Strengthening Existing Buildings

地震中更安全的建筑物

地震是什么？

海床和我们居住的大陆是地球的坚硬外壳，由较轻的岩石构成，漂浮在由较重的熔岩和熔铁构成的柔软的地心表面。这个坚硬外壳并非整体一块，而是被断层、海沟分裂成许多块，有些板块被挤压在一起形成山脉。这些分开的板块并不是静止的，而是在缓慢地运动。运动的驱动力来自于地核熔融物质的对流、太阳和月亮的吸引力以及地球自转的离心力。
有的板块逐渐分离。特别是在大洋中沟，熔融物质涌上来，将板块推开。
有的板块迎面相撞形成高大的山脉。如喜马拉雅山便是印度次大陆向北漂移与亚洲板块冲撞挤压后隆起的巨大褶皱。有的板块仰冲向另外一个板块。如在美洲西海岸，大陆板块仰冲向大洋板块，形成了高耸的安第斯山和洛基山。有的板块围绕着另外一个板块运动。一个板块冲到另一个板块的上面或滑到下面，两个板块在断层部分结合在一起（如三番市）。
所有的这些运动都可以导致地震（也常常导致火山爆发）。如果板块是以每年约一毫米的速度平稳的运动，没有人可以察觉到。然而，板块常常相互碰撞挤压，致使地壳被拉伸、压缩、扭曲。一定程度的地壳变形会在板块连接处或连接处的某部分触发一个爆发点，板块便会有一个突发运动。这个突发运动或者是微小的移动或者是几英尺的移动，同时，巨大的能量被释放出来，远远超出最大的原子弹爆炸所释放的能量。震动波从能量释放点向各个方向传播，就像石头投入池塘产生的水波。震动波在陆地上快速传播，世界各地都可以探测到。这就是地震。
如果地震发生在海洋，就形成了海啸。海啸可以每小时600米的速度前进。巨大而陡直的海浪突然出现，不断变长增高，直到它到达浅海。这是地震的另外一种情况。
主震之前通常会有一些小的前震。前震发生时应力大的地方就会破裂。板块相接处得到重新调整，使主结合点可以承受更大应力。主震过后，板块的主结合点断裂并发生移动，又进行一次调整，断层周边的物体就会由于受到过应力而倒塌。接下来的余震也可以成为能量巨大的地震。 地震地区在震后又会恢复平静，然而板块依然在运动，继续酝酿下一次地震。人们忘记了教训，
为什么建筑物会在地震中倒塌？
当地震震动地面时，有可能只是一个突然的晃动，但更多的是一些系列时间间隔短的震波，就像我们往池塘投鹅卵石激起的水波。地震能引起地面上下跳动，也可以使地面水平晃动。
所有的建筑物都能承载他们自身的重量（否则他们就会自己倒下）。它们能承载一些雪和一些其他的地板负荷，也能垂直悬挂负荷；所以即使质量很差的建筑也能抵抗上下负荷。但是建筑物没必要能抵抗水平负荷，除非它们是按这样去建造的。这个缺点只有当地震袭击时才能显现，而这却是个不利的发现时间。
恰恰是水平负荷造成最大损害，质量差的建筑在第一次摇动时就倒塌了。 如果震动是以地震波的形式袭来，水平负荷产生的损害就越大，一些较大的建筑像音叉一样振动，而每一次新的摆动幅度都比上一次大，直到倒塌为止。这种连续地震波容易在在又深又软的地面上建造建筑的地方（比如墨西哥城市）发生。旁边较高或者较矮的建筑可能不会按统一频率震荡。
很多时候建筑物的重量是随着高度的增加而增加，一层又一层的楼层在原有的基础上盖起。宽敞的阳台周围砌起墙，室内则分割为越来越多的小房间；石头堆在屋顶来防止他们被吹走，内部也存储了石头。这些额外的重量在建筑结构上产生了很大的压力，能防止倒塌。重量越大，重量所在的建筑高度就越高，建筑也就越坚实，而它的地基也就必须能抵抗水平震动。但是很多建筑在增加重量的同时却没有加强抗震性。
很多时候，墙壁和室内隔离物抵抗建筑负荷的摇动，但它们经常在主要地震袭击中被损坏和削弱，而那时的建筑就越容易被攻击，即使是一个弱余震，也许是从稍微不同的方向，或是以不同的频率，都能使建筑倒塌。 在很多多层建筑，地板和屋顶都只是搁在墙壁上，通过自身重量支撑，即使有一些建筑框架，也是不够的。这会导致地板或屋顶从它的支持物滑落，压碎底下的任何东西。
