滾珠式基座抗震樓的模擬實(shí)驗(yàn)

崔 偉

（揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校，江蘇揚(yáng)州225000）

1 引 言

地震中由縱波、橫波和面波共同對建筑物產(chǎn)生破壞作用.縱波是推進(jìn)波，傳播速度快，衰減也快，使地面上下顛動(dòng)，破壞性比較弱.橫波是剪切波，傳播速度慢，衰減也慢，破壞的持續(xù)時(shí)間長，它使地面發(fā)生前后、左右的大振幅晃動(dòng)，對建筑物造成極大的破壞力.面波是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長長、振幅大，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ芤鸾ㄖ锱?dòng)，也有相當(dāng)大的破壞力.更由于房屋的慣性大，橫波使地面移動(dòng)時(shí)，上部依舊保持著靜止?fàn)顟B(tài)，加上面波對建筑物的扭動(dòng)作用，地震時(shí)就往往發(fā)現(xiàn)房屋會(huì)從中間斷開.美國硅谷的“滾珠大樓”采用的是在建筑物每根柱子或墻體下安裝不銹鋼滾珠，由滾珠支撐整個(gè)建筑，縱橫交錯(cuò)的鋼梁把建筑物同地基緊緊地固定在一起.當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，富有彈性的鋼梁會(huì)自動(dòng)伸縮，于是大樓在滾珠上會(huì)輕微地前后滑動(dòng)，這樣就大大減弱了地震對房屋的破壞力.

為了減小地震所產(chǎn)生的橫波和面波對建筑物的破壞作用，根據(jù)“滾珠大樓”的設(shè)計(jì)原理，開展了滾珠式基座抗震樓模擬實(shí)驗(yàn)研究.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 抗震樓模擬實(shí)驗(yàn)裝置

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，設(shè)計(jì)和制作了5層抗震樓模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示.抗震樓模型的頂層內(nèi)掛1個(gè)小球，小球在晃動(dòng)時(shí)一般不發(fā)光，只有與墻壁碰撞時(shí)才發(fā)光.抗震樓模型的第4層，用一個(gè)螺母穿在固定好的細(xì)導(dǎo)線中間，模擬地震時(shí)用來觀察螺母來回移動(dòng)的距離.抗震樓模型的第3層，在挖有孔的紙板上放置少許玻璃球，模擬地震時(shí)用來觀察玻璃球位置的移動(dòng)情況.把用鑰匙鏈連接的小鐵塊吊裝在抗震樓模型的第2層，下面放置1塊磁鐵，通常情況下，小鐵塊被磁鐵吸引而不動(dòng)，模擬地震時(shí)用來觀察鐵塊的擺動(dòng)情況.抗震樓模型的底層，放置1個(gè)塑料小瓶，內(nèi)裝90%的水，底部用雙面膠與房屋模型1層固定，在模擬地震時(shí)觀察水的溢出情況.地震模擬盤內(nèi)部裝有連桿，它能將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為模擬盤的平動(dòng).圖2所示是模擬振動(dòng)裝置，有電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、皮帶等.滾珠式基座如圖3所示，抗震樓模型就安裝在滾珠式基座上.圖4所示是刻度盤與指針，刻度盤上有2個(gè)刻度：一個(gè)是模擬盤移動(dòng)幅度的標(biāo)志性刻度；另一個(gè)是指針擺動(dòng)幅度的標(biāo)志性刻度.它能控制模擬樓的晃動(dòng)幅度.

圖2 模擬振動(dòng)裝置

圖3 滾珠式基座

圖4 刻度盤與指針

3 安裝調(diào)試

1）把地面支架平穩(wěn)地放置在實(shí)驗(yàn)區(qū)域，把滾珠軸承水平放置在支架的軸上，如圖5所示.

