六级地震,在美国或日本的死亡人数远小于中国。

这一差距的原因是全方位的,主要体现在技术、经济和意识三个方面。

技术方面,我们现在的技术还在向美国、日本学习,属于跟跑阶段。不过,建筑抗震技术的应用性强,赶超速度很快,如果国家投入精力加大研发力度,可以在短期内取得巨大的进步。

经济方面,我国农村地区、西部地区的经济发展相对落后,这些地区的抗震能力也相对薄弱。经济发展的不均衡性也带来了抗震能力的不均衡发展。

防震减灾意识,可能是更为根本,也更难以改变的一个方面。

面对地震风险,人们有三种态度:

第一是保有风险。这有点儿像对赌:不做什么准备,如果地震来了,我认命;如果地震不来,我就赚了。

第二是控制风险。把房子盖结实就是地震控制风险的有效手段;地震来了,命保住了,就是赚到;不会坏的房子还可以持续使用,百利无一害。

第三是转移风险。比如为房屋购买地震保险,一旦发生地震,保险公司会承担一部分损失,达到转移风险的目的。

技术和经济方面,都比较容易追赶。但是,最为重要的意识却最难追赶。

这里讲个小故事。芦山地震后,我们去现场考察。经历过汶川地震,当地居民确实有了防震意识,想把房子盖结实。

当地有一户男主人,汶川地震后好不容易筹钱盖了一个新房,五年后芦山地震又把房子震毁了。

我问他:你都经历汶川地震了,怎么不多用点钢筋,把房子盖结实?

他很冤枉地说:我知道,所以放了特别多钢筋啊。

我们这才发现,他的房子虽然墙裂得不成样子了,但是楼板坚固无比。原来,他把钢筋全加进楼板里了。

柱子里没放钢筋,楼板里却全是钢筋,这点很致命。一般地震中人们就是被楼板砸死的,他还要向楼板里“添砖加瓦”。要是压在这么厚的楼板下面,救援都不好下手。

这说明什么呢?防震意识的缺乏分两个层次:一是没有防震意识,二是不知道正确的防震方法。上面说到的这个男主人已经有了“加固”意识,但是方法不对。

目前,我国大部分居民的防震意识比较弱,这也与我国破坏性的大地震相对较少有关。多数人存在侥幸心理。

地震少,能造成伤亡的地震更少,他们不相信有生之年会受大震灾。

相对而言,日本地震多,日本居民的防震意识也相应高得多。如果年年地震,几乎人人会采取防震措施;三五年地震一次,多数人会采取防震措施;如果三五十年才来一次,人们可能就不太在乎了。因为很多人会考虑回报比:房子盖得这么结实,几十年不来一次地震,相当于白花了很多钱。

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▲ 震后重建的汶川

目前,提高成年人的防震意识或许有些困难。但如果我们能在孩子心里及时、正确地播撒“防震减灾”的种子,待到几十年后种子发芽长大时,他们就会明白地震有何风险、如何应对风险,这可能会对提升我国防震减灾能力发挥不可估量的作用。
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