虽然很多混凝土建筑设计用圆柱来抵抗摇动的负荷，而且圆柱看起来很完美，但是地震开始后它的不足就显示出来了。混凝土建筑出现了小裂缝，’ 镫形物’（把主要固定成分连接在一起的小钢棒）在混凝土上的焊接削弱了，外部混凝土出现了裂缝（水泥的散裂)，圆柱里的主要固定钢筋也能向外弯曲，而且所有的支撑力量消失。奥克兰高速公路下粉碎的和有裂缝的大量的圆形混凝土柱很好的证明了混凝土的这种不足。他们现在已经通过围着他们的厚重带子得到加强。
在很多多层建筑，楼层越低，净空越大（所以要更高的圆柱），空间越广（所以墙壁越少）。楼层经常是立在没有连续性的占据有限英尺的圆柱上。第一层楼的圆柱承载着来自建筑重量的最大的负荷和来自地震的累积的最大水平负荷，是最长，最不受限制，最低固定性的，因此它经常是地震中第一个倒塌的.在最严重的灾难中也只有一根圆柱倒塌，这种平坠着路倒塌对于见过亚美尼亚，墨西哥，土耳其，伊朗，秘鲁地震后果，和现在的巴基斯坦和克什米尔地震后果的人是很熟悉的。
有时侯建筑是建在软土上；当建筑摇晃的时候软土可以变成流砂，这会导致建筑物完全塌陷在土里。一些高建筑能在地震中几乎保持完整无缺，但会整个地倾倒。建筑物越高，发生倾倒的概率就越高，尤其是当建筑物能随着地震波的频率震荡时，而底下的液化软土使建筑物倾斜时发生的概率就更高了。
那么，我们怎样建造抗震建筑物呢？
从上面可以明显看出，需要建造能抵抗横向负荷的建筑物和地基。
建筑物越轻，负荷越小，重量更高的情况下更是如此。因此，顶层尽可能用轻质的材料，地板、墙壁和隔墙的重量也是越轻越好。 如果横向抵抗力来自于墙壁，这些墙壁一定要在两个方向平等。墙壁一定要够坚固，承受得起负荷，还要和任一框架连在一起，加强最弱的方向以承受负荷。墙壁一定不可以倒塌，在最大的地震波之后仍然需要保持原来位置，以保留强度抵抗余震。
如果横向抵抗力来自于对角支撑，那么支撑框架一定要在两个方向上处处平等。有条件的，尽可能建造够坚固的支撑框架可以同时承受拉伸和压缩的负荷，也就是拴紧处或焊接处应该可以承受比支柱的极限拉伸值更大的拉伸负荷，或比设计承受负荷还要大。同时，支撑框架不必紧扣负荷，追求比设计负荷还高的值，而且，负荷一定要以稳健的方式传导到地面。 如果横向负荷是抗力矩框架来承受，需要特别注意的是，要确保接合处要比横梁更坚固，这样的话，横梁会比柱子先垮掉，而且如果是混凝土的柱子就不会因为水泥的散裂而倒塌。此外，坚固的框架应该处处均衡，双向平等。
如果建筑物的抵抗力是来自抗力矩框架，那么要特别注意以地基为重点的楼面。如果要求较高的净高，并且要在墙上开洞，此楼面的柱子必须要比高楼面的牢固，同时第一层的横梁和底层与第二层之间的柱子必须能够抵抗柱子本身给框架带来的旋转负荷。或者，柱脚最好做成连续的。往大地基里填充大量的螺栓可以做成这种“固定的柱脚”，或者在地基水平建造一个钢梁的格架，能够抵抗柱子力矩。这样的钢格架也可以稳住地基保持原位。 如果框架中的横梁在其最大着力点会弯曲，但是并不失去抵抗力，同时接合处和柱子仍然保持全强度，这时奇怪的事情发生了：整个框架的共振频率改变了。如果建筑物和地震波同时振动，振动将会被减弱。这种现象就是所谓的“塑胶铰链”，尽管加强型的混凝横梁只要避免散裂后也会发生类似的现象，但是用钢横梁很容易证明。
所有的楼层必须通过加强和弹性的方法与框架连接起来，永远都不能发生震动松散和坍倒。此外，所有的楼层必须尽可能轻，必须和每一根柱子相适应，固定在每一根支撑横梁或每一面墙壁上，这样就不可能被震倒了。
要消除高大建筑物的这个弱点，方法是用支撑物和减震器把它们从楼层间分离开来，但是这种处理非常困难而且昂贵，不适用于中低层建筑和低成本建筑（尽管对于日本的大都市是一项很好的技术）。
总的来说，在地震多发区，建造比其宽度高不出多少的建筑物是明智的，除非事先采取了特别防御措施。
那么，我们应该怎样设计防震性能最好的建筑物呢？