圖5 滾珠軸承

2）將電動(dòng)機(jī)和調(diào)速器固定在振動(dòng)盤支架上，安裝皮帶并調(diào)節(jié)皮帶松緊度，在調(diào)速器的頂部軸上安裝1根可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑的橫桿，桿的另一端與地震模擬盤上滾珠軸承的軸活動(dòng)連接，把地震模擬盤放置在振動(dòng)盤支架上，滾珠軸承在上面滾動(dòng)即可.

3）把裝有90%水的塑料小瓶、小鐵塊、玻璃球、螺母和發(fā)光小球的5個(gè)房屋模型從下到上放置，并與滾珠式基座上鐵銷固定，使其無法滑動(dòng).

4）最后進(jìn)行電路安裝和調(diào)試.

4 模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 模擬地震對常規(guī)地基樓房的實(shí)驗(yàn)

將滾珠基座置于地震模擬盤上，用2塊泡沫板左右卡緊滾珠基座（模擬建筑物地基固定時(shí)的狀態(tài)）使其不能在模擬盤上前后左右運(yùn)動(dòng).把樓房模型放置在滾珠基座上，座槽內(nèi)用橡皮筋固定.

1）將地震模擬盤擺動(dòng)幅度控制在0～6cm，頻率為2～3Hz.觀察到的現(xiàn)象是：指針隨著晃動(dòng)幅度的大小做相同距離的移動(dòng)，指針指示到的范圍為－15～15cm，由于地震模擬盤移動(dòng)對房屋模型所產(chǎn)生的影響，5個(gè)來回后房屋模型1層與滾珠式基座發(fā)生左右分離的現(xiàn)象，房屋模型在滾珠式基座上左右跳動(dòng)，房屋模型出現(xiàn)整體傾斜的現(xiàn)象.房屋模型1層塑料瓶瓶口有少許水流出.房屋模型2層小鐵塊克服了磁力作用，隨著地震模擬盤移動(dòng)做反方向的晃動(dòng)，房屋模型3層內(nèi)玻璃球在開始4s沒有發(fā)生位移，后隨著房屋模型在滾珠式基座上左右跳動(dòng)，玻璃球全部移動(dòng)，并在底座里面滾動(dòng).房屋模型4層內(nèi)螺母在線上作較大幅度的移動(dòng)，頂層小球在較大幅度擺動(dòng)，但尚未發(fā)光.

2）將地震模擬盤擺動(dòng)幅控制在0～12cm，頻率2～3Hz.觀察到的現(xiàn)象是：指針隨著晃動(dòng)幅度的大小作相同距離的移動(dòng)，指針指示到的范圍為－15～15cm，2個(gè)來回后房屋模型1層與滾珠式基座發(fā)生左右分離的現(xiàn)象，房屋模型在滾珠式基座上下跳動(dòng)，滾珠式基座也在地震模擬盤上作上下跳動(dòng).房屋模型1層塑料瓶瓶口有較多的水溢出.房屋模型2層小鐵塊克服了磁力作用，隨著地震模擬盤移動(dòng)做反方向的大力晃動(dòng)，房屋模型3層內(nèi)玻璃球在開始4s后發(fā)生位移，玻璃球全部移位并在底座里面滾動(dòng).房屋模型4層內(nèi)螺母在線上作更大幅度的移動(dòng)，頂層小球與墻壁碰撞而發(fā)光.房屋模型從2層處斷開，導(dǎo)致2層以上的房屋模型傾倒.

4.2 模擬地震對滾珠地基抗震樓的實(shí)驗(yàn)

將滾珠基座置于地震模擬盤上，把4個(gè)角用橡皮筋和地震模擬盤4個(gè)角相連（在正常情況下可以保持滾珠式基座和地震模擬盤的位置相對穩(wěn)定），把樓房模型放置在滾珠基座上，座槽內(nèi)用橡皮筋固定.

