滾珠式基座抗震樓的模擬實驗

崔 偉

（揚州中學教育集團樹人學校，江蘇揚州225000）

1 引 言

地震中由縱波、橫波和面波共同對建筑物產生破壞作用.縱波是推進波，傳播速度快，衰減也快，使地面上下顛動，破壞性比較弱.橫波是剪切波，傳播速度慢，衰減也慢，破壞的持續時間長，它使地面發生前后、左右的大振幅晃動，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產生的混合波，其波長長、振幅大，只能沿地表面傳播，它能引起建筑物扭動，也有相當大的破壞力.更由于房屋的慣性大，橫波使地面移動時，上部依舊保持著靜止狀態，加上面波對建筑物的扭動作用，地震時就往往發現房屋會從中間斷開.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，由滾珠支撐整個建筑，縱橫交錯的鋼梁把建筑物同地基緊緊地固定在一起.當發生地震時，富有彈性的鋼梁會自動伸縮，于是大樓在滾珠上會輕微地前后滑動，這樣就大大減弱了地震對房屋的破壞力.

為了減小地震所產生的橫波和面波對建筑物的破壞作用，根據“滾珠大樓”的設計原理，開展了滾珠式基座抗震樓模擬實驗研究.

2 實驗裝置

圖1 抗震樓模擬實驗裝置

經過多次實驗改進，設計和制作了5層抗震樓模擬實驗裝置，如圖1所示.抗震樓模型的頂層內掛1個小球，小球在晃動時一般不發光，只有與墻壁碰撞時才發光.抗震樓模型的第4層，用一個螺母穿在固定好的細導線中間，模擬地震時用來觀察螺母來回移動的距離.抗震樓模型的第3層，在挖有孔的紙板上放置少許玻璃球，模擬地震時用來觀察玻璃球位置的移動情況.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，模擬地震時用來觀察鐵塊的擺動情況.抗震樓模型的底層，放置1個塑料小瓶，內裝90%的水，底部用雙面膠與房屋模型1層固定，在模擬地震時觀察水的溢出情況.地震模擬盤內部裝有連桿，它能將電動機的轉動轉換為模擬盤的平動.圖2所示是模擬振動裝置，有電動機、調速器、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個刻度：一個是模擬盤移動幅度的標志性刻度；另一個是指針擺動幅度的標志性刻度.它能控制模擬樓的晃動幅度.

圖2 模擬振動裝置

圖3 滾珠式基座

圖4 刻度盤與指針

3 安裝調試

1）把地面支架平穩地放置在實驗區域，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）將電動機和調速器固定在振動盤支架上，安裝皮帶并調節皮帶松緊度，在調速器的頂部軸上安裝1根可以調節旋轉半徑的橫桿，桿的另一端與地震模擬盤上滾珠軸承的軸活動連接，把地震模擬盤放置在振動盤支架上，滾珠軸承在上面滾動即可.

3）把裝有90%水的塑料小瓶、小鐵塊、玻璃球、螺母和發光小球的5個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.

4）最后進行電路安裝和調試.

4 模擬實驗

4.1 模擬地震對常規地基樓房的實驗

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的狀態）使其不能在模擬盤上前后左右運動.把樓房模型放置在滾珠基座上，座槽內用橡皮筋固定.

1）將地震模擬盤擺動幅度控制在0～6cm，頻率為2～3Hz.觀察到的現象是：指針隨著晃動幅度的大小做相同距離的移動，指針指示到的范圍為－15～15cm，由于地震模擬盤移動對房屋模型所產生的影響，5個來回后房屋模型1層與滾珠式基座發生左右分離的現象，房屋模型在滾珠式基座上左右跳動，房屋模型出現整體傾斜的現象.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做反方向的晃動，房屋模型3層內玻璃球在開始4s沒有發生位移，后隨著房屋模型在滾珠式基座上左右跳動，玻璃球全部移動，并在底座里面滾動.房屋模型4層內螺母在線上作較大幅度的移動，頂層小球在較大幅度擺動，但尚未發光.

2）將地震模擬盤擺動幅控制在0～12cm，頻率2～3Hz.觀察到的現象是：指針隨著晃動幅度的大小作相同距離的移動，指針指示到的范圍為－15～15cm，2個來回后房屋模型1層與滾珠式基座發生左右分離的現象，房屋模型在滾珠式基座上下跳動，滾珠式基座也在地震模擬盤上作上下跳動.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做反方向的大力晃動，房屋模型3層內玻璃球在開始4s后發生位移，玻璃球全部移位并在底座里面滾動.房屋模型4層內螺母在線上作更大幅度的移動，頂層小球與墻壁碰撞而發光.房屋模型從2層處斷開，導致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驗

將滾珠基座置于地震模擬盤上，把4個角用橡皮筋和地震模擬盤4個角相連（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定），把樓房模型放置在滾珠基座上，座槽內用橡皮筋固定.

1）將地震模擬盤擺動幅控制在0～6cm，頻率2～3s－1.觀察到的現象是：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（玻璃球在兩者之間滾動）.所以房屋模型1層與滾珠式基座沒有發生左右分離的現象，房屋模型在滾珠式基座上沒有左右跳動，房屋模型沒有整體傾斜的現象.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作反方向晃動，房屋模型3層內玻璃球沒有發生位移.由于地震模擬盤不是完全水平運動，所以滾珠基座在地震模擬盤上出現了少許上下跳動現象.房屋模型4層內螺母在線上作較小幅度的移動，頂層小球在較小幅度擺動，沒有發光.

2）將地震模擬盤擺動幅控制在0～12cm，頻率為2～3s－1.觀察到的現象是：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生左右分離的現象，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作反方向晃動，房屋模型3層內玻璃球沒有發生位移.與中等力量左右晃動地震模擬盤時相比，沒有明顯的區別，只是地震模擬盤晃動的頻率加快了.房屋模型4層內螺母在線上移動的幅度不大，頂層小球擺動幅度也不大，沒有發光.

5 分析論證

通過實驗現象對比，發現無滾珠基座和有滾珠基座在晃動時產生的差異非常明顯.有滾珠基座的樓房在地震時能有效地減小振動幅度，可達到抗震的效果.

1）在滾珠基座不能自由滑動的情況.當地震模擬盤從右向左晃動時，滾珠基座和房屋模型同樣也要向左移動，當它們同時移動到某一位置時，突然地震模擬盤開始向右移動，由于慣性，滾珠基座和房屋模型還在向左移動，此時地震模擬盤對滾珠基座和房屋模型就會產生向右的剪切力，使房屋模型向左傾斜.同時瞬間地震模擬盤又向左移動對滾珠基座又產生向左的剪切力，這樣往復多次.而滾珠基座和房屋模型是被固定的，所以就會出現滾珠基座和房屋模型的上下跳動.如在現實的地震中建筑物底部就會被切斷，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原因.

2）在滾珠基座能夠自由滑動的情況.當地震模擬盤從右向左晃動時，滾珠基座里的玻璃球同樣也會向右滾動，此時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，玻璃球始終在它和滾珠基座之間來回滾動，來消除剪切力對建筑物的破壞.所以有滾珠基座時，可以降低地震時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，當建筑物需要搬家時，滾珠基座還能使建筑物水平移動，減少拆遷費用和建筑垃圾.