首先，最高处的结构——房顶越轻越好。最好的做法是在Zed型轻钢檩条上面打圈梁，这样房顶就可以拥有具备隔离效果的双层壳。房顶最好倾斜3到15度。如果必须建平的房顶，最好选用坚固有绝缘效果的热浸镀锌钢板，并在上面盖一层特殊的膜。若必须建混凝土的平房顶，最好先打圈梁，形成一个复合结构，然后将混凝土灌注其间，这样钢筋混凝土板房顶就形成了，不需要任何额外支撑。这个钢筋混凝土板厚度只有110毫米，重量仅为每平方米180千克，与钢筋框架紧密结合，不会滑动或坍塌。
如果只是建造普通的平房，或是任何具有门式钢架或其他钢架的建筑物，只要进行合理的设计和建造就可以抗震。然而，如果要建造两层或两层以上的房屋，就需要采取更多的措施来确保它的抗震性能。
和房顶一样，地板也是造得越轻越好。首先，地板材料最好选用木制檩条和木板、纸板或胶合板。然后，最重要的是要把木质檩条牢牢地固定在钢架上，以防它们滑动或被掉下。这种结构要求檩条具有稳定性，这样地板就不会垮掉。另外一种更好的方法是用Zed型轻钢檩条代替木制檩条。Zed型轻钢檩条可以横跨更远的距离并且易于固定在钢架上。而且，地板板材或舌榫纸板也可以很容易的用螺丝钉固定在檩条上。然而，旅馆、公寓楼、办公楼等场所必须是混凝土地板。在这种情况下，我们应该根据复合盖板地板的跨越能力缩小跨度，将加强的混凝土板铺在盖板上面，盖板固定在与主要横梁连接的檩条上。主要的横梁由柱子支撑，柱子周围用混凝土灌注。这样以来，地板就不可能从钢架上掉下来了。
要想地板结实地固定在钢架上，就需要合理的设计钢架。请看下边的草图：
特别的抗力矩框架抵抗地震
轻质屋顶
大幅度偏斜可能和强度的丢失有关
剪力墙上没有依靠
板层不能倒塌
横梁可以形成塑胶铰链，可以吸收能量，改变更新频率。
装饰上用薄的混凝土
在地上的钢横梁同时支撑着整个框架
连接处比起横梁还坚固
轻质的墙壁和隔墙
柱子比横梁坚固
先谈地基。钢架不应该建造在地面简单的地基上。在非地震带，常常在柱子下面建造一个浅表的牵制地基。它可以在水平方向和垂直方向给地基一定的支撑力，增加地基的稳定性。然而，在地震带，这样的牵制地基易被移动和旋转，不但不能增加建筑物的稳定性，还会加剧建筑物的上下左右晃动，使柱子的地基发生转动，促使建筑物提前倒塌。在同一栋建筑物中，每个牵制地基的运动都不同，如此一来，牵制地基并不能给建筑物提供水平方向和垂直方向的支持，反而会撕裂建筑物。因此，柱子的地基应该用钢连接起来，从而防止柱子发生旋转，增加其抗震性能。地面上的横梁可以超出建筑物的边界，有效的减小了建筑物的高宽比，降低了建筑物被颠覆的可能性。这样的横梁也适合建在发射台、核反应炉以及船上。在松软的土地上，应该小心谨慎的选择其所能承受的压力，减小液化反应。
柱子和横梁之间各个方向的连接都要坚固。柱子要设计两种，分别承受来自两个不同方向的负荷。地震时，柱子不应该成为首先倒下的物体，在柱子倒下或连接松动之前，横梁应该可以旋转，成为可以活动的铰链。因为，如果连接松动了，柱子就会倒下，建筑物就会随之坍塌。相对而言，横梁形成铰链拖延了时间，吸收了能量，减小了充满能量的钢架的谐振频率。
将主梁固定在外围的柱子上必须用坚固的接头。这也意味着要加固连接。在连接点，我们要充分考虑到柱子内部的剪力，使连接在上下两个方向都牢固。连接处的螺钉不能在横梁和柱子毁坏之前坏掉。横梁在某些地方应该可以形成铰链，柱子就不会由于承受轴向负荷而倒下。如此一来，柱子可以倾斜，活动的铰链可以吸收能量，谐振频率发生改变，建筑物便不会倒塌。这些都会在地震发生的短时间内发生。虽然内部的柱子不能抵抗晃动，但是它们之间的连接也不可以在柱子和横梁毁坏之前松动。
最后，地板必须合适。较轻的传统覆层对于钢架来说是非常适合的。正如之前所讲，轻薄的房顶也是十分合适的。这样建筑物就具有了良好的抗震性。
没有什么东西可以抵抗任何地震。但是，REIDsteel在这里推荐的抗震建筑物可以给大家最大的生还机会，挽救更多生命，使大家在地震中更有安全感。
REIDsteel主编? 罗洛·里德

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