1）將地震模擬盤擺動(dòng)幅控制在0～6cm，頻率2～3s－1.觀察到的現(xiàn)象是：指針指示到的范圍為－8～8cm，由于地震模擬盤與滾珠基座之間的相對滑動(dòng)（玻璃球在兩者之間滾動(dòng)）.所以房屋模型1層與滾珠式基座沒有發(fā)生左右分離的現(xiàn)象，房屋模型在滾珠式基座上沒有左右跳動(dòng)，房屋模型沒有整體傾斜的現(xiàn)象.房屋模型1層塑料瓶瓶口沒有水溢出.房屋模型2層小鐵塊沒有克服磁力作用，沒有隨著地震模擬盤移動(dòng)作反方向晃動(dòng)，房屋模型3層內(nèi)玻璃球沒有發(fā)生位移.由于地震模擬盤不是完全水平運(yùn)動(dòng)，所以滾珠基座在地震模擬盤上出現(xiàn)了少許上下跳動(dòng)現(xiàn)象.房屋模型4層內(nèi)螺母在線上作較小幅度的移動(dòng)，頂層小球在較小幅度擺動(dòng)，沒有發(fā)光.

2）將地震模擬盤擺動(dòng)幅控制在0～12cm，頻率為2～3s－1.觀察到的現(xiàn)象是：指針指示到的范圍也為－8～8cm，房屋模型1層與滾珠式基座沒有發(fā)生左右分離的現(xiàn)象，1層塑料瓶瓶口沒有水溢出.房屋模型2層小鐵塊沒有克服磁力作用，沒有隨著地震模擬盤移動(dòng)作反方向晃動(dòng)，房屋模型3層內(nèi)玻璃球沒有發(fā)生位移.與中等力量左右晃動(dòng)地震模擬盤時(shí)相比，沒有明顯的區(qū)別，只是地震模擬盤晃動(dòng)的頻率加快了.房屋模型4層內(nèi)螺母在線上移動(dòng)的幅度不大，頂層小球擺動(dòng)幅度也不大，沒有發(fā)光.

5 分析論證

通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比，發(fā)現(xiàn)無滾珠基座和有滾珠基座在晃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的差異非常明顯.有滾珠基座的樓房在地震時(shí)能有效地減小振動(dòng)幅度，可達(dá)到抗震的效果.

1）在滾珠基座不能自由滑動(dòng)的情況.當(dāng)?shù)卣鹉M盤從右向左晃動(dòng)時(shí)，滾珠基座和房屋模型同樣也要向左移動(dòng)，當(dāng)它們同時(shí)移動(dòng)到某一位置時(shí)，突然地震模擬盤開始向右移動(dòng)，由于慣性，滾珠基座和房屋模型還在向左移動(dòng)，此時(shí)地震模擬盤對滾珠基座和房屋模型就會(huì)產(chǎn)生向右的剪切力，使房屋模型向左傾斜.同時(shí)瞬間地震模擬盤又向左移動(dòng)對滾珠基座又產(chǎn)生向左的剪切力，這樣往復(fù)多次.而滾珠基座和房屋模型是被固定的，所以就會(huì)出現(xiàn)滾珠基座和房屋模型的上下跳動(dòng).如在現(xiàn)實(shí)的地震中建筑物底部就會(huì)被切斷，在汶川大地震中許多樓房的1～2層被切掉，3～4層樓變成一樓就是這個(gè)原因.

2）在滾珠基座能夠自由滑動(dòng)的情況.當(dāng)?shù)卣鹉M盤從右向左晃動(dòng)時(shí)，滾珠基座里的玻璃球同樣也會(huì)向右滾動(dòng)，此時(shí)房屋模型與地震模擬盤始終保持垂直，無論地震模擬盤前后左右如何晃動(dòng)，玻璃球始終在它和滾珠基座之間來回滾動(dòng)，來消除剪切力對建筑物的破壞.所以有滾珠基座時(shí)，可以降低地震時(shí)對房屋起破壞作用的橫向沖擊，消除剪切力，起到抗震作用.另外，當(dāng)建筑物需要搬家時(shí)，滾珠基座還能使建筑物水平移動(dòng)，減少拆遷費(fèi)用和建筑垃圾.