航天技術如何變身「抗震神器」
隔震支座的工作原理與火箭發動機的柔性噴管很接近，要有足夠的支撐力扛起上面的建築；在抗拉力上又要具備彈性，而不至於被拉斷。通過這樣的技術，可以把地震80%左右的能量隔離，減少地震對上層建築的破壞
隔震支座施工安裝現場。受訪者供圖
文/陳立
9月16日，新疆阿克蘇地區庫車縣發生5.7級地震，震源深度6公裡。這是今年繼九寨溝7.0級地震和新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣6.6級地震後，中國發生的又一次較大震級的地震。
中國是世界上多地震的國家，也是蒙受地震災害損失最為深重的國家之一。在地震精確預測仍是世界難題的情況下，有沒有有效的方法來減少地震造成的生命和財產損失呢？近日，一種在網上被稱為「抗震神器」的設備似乎給人們帶來了希望。實際上，它是在航天技術加快軍轉民的背景下，中國航天科技集團公司四院41所研發的減隔震產品。
靈感來自火箭發動機
2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震，震源深度13公裡，震中蘆山縣龍門鄉99%以上房屋垮塌，重慶及陝西寶雞、漢中、安康等地均有較強震感。
在西安，吳新華密切關注著蘆山地震的動向。一則新聞引起了他的注意：由澳門特別行政區援建的蘆山縣醫院在強震中「毫髮未損」，網友稱其「樓堅強」，因為這棟建築物有防震設計，加入了一種隔震墊。
吳新華是中國航天科技集團四院41所返聘的老專家，他突然意識到，航天科技或許能幫普通民眾幹一件大事。第二天，吳新華就跑到單位找領導提出了一個想法：能否依託固體火箭發動機噴管柔性擺動技術，研發減隔震產品，以減少和阻隔地震波對建築物的影響。「吳老當時已是退休狀態，完全可以不管這些事。可是，他們這代人總是心繫國家，這一點我們不得不佩服。」提起事情的原委，41所設計師裴少帥對《中國新聞周刊》說。
41所固體火箭發動機首席專家尤軍峰解釋說，傳統的抗震技術是把建築物上部結構與基礎牢固地連接在一起，其實就是把房子蓋得更結實，用更粗的鋼筋、更多的混凝土澆注，但這樣抗震的效果並不理想。而如果在建築的上部結構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，通過這樣的技術，可以把地震80%左右的能量隔離，減少地震對上層建築的破壞。
四院主要承擔我國運載火箭、戰略戰術飛彈、衛星、載人飛船等航天產品固體發動機的研製、生產和試驗任務。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築；在抗拉力上又要具備彈性，而不至於被拉斷。
於是，四院41所利用固體火箭發動機噴管柔性擺動技術和工藝，歷經兩年多，研製出疊層橡膠隔震支座。它是由一層鋼板、一層橡膠，層層交錯疊合起來，並經過特殊工藝將橡膠與鋼板牢固地粘結在一起。這樣的結構，具有大的豎向剛度和豎向承載力，足夠支撐龐大建築物的荷重，安全係數一般可達10以上；同時，又具有很小的水平剛度和足夠大的水平變形能力，保證建築物的振動周期延長2~3秒或3秒以上，從而能夠避免同頻共振帶來的破壞。
此外，支座具備恰當的阻尼和穩定的彈性復位功能，兼具耐久性和抗疲勞性能，適用於新型橋梁和房屋建築。
「我們的產品已經通過了華中科技大學的型檢。」裴少帥介紹說，該所已投放到市場的建築，用疊層橡膠隔震支座水平極限剪切應變(物體產生的相對形變量)達450%，大於國標的要求，使用年限超過60年。「這個指標已經達到了日本同行的水平。」
無論是對新建的還是已有的建築物，這種支座的安裝施工都不複雜。陝西省渭南市大荔縣實驗小學擁有嶄新的高標準教學樓，每一棟教學樓下面都安置了這種隔震支座。打開教學樓的一處通風口，下到建築的底部。隔震支座每6米一個，呈網狀分布，在這個地下空間有30個，支撐著整棟教學樓。
