火箭技術(shù)研發(fā)抗震神器：可抵消80%能量

付毅飛

2017年9月，陜西省渭南市的一群孩子，走進(jìn)了剛剛竣工的大荔縣實(shí)驗(yàn)小學(xué)洛濱校區(qū)。新老師、新同學(xué)，以及三棟嶄新的教學(xué)樓讓他們頗感新鮮。但他們不知道，每棟教學(xué)樓下，都安裝了源于航天技術(shù)的隔震支座，能在地震時(shí)抵消80%左右的能量，保護(hù)他們的生命安全。

我國是世界上多地震的國家，也是蒙受地震災(zāi)害最為深重的國家之一。地震給人類帶來的災(zāi)難大多是由于建筑物的倒塌所致，因此，對(duì)各種建筑物進(jìn)行抗震設(shè)防，使其在地震中不損壞、不倒塌，是避免人員傷亡的關(guān)鍵。

目前，地震精確預(yù)測(cè)仍是世界難題，但航天科技集團(tuán)公司四院41所的科技人員，卻借助火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)了這款“抗震神器”，能有效減少地震造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。

地震中的“雜技演員”

來到洛濱校區(qū)新教學(xué)樓底部可以看到，30個(gè)隔震支座以6米為間距呈網(wǎng)狀分布，支撐著教學(xué)樓。

41所固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)首席專家尤軍峰介紹說，傳統(tǒng)抗震技術(shù)是借助鋼筋混凝土，把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢固地連接在一起。但這樣一來，地震能量會(huì)經(jīng)過基礎(chǔ)傳輸?shù)缴喜拷Y(jié)構(gòu)，使其發(fā)生振動(dòng)和變形。當(dāng)受力超過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，建筑便會(huì)被破壞。“地震波最厲害的就是橫波。”他說，“當(dāng)?shù)孛鏅M向擺動(dòng)時(shí)，建筑可能會(huì)瞬間倒塌。”

隔震技術(shù)是在不改變?cè)ㄖO(shè)計(jì)方案的前提下，在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間安裝支座作為隔震層。隔震支座豎向剛度和承載力很大，水平剛度卻很小，且具有很強(qiáng)的水平變形能力。同時(shí)它還具有恰當(dāng)?shù)淖枘岷头€(wěn)定的彈性復(fù)位功能。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，它就像腳踩滾筒、頭頂大缸的雜技演員，腳下跟隨橫波來回?cái)[動(dòng)，頂部卻穩(wěn)穩(wěn)地托舉著建筑物，能有效降低建筑物上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)而導(dǎo)致的變形，避免同頻共振帶來的破壞。如此減隔震體系，能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)自身、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物內(nèi)部設(shè)施“三重保護(hù)”，確保震后建筑物無須修復(fù)即可繼續(xù)使用。

航天人的材料配方

在西安市郊一座工廠里，煉膠師正像揉面一樣反復(fù)擠壓煉好的橡膠。這種橡膠的延伸率為600%，材質(zhì)達(dá)到了航天級(jí)橡膠的要求。反復(fù)擠壓則是為了讓橡膠里的配方充分融合。

隔震支座正是由35片厚度3毫米的橡膠與35張?zhí)胤N鋼板交替疊合，黏結(jié)而成的。41所將固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管柔性擺動(dòng)技術(shù)和工藝用于其中。

尤軍峰介紹說，隔震支座的工作原理與火箭柔性噴管很接近，既要有足夠的支撐力能扛起上面的建筑，又要有足夠的彈性和抗拉力，保證不會(huì)被拉斷。

其所用的橡膠配方是航天人的得意之作。尤軍峰說，固體火箭或?qū)椦b備一放就是10年甚至更久，對(duì)橡膠材料要求很高，老化、變硬或性能改變都不行。

因此，用這種橡膠制成的隔震支座，壽命能與建筑一樣長(zhǎng)，如果沒發(fā)生地震就不用更換。

在隔震支座研制中，四院耗時(shí)兩年多，在設(shè)計(jì)方法、超強(qiáng)抗老化高性能橡膠、高強(qiáng)度黏接劑、成型工藝、過程控制和產(chǎn)品性能等方面開展了大量研究。產(chǎn)品通過了華中科技大學(xué)的型式檢驗(yàn)，技術(shù)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

將為千家萬戶打造“安全島”

憑借有效的隔震減災(zāi)效果和較低的成本，隔震技術(shù)得到了國際上的認(rèn)可。特別是在新西蘭、日本、美國等，相關(guān)研究開展較早，技術(shù)水平較高。有數(shù)據(jù)顯示，在目前新建的房屋及房屋改造中，該技術(shù)在美國、意大利等國家的使用率達(dá)到10%以上，在日本甚至超過了50%。

在我國，隔震技術(shù)起步較晚，但逐漸受到重視。目前國內(nèi)建有隔震建筑3000多幢，比2005年統(tǒng)計(jì)數(shù)量翻了一番，其中云南省的隔震建筑面積占全國一半左右。2008年汶川大地震后，包括雅安的蘆山縣、寶興縣在內(nèi)，四川省超過50個(gè)災(zāi)后重建項(xiàng)目都使用了隔震技術(shù)。

從2014年起，國家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)文指出，各省、自治區(qū)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳需有序推進(jìn)減隔震技術(shù)的應(yīng)用，確保工程質(zhì)量。隨后甘肅、新疆、青海等地震高烈度地區(qū)對(duì)使用隔震技術(shù)做了強(qiáng)制規(guī)定，凡是位于抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度地區(qū)及地震災(zāi)后重建的4層至12層學(xué)校教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、醫(yī)院醫(yī)療用房、幼兒園、機(jī)場(chǎng)等人員密集的公共建筑，必須采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國約70億平方米的在建建筑面積需使用隔震設(shè)備，未來，該類產(chǎn)品將在公路、橋梁、船舶和核電設(shè)施等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，更將為千家萬戶打造地震中的“安全島”。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》）endprint