圓柱殼體建筑單元及其構(gòu)成的低成本模塊式抗震建筑

宋子雄

摘 要：在國際抗震建筑物工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，從較低矮堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，到細(xì)高彈性結(jié)構(gòu)，再到減震基礎(chǔ)等設(shè)計(jì)思想，以及新型建材的開發(fā)應(yīng)用，取得了很大進(jìn)步。本文重點(diǎn)提出一種新的抗震理念——“主動破壞式減震法”，由圓柱殼體單元與中心長方體樓房組合的低成本模塊式抗震建筑物，包括：基礎(chǔ)之上設(shè)有砂礫摩擦阻尼層，再其上布置有中心長方體樓房，且兩側(cè)堆有多個圓柱殼體單元，它們均由多根多種彈性拉筋相連（包括A拉筋、B拉筋、C拉筋、D、E等N拉筋）；建筑物外側(cè)設(shè)有外形限制框架。在火災(zāi)、水災(zāi)、和日常隔音、節(jié)能、環(huán)保等方面都采用了一些特殊結(jié)構(gòu)和成果，為人們提供一種低成本、安全、舒適的工作、生活建筑。

關(guān)鍵詞：抗震 低成本建筑物 模塊式建筑物

中圖分類號：TU35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0160-02

地震是地球上的一種自然現(xiàn)象，全世界每年發(fā)生約100萬次地震，對人類造成嚴(yán)重地震災(zāi)害的平均每年達(dá)到10次以上。其中構(gòu)造地震占發(fā)生地震的90%以上，是造成地震災(zāi)害的主要地震，也是房屋建筑及其他工程抗震設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的地震。設(shè)計(jì)建造抗震能力更高、成本更低、節(jié)能、環(huán)保、美觀、舒適的建筑物，一直是人們的追求。

1 研究與驗(yàn)證

1.1 管子（堆）的特性

眾所周知，管狀物體的圓周方向各向同性、整體性好、受力和傳力的面積大而均勻（破壞沖擊力可以被分散）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，彈性強(qiáng)、不宜發(fā)生嚴(yán)重的破壞、單位容積的殼體材料較為節(jié)省（僅大于球形），且易于制造，成本低。

1.2 車輪

管狀物體應(yīng)用最成功的范例當(dāng)屬車輪，除了橡膠輪胎的彈性和吊掛系統(tǒng)的減震作用外，其圓形外形對減震（減少沖擊力）起到了關(guān)鍵的作用。這證明只要滾動速度不太大，圓形物體具有很高的化解沖擊力的作用。

1.3 圓筒混料機(jī)

圓筒混料機(jī)是工業(yè)上常用的設(shè)備，其內(nèi)的物料只發(fā)生滾動和滑動，而沒有巨大的沖擊力。

1.4 管堆滾落試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模毫私夤茏佣训乃涮攸c(diǎn)和過程，從中發(fā)現(xiàn)有價值的結(jié)果和問題，并探索解決方法。

試驗(yàn)用品：香煙若干支，香煙盒兩個。

試驗(yàn)方法和過程：反復(fù)將香煙若干支堆成房脊形，自動或在外力的作用下，使其塌落。

試驗(yàn)結(jié)論與分析：

（1）香煙的長徑比為10∶1，在堆高小于0.6倍管子長度時，就不易出現(xiàn)沿管子軸線方向的傾翻（這種傾翻的破壞力很大，是必須徹底防止的），而很容易發(fā)生圓周方向的滾動（這種滾動的破壞力很小，是有利于保護(hù)內(nèi)部物體的），這種現(xiàn)象符合力矩力臂的原理。單根管子的重心在管子正中間，管子堆的宏觀重心也在堆中間，因此在可預(yù)計(jì)發(fā)生的最大軸線方向位移后（唐山大地震持續(xù)時間23s），也不易出現(xiàn)上面的管子的重心移到堆外的情況。因此管子的長徑比應(yīng)足夠大，是設(shè)計(jì)的重要原則。

（2）上部的管子如果沿管子堆外面直接滾落，破壞力也會很大，也必須徹底防止發(fā)生這種運(yùn)動狀態(tài)。通過靜態(tài)力學(xué)分析：只要附加較小的水平力就可以防止這種運(yùn)動，可以通過設(shè)計(jì)低造價的外形限制框架和拉筋來達(dá)到要求。