從提出設想到如今在社會上引起關注，裴少帥和同事們在為這項技術苦心付出了好幾年。他表示，「我們研發的減震、隔震產品使用效果很不錯，技術應用比較成熟。」
粘滯阻尼器。受訪者供圖
抗震不只靠「神器」
41所的減隔震產品經央視報導後，「抗震神器」的名頭很快就藉助網際網路傳開了。但裴少帥表示，這種產品並非中國首創。
日本是地震多發國，世界上20%以上的地震都發生在該國。因此，建築結構的抗震性在日本很早就受到了重視，此類結構在功能上又分為抗震、減震、隔震三種。裴少帥說，目前在網上被津津樂道的「抗震神器」其實屬於減震、隔震的範疇。
地震的能量經過基礎傳輸到上部結構，使結構發生振動和變形，一旦受力超過其結構強度時，便會發生破壞甚至倒塌。所謂抗震結構，就是在中小地震發生時，利用柱、梁、剪力牆的承載力抵禦地震。這種結構在形式上大致分為框架結構和剪力牆結構。作為一種傳統的抗震方式，簡單地說，就是把房子蓋得更結實，用更粗的鋼筋、更多的混凝土澆注。
減震結構是通過在抗震結構的建築物內設置阻尼器來抑制震動，以減輕柱、梁等主要結構構件的損傷。針對大地震設計的阻尼器，多採用安裝減震器的方法。
隔震結構則在建築物的基礎部位或中間層設置隔震層(構件)，它不用改變原建築的設計方案，就能抑制地震力引起的橫向震動，並使建築物的晃動頻率放緩。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築物上部結構加速度反應而導致的變形，從而減小地震對建築的破壞。
減震和隔震體系，能實現建築結構自身、非結構構件和建築物內部設施的三重保護，使得震後建築物無需修復，可繼續使用。航天四院的技術人員介紹說，「隔震與不隔震，地震反應差4到8倍。」
隔震技術在國外發展較快，在大型公共建築和軍事建築中得到了廣泛應用。特別是紐西蘭、日本和美國，其技術研究開展較早，水平較高，實踐經驗豐富，生產能力也較強。
日本著名的「三井之家」技術中心給出的數據是：目前在日本新建的60米以上的高層建築中，90%都採用了各種的隔震、減震部件，來實現建築的抗震性能。在新建的兩三層普通民居中，也有40%～50%採用了隔震、減震部件。此外，還有一些既有建築也加裝了隔震、減震部件。
全國城市抗震防災規劃審查委員會專家委員、中國建築標準設計研究院防災抗震技術中心副主任曾德民說，這些隔震、減震部件，通常具有四種機能：具有不把地震的搖動傳給建築的「絕緣機能」；具有受到地震搖動也能維持穩定來支撐建築物重量的「支撐機能」；具有削弱地震搖動幅度的「衰減機能」；具有地震後讓建築物恢復到原位的「恢復機能」。
中國建築研究院註冊結構工程師王瑋在一篇論文中介紹，日本三井不動產公司在東京都杉並區兼作的一座93米的免震結構公寓，建築物的外圍使用了高強度16積層橡膠，中央部分也使用了天然橡膠系統的積層橡膠。在6級以上的地震發生時，這種保護裝置能使建築物的受力減少一半。
此外，日本建築在選材上也格外講究。比如，在歐洲、中國經常被當作主要建築材料的磚瓦，現在在日本建築上幾乎已經找不到蹤影，取而代之的是輔以輕型牆面材料的鋼筋混凝土結構。地上55層、高185米，有日本最高公寓樓之稱的埼玉縣川口公寓，就採用了與美國紐約世界貿易中心相同的建築材料——168根混凝土填注鋼管(CFT)。這種鋼管的直徑最大可達800毫米，厚度達40毫米，管芯中注入了比通常混凝土的強度高3倍的特種混凝土。
不斷完善的建築法律也是必不可少的。「每一次日本發生特大地震後，國土交通省都會組織力量進行建築抗震調查，根據調查結果提出對《建築基準法》的修改意見。」上海世博會日本產業館建築製作人寺崎由起曾表示，日本建築師在設計建築時，會嚴格依照《建築基準法》的抗震要求，而且這部法律每幾年就會重新修訂一次。
