世界上许多城市坐落在地震高发区。因此,研究者们正在探索一种资源丰富且可再生的,比传统建筑材料更能抵抗地震的材料,来建造高层建筑。
木材抵御大地震的完美案例可追半岛电子溯到近一千年前的日本,日本是典型的地震高发区,当时的建筑多采用木材堆叠,建造了高达几十米的高层寺庙。
在结构上,他们使用了几种不同的方法来抵抗极端的震动,包括结构构件之间的松散连接,使得一些构件可以摇摆。
正如1997年《经济学人》的解释,结构的重量分布在有松散连接节点的楼板之间,并相互连接:“楼板之间的连接处是松散的木支架,让每一层都可以滑动。”
所有可以摇摆的楼板都由一种叫shinbashira的构件支撑,它是早期的一种巨型钢结构阻尼器,当今世界最高的建筑物也用到了这种阻尼器。
早期的工匠们通过反复试验,发现在一个巨大的侧向推力作用下,宝塔的各个楼层可以相互独立地横向滑动。
但是,如果它的中心柱建造得像一根很松的螺栓,每个层楼就会被限制住,在任一方向上都不会有太大的摆动,这是因为它们内部会撞击这个中心固定装置。
更妙的是,楼板内部与中心柱碰撞时,都会将部分能量传递到这根巨大的中心柱上半岛电子,再分散到地面。
美国政府投入大量资金,将木材推广为一种可再生资源。在开发了新的制造工艺后,将木材用于建造高楼。
去年,白宫发起了一项竞赛,奖励使用交错层积材(CLT)这种新型木材料建造高层建筑的设计师。
“据估计,在7-15层的建筑中使用CLT和新兴的木材加工技术,短期内的减排量等同于一年内200多万辆汽车的碳排量。”研究人员写道。
有一点被人们忽视了:与中国和日本的古建筑、古寺庙不同,一些应用了新型建造技术的木结构建筑,也非常能抵抗大地震。
以美国阿拉巴马大学的工程师们所进行的研究为例,该校唐恩道(Thang N. Dao)教授领导的一个团队正在做一项美国科学基金会(National Science foundation)资助的研究项目,研究高层木结构建筑的抗震性能。他们将传统的轻型木结构建筑与一种新的材料——交错层积材(CLT)——结合起来,进行抗震试验。
正如《全球建筑评论》(Global Construction Review)报道的那样,他们认为这两种木结构结合起来建造的高层建筑,其抗震能力比传统钢结构建筑要强。
CLT,由纹理相反的夹心层木材制成的一种工程木材料。由于板块之间的排布方式交错,CLT比实木更结实半岛电子。
CLT正在世界各地的高层木结构建筑中使用,但是阿拉巴马州的工程师们想要研究它如何抵抗地震。
他们将这种超强的、重型的CLT板材进行张力处理(用钢筋加固)后,再制作成半岛电子标准板材。
这种重型、刚性的CLT和较松、较轻的木材相结合,“能确保建筑的主要结构部分在地震中保持弹性,从而避免受到破坏,使整个建筑系统具有可恢复性”,工程师们说。
目前国内外正在对CLT这种材料进行研究。例如,研究学者在美国圣地亚哥大学(University of San Diego)的大型结构实验室,用一个大型的振动台模拟大地震,对混合结构建筑进行测试。
而阿拉巴马州的研究小组研究高层木结构建筑的抗震性能,这是一个相当新颖的概念。
新型的交错层积材(CLT)具有十分可观的力学性能,木材是建造抗震建筑的优良材料,也是未来建材业的趋势。