地震發生時,到底是住在高層安全還是低層安全?看看專…


地震發生時,到底是住在高層安全還是低層安全?看看專家怎麼說?的頭圖

地震發生時,到底是住在高層安全還是低層安全?看看專家怎麼說?

新西蘭克馬德克群島(Kermadec Islands)從3月5日凌晨2點27分開始,連發三次地震,從7.1級到7.4級到早上8點28分的8.1級地震,之後還有一大波餘震,儘管震中位於海上,但克馬德克群島上震感非常強烈,由於海嘯威脅,民眾被警告不要呆在家中,必須往高處轉移!

新西蘭地震,又讓大家回憶起汶川以及更早的唐山地震,在地球上,由於地殼的特殊結構,地震是無法避免的,只是有地震高發地區和低發區的差異,但無論在哪裡,建築物都越造越高,這高層建築防震是怎麼處理的,住在高層安全還是底層更安全?

全球高樓到底有多少?

全球已經建成或正在建設的500米以上的摩天大樓超過19座,其中超過1000米的王國塔(另一數據是999.74M),800-1000米的有一座,600-800米的有5座, 500-600米的有12座!低於500米的,那數量實在是太多了,根本就數不過來!

橙色的已建成,黃色的在建中

從某個角度來看,高層建築已經成為了一個國家發達程度的象徵,所以在未來高層建築只會增加,不會減少!比如從2000年以前,國內二三線城市很少見到小高層的住宅樓,但現在,連個小縣城的住宅樓盤開發,都是小高層!

當然除了建築技術進步以外,更多的還是高層建築密度更高,可以高效利用土地面積,當然伴隨而來的也是維護成本增加,而在大家的印像中,地震時候危險也相應的增加。並且高樓一旦在地震後坍塌,救援是非常困難的。

那麼哪些地方又是地震高發區呢?

一般地震高發區位於板塊與板塊之間的俯衝帶,板塊內部的斷裂帶以及火山周圍,一般板塊邊緣的俯衝帶會存在大量火山,有火山一般伴隨地震,但地震卻和火山沒有直接關係。全球地震帶如下圖所示:

全球地震帶分佈

太平洋周圍地震帶分佈是最密集的,包括2021年3月5日新西蘭的地震也是在太平洋地震帶上。

2020年6級以上地震分佈,基本上和地震帶分佈重疊。各位只要稍稍做個對比,很多高層或者超高層建築就位於這些地震帶上或者附近不遠。

建築物抗震等級是怎麼回事?高層如何抗震?

儘管位於地震帶上,但高樓卻依然在建設,這有兩個因素,第一個是地震並不是時時刻刻發生,很多發生過強震的區域可能100年都不會再地震,這是好了傷疤忘了疼的典型,而另一個因素則是建築物也會有相應的抗震設計,比如在地震低發區和高發區的抗震等級明顯是不一樣的!

其實高層建築物抗震結構有兩類,一類是抗震,另一類則是抗風,不知道各位有沒有發現,從上世紀早期的那種長板形高層結構(比如聯合國大廈)越來越少見了,取而代之的是各種線條優美,造型非常別緻的高層建築,這就是抗風設計,當然也不能如此簡單理解,下面分兩個方面簡單分析:

建築物如何抗震?

我國建築物根據重要性和設防類別,將結構類型與抗震烈度和房屋高度等將抗震烈度分為一至四級,分別對應很嚴重、嚴重、較嚴重及一般等四個級別!

地震設防烈度:指的是一個地區50年內超過10%概率的地震烈度!

建築物結構類型的差異,比如同樣在7度設防的地域:

1、低於24米的抗震等級要求為三級

2、大於24米的抗震等級要求為二級

3、大跨度框架結構,不論高度均為二級

根據這些要求,建築會從建築物修形、結構阻尼以及主動抗震這三個類型來主動對抗風阻以及地震造成對建築物的晃動,讓這些風阻變形以及地震波的能量消耗在建築物的抗震阻尼設計中,有一個動圖很容易可以理解這種阻尼的作用!