發展中的減隔震設備
航天四院41所以固體火箭發動機柔性噴管技術為基礎，研製出建築用橡膠隔震支座、減震阻尼器等產品，在此基礎上，又先後研製出適用於大型設備或儀器的減隔震產品。在41所進入這個市場之前，國內企業也擁有同類產品，但質量控制、設計、材料、工藝等水平，都與國外同行差距較大。
裴少帥在前期調研時發現，國內企業甚至沒有完全掌握設計大尺寸產品的技術，產品合格率也不高，影響了這些產品的推廣應用。「一拿國外標準對比，國內基本上就沒有企業能達到了，這也堅定了我們在這條路上走下去的決心。」
41所有豐富的航天產品研發技術儲備。幾年來，研發團隊的設計師都是「兼職」狀態，一手負責航天型號的設計工作，一手研發減隔震產品。他們先是通過自身的研製、生產能力，確保設計和工藝達到國外標準。待條件逐漸成熟後，為解決自身生產能力不足的問題，從2016年開始開始尋找民企進行合作。
為了找到合適的生產夥伴，他們跑遍了衡水、株洲、西安等地的相關企業，最遠還去過雲南。然而，很多企業面對他們提出的生產標準直搖頭，要麼表示做不到，要麼認為不划算。
起初找到一家業內信譽度很高的企業，前期合作比較順利。但在建築用疊層橡膠隔震支座中，橡膠和鋼板要粘結起來，但檢驗時發現，鋼板在加壓硫化環境下變形非常大，鋼板的不平度超過了41所提出的標準兩倍。原來，這家企業在生產過程中節省了一道熱處理工序，鋼板沒有釋放應力。「如果在常溫環境下檢測是沒問題的，然而，生產者認為那道工序沒有必要，也耗費成本。」
尋遍大半個中國後，最終還是在西安找到一家民企並順利達成合作。除了商業訴求，大家也希望能通過努力，改變國內產品性能普遍落後的現狀。裴少帥認為，產品設計理念都是國外現成的，國內產品水平不高主要還是因為工程應用能力差，而航天企業在這方面會強一些。
隔震支座的設計壽命是60～70年，這個結果是以材料在惡劣自然環境下加速老化為前提計算出來的。但實際上，41所在超強抗老化高性能橡膠、高強度粘接劑等方面做了更深入的研究，還對產品材料外表面做了防止老化、黴變、腐蝕的處理，所以一般情況下，正常使用壽命應該是大於設計壽命的。「這和天上飛的衛星經常能超期服役是一個道理。」
除了需要在整體上幫助建築物減隔震，房屋內的精密儀器設備、重要文物也可以通過減隔震支座得到重點保護。「四川連續發生的幾次地震，對文物的破壞就很嚴重，博物館也是需要重點保護的對象。」裴少帥說。
一旦出現極端條件，連隔震支座都無法避免的大變形和位移怎麼辦？尤軍峰表示，一方面，他們將研發一種配合支座使用的裝置，以應付更大的荷重和衝擊；另一方面，還將通過航天仿真技術來優化、改進現有的隔震結構。
目前市場上的減隔震產品主要都是應用於二維層面的地震中，因為地震波最厲害的就是橫波，地面是橫向擺動。國內外業界還在研製、測試三維空間的減隔震系統，可應對海上的橫向和縱向擺動。41所也在進行這方面的探索。
中國的隔震技術起步較晚，但目前已建有隔震建築3000多幢，比2005 年統計數量翻了一番。其中，雲南省的隔震建築面積約佔全國的一半左右。
國家住房和城鄉建設部發文指出，從2014年起，各省、自治區、直轄市住房和城鄉建設廳應有序推進減隔震技術的應用，確保工程質量。隨後，甘肅、新疆、青海等地震高烈度地區對使用減隔震技術做了強制規定——凡是位於抗震設防烈度8度及以上的地震高烈度地區及地震災後重建的4至12層學校教學樓、學生宿舍、醫院醫療用房、幼兒園、機場等人員密集公共建築，必須採用基礎隔震技術進行設計。
在中國，減隔震設備未來還會在公路、橋梁、船舶和核電設施等領域派上更大的用場。
聲明：刊用《中國新聞周刊》稿件務經書面授權