（3）在相鄰兩根管子的純間距接近管子直徑時，其上的管子的滑落才開始加速，此時的下落高度也小于管子半徑，只要有不同種類的多根拉筋，接力控制和減緩這種運(yùn)動速度，也可以達(dá)到減小破壞力的效果。

（4）在光滑剛性平面上，管子堆比較容易滾落，而其上有小量散落的煙絲時，就比較容易堆好，由此啟發(fā)研究人員又墊了一層毛巾，情況更好了。這說明不大的摩擦阻力或水平外力就可以控制和減慢這種運(yùn)動速度。結(jié)合前人所用的建筑隔震層，想到了砂礫層的摩擦、阻尼、緩沖作用。

（5）堆砌過程中發(fā)現(xiàn)，只要有部分相鄰管子之間存在很小的縫隙，則管子堆就很容易自動滾落，通過受力分析發(fā)現(xiàn)，最外面的管子比較容易出現(xiàn)向外的過剩水平分力，但不會很大。

（6）管子堆雖然很容易發(fā)生滾落運(yùn)動，卻比較容易控制和減慢這種運(yùn)動的速度，如果用這種運(yùn)動來減緩和消耗超級地震的破壞力，比較容易達(dá)到目的，造價也會較低。管子堆其他方向（破壞力較大）的運(yùn)動也比較容易防止。這比人們印象中堅(jiān)固的矩形框架樓具有更多的優(yōu)點(diǎn)。看似松散的管子堆，再散一下也不會出大問題了，看似堅(jiān)固的矩形框架樓，一旦破壞了就是巨大的災(zāi)難。

1.5 小模型試驗(yàn)、局部放大模型試驗(yàn)

通過小模型試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論，完善了整體建筑物外形的優(yōu)化，形成了一種低成本模塊式抗震建筑物的設(shè)計(jì)理念。通過局部放大模型試驗(yàn)，進(jìn)一步完善了各種拉筋和圓柱殼體單元滾輪的設(shè)計(jì)思想。

2 圓柱殼體單元

具體情況見圖1。

3 新思維連接——低成本拉筋思想：

（1）A拉筋的設(shè)計(jì)思想是，在地震烈度9度以下時，只保持彈性變形和受力，并與多層材料的摩擦阻尼和緩沖作用一起，可大幅度耗損地震能量，從而保證整體建筑在設(shè)計(jì)允許的彈性范圍內(nèi)運(yùn)動，而不明顯破壞，災(zāi)后不需維修或維修費(fèi)用極低；在地震烈度9度以上時，發(fā)生塑性變形，進(jìn)而斷裂，為圓柱殼體單元發(fā)生滾動塌落提供空間。

（2）B拉筋的設(shè)計(jì)思想是，在地震烈度9度以下時，不受力；在地震烈度9度以上或強(qiáng)力爆炸時、A拉筋斷裂后，B拉筋在較大的摩擦阻力下開始逐步被拉伸，并較慢地增加拉力，此拉力兜住和限制了上層的圓柱殼體單元，防止其發(fā)生劇烈沖擊或快速的塌落，當(dāng)上層的圓柱殼體單元塌落0.2～0.3直徑高度時（此范圍可調(diào)），B拉筋開始發(fā)生塑性變形，進(jìn)而斷裂。

（3）C、D、E、n-1、N-1拉筋的設(shè)計(jì)思想同上。為節(jié)省篇幅，按上述設(shè)計(jì)思想，可設(shè)計(jì)更多種拉筋，即各種拉筋接力交替，使圓柱殼體單元的緩慢滾動塌落過程持續(xù)得到控制。

4 結(jié)語

按本文設(shè)計(jì)建造的圓柱殼體建筑單元及其構(gòu)成的低成本模塊式抗震建筑物（見圖2），具有超強(qiáng)的抗震（強(qiáng)力爆破）能力，也具有很強(qiáng)的消防、節(jié)能、環(huán)保、應(yīng)對水災(zāi)等功能，且降低了建造成本，可為普通民眾提供一個新穎安全舒適的生活工作環(huán)境，因其獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)，還有望成為城市的地標(biāo)性建筑物，能夠?yàn)槟壳暗兔缘姆康禺a(chǎn)行業(yè)注入一股新鮮空氣。

參考文獻(xiàn)

[1] GB5 0011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB5 0009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] GB5 0223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.