上圖中三種就是典型的建築,第一種是盡量將建築物建設得更牢固,但在它承受極限內,建築物會保證安全,但可能會造成結構損傷,或者輕微的地震在頂層可能會晃得人頭暈,因為這種建築沒有抗震考慮,只是一味的增加強度,當成一個剛體來設計的。

結構阻尼

第二種是結構阻尼,它的原理是在框架結構之間增加液壓阻尼,留出變形間隙,在建築物晃動時,結構形變後利用液壓作動筒吸收能量,將建築物的振動消除於無形,一般類似的結構也用在大橋以及其他需要抗震防震的建築物上。

各種阻尼器

主動抗震

最頂級的就是主動抗震了,在高樓頂部設計一個幾十噸的阻尼器,然後用計算機控制,對來自建築物各個位置形變的參數主動位移,將大廈的晃動消除主動消除,和前兩種抗震性能相比,後者性能要好得多,一般都能將建築晃動限制在安全級別以下。

上海大廈的主動阻尼器

低層建築只要增加強度抗震即可,中低層建築會有結構阻尼加強抗震設計,而高層與超高層設計則無一例外地採用了阻尼抗震+主動抗震設計,當然主動抗震的成本也要高得多,但就像整棟大樓的定心錨一樣,它能為高層建築里工作的人員帶來極佳的體驗,所以它會越來越普及。

台北101大廈阻尼器工作中

建築物如何抗風?

其實抗風和抗震在內部結構處理上是一樣的,唯一不同的是抗風需要在建築物外形上修形,比如建築物模型會在風洞中吹一吹,模擬建築所在地可能會經歷的幾種風速,各個方向上都會模擬,盡量模擬出現實中可能發生的情況。

比如世貿大廈在設計時發現玻璃幕牆+輕鋼龍骨結構,沒有隔牆提供剛度和阻尼,地震或者強風時達到體感非常不適的程度,因此專門設計了風洞實驗,取得瞭如何振動的數據,在樓面桁架的下弦與外框筒之間,安裝了粘彈性阻尼器(由3M公司生產),以降低強風時的振動。

粘彈性阻尼器安裝示意圖

哈利法塔的結構工程師比爾·貝克(Bill Baker)說:“高樓最重要的因素就是風。”當風經過流線型物體時,比如一棵樹或一個路燈燈柱,它會變成一股有組織的突風,先向左旋,再向右旋,再向左旋,在行進中不斷改變方向,迫使物體搖晃。如果不處理,在強風下,哈利法塔朝一個方向的搖晃範圍高達五英尺。

所以抗風設計和抗震設計同樣重要,一般建築物抗風都是設計不規則的形狀,讓風的流場混亂,失去組織性,避免在建築物各種外形下形成強風破壞建築,而現代建築高樓林立後還會形成新的威脅,這可能會威脅到早先建成的建築,所以建築物抗風設計是個永恆的話題。

高層與低層,哪個更安全?

在低於設防烈度的地震下,而且建築物設計完全經受住了考驗,那麼兩者安全等級是一樣的,甚至高層建築還會更安全,但如果同樣在破壞性地震的條件下,比如高層和底層都出現了坍塌,那麼救援明顯不如低層來得更方便,比如在2015年巨石強森的《末日崩塌》中就完全體現了這一點,儘管影片中的地震有些誇張,但在極端情況下仍然具有參考價值。

相對地震而言,高層建築更怕火災,因為高層建築救援十分困難,沒有登高車可以到達那裡,比如像911中坍塌的世貿大廈,大火中有很多民眾從樓上往下跳,因為大火已經燒到無路可退,而後來航空煤油的燃燒融化了鋼架結構,造成頂層下下坍塌,下層無法承受而突然坍塌,就像定向爆破一樣幾乎從頂部開始直接向下潰縮,那個過程實在太可怕。

另外高層建築產生的火炬效應會讓高層人員逃生十分困難,比如1980年11月21日,拉斯維加斯26層的米高梅賭場大酒店發生大火,火災發生在一樓的餐廳,後蔓延到隔壁的老虎機賭場,拉斯維加斯和亨德森消防局,還有內利斯空軍基地出動的消防力量,在幾個小時內就將其撲滅,火災控制在了一樓,連二樓都沒有蔓延上去!

但最後的教訓卻是慘痛的,一樓賭場傷亡18人,這可以理解,因為賭場燒得最慘,大量的非阻燃材料讓火災蔓延十分迅速,人員無法逃生,但另外卻有61人死於11層以上的高樓,因為火災產生的煙霧通過建築物的各種通道比如強電、弱電還有通風系統等蔓延到了高層,而且越高影響越大。

很多人在睡夢中就嗆入濃煙窒息而死,還有人死在樓梯間,因為上下相通的樓道也成了濃煙向上散發的通道,這次火災後美國高層建築消防設計進行了大幅修改,但即使如此,高層建築的大火重在預防,而救援一直都會是個難題!

所以,到底是低層安全還是高層安全,相信各位已經有了一個判斷!