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地震发生时,到底是住在高层安全还是低层安全?看看专家怎么说?

新西兰克马德克群岛(Kermadec Islands)从3月5日凌晨2点27分开始,连发三次地震,从7.1级到7.4级到早上8点28分的8.1级地震,之后还有一大波余震,尽管震中位于海上,但克马德克群岛上震感非常强烈,由于海啸威胁,民众被警告不要呆在家中,必须往高处转移!

新西兰地震,又让大家回忆起汶川以及更早的唐山地震,在地球上,由于地壳的特殊结构,地震是无法避免的,只是有地震高发地区和低发区的差异,但无论在哪里,建筑物都越造越高,这高层建筑防震是怎么处理的,住在高层安全还是底层更安全

全球高楼到底有多少?

全球已经建成或正在建设的500米以上的摩天大楼超过19座,其中超过1000米的王国塔(另一数据是999.74M),800-1000米的有一座,600-800米的有5座,500-600米的有12座!低于500米的,那数量实在是太多了,根本就数不过来!

橙色的已建成,黄色的在建中

从某个角度来看,高层建筑已经成为了一个国家发达程度的象征,所以在未来高层建筑只会增加,不会减少!比如从2000年以前,国内二三线城市很少见到小高层的住宅楼,但现在,连个小县城的住宅楼盘开发,都是小高层!

当然除了建筑技术进步以外,更多的还是高层建筑密度更高,可以高效利用土地面积,当然伴随而来的也是维护成本增加,而在大家的印象中,地震时候危险也相应的增加。并且高楼一旦在地震后坍塌,救援是非常困难的。

那么哪些地方又是地震高发区呢?

一般地震高发区位于板块与板块之间的俯冲带,板块内部的断裂带以及火山周围,一般板块边缘的俯冲带会存在大量火山,有火山一般伴随地震,但地震却和火山没有直接关系。全球地震带如下图所示:

全球地震带分布

太平洋周围地震带分布是最密集的,包括2021年3月5日新西兰的地震也是在太平洋地震带上。

2020年6级以上地震分布,基本上和地震带分布重叠。各位只要稍稍做个对比,很多高层或者超高层建筑就位于这些地震带上或者附近不远。

建筑物抗震等级是怎么回事?高层如何抗震?

尽管位于地震带上,但高楼却依然在建设,这有两个因素,第一个是地震并不是时时刻刻发生,很多发生过强震的区域可能100年都不会再地震,这是好了伤疤忘了疼的典型,而另一个因素则是建筑物也会有相应的抗震设计,比如在地震低发区和高发区的抗震等级明显是不一样的!

其实高层建筑物抗震结构有两类,一类是抗震,另一类则是抗风,不知道各位有没有发现,从上世纪早期的那种长板形高层结构(比如联合国大厦)越来越少见了,取而代之的是各种线条优美,造型非常别致的高层建筑,这就是抗风设计,当然也不能如此简单理解,下面分两个方面简单分析:

建筑物如何抗震?

我国建筑物根据重要性和设防类别,将结构类型与抗震烈度和房屋高度等将抗震烈度分为一至四级,分别对应很严重、严重、较严重及一般等四个级别!

地震设防烈度:指的是一个地区50年内超过10%概率的地震烈度!

建筑物结构类型的差异,比如同样在7度设防的地域:

1、低于24米的抗震等级要求为三级

2、大于24米的抗震等级要求为二级

3、大跨度框架结构,不论高度均为二级

根据这些要求,建筑会从建筑物修形、结构阻尼以及主动抗震这三个类型来主动对抗风阻以及地震造成对建筑物的晃动,让这些风阻变形以及地震波的能量消耗在建筑物的抗震阻尼设计中,有一个动图很容易可以理解这种阻尼的作用!

上图中三种就是典型的建筑,第一种是尽量将建筑物建设得更牢固,但在它承受极限内,建筑物会保证安全,但可能会造成结构损伤,或者轻微的地震在顶层可能会晃得人头晕,因为这种建筑没有抗震考虑,只是一味的增加强度,当成一个刚体来设计的。

结构阻尼

第二种是结构阻尼,它的原理是在框架结构之间增加液压阻尼,留出变形间隙,在建筑物晃动时,结构形变后利用液压作动筒吸收能量,将建筑物的振动消除于无形,一般类似的结构也用在大桥以及其他需要抗震防震的建筑物上。

各种阻尼器

主动抗震

最顶级的就是主动抗震了,在高楼顶部设计一个几十吨的阻尼器,然后用计算机控制,对来自建筑物各个位置形变的参数主动位移,将大厦的晃动消除主动消除,和前两种抗震性能相比,后者性能要好得多,一般都能将建筑晃动限制在安全级别以下。

上海大厦的主动阻尼器

低层建筑只要增加强度抗震即可,中低层建筑会有结构阻尼加强抗震设计,而高层与超高层设计则无一例外地采用了阻尼抗震+主动抗震设计,当然主动抗震的成本也要高得多,但就像整栋大楼的定心锚一样,它能为高层建筑里工作的人员带来极佳的体验,所以它会越来越普及。

台北101大厦阻尼器工作中

建筑物如何抗风?

其实抗风和抗震在内部结构处理上是一样的,唯一不同的是抗风需要在建筑物外形上修形,比如建筑物模型会在风洞中吹一吹,模拟建筑所在地可能会经历的几种风速,各个方向上都会模拟,尽量模拟出现实中可能发生的情况。

比如世贸大厦在设计时发现玻璃幕墙+轻钢龙骨结构,没有隔墙提供刚度和阻尼,地震或者强风时达到体感非常不适的程度,因此专门设计了风洞实验,取得了如何振动的数据,在楼面桁架的下弦与外框筒之间,安装了粘弹性阻尼器(由3M公司生产),以降低强风时的振动。

粘弹性阻尼器安装示意图

哈利法塔的结构工程师比尔・贝克(Bill Baker)说:“高楼最重要的因素就是风。”当风经过流线型物体时,比如一棵树或一个路灯灯柱,它会变成一股有组织的突风,先向左旋,再向右旋,再向左旋,在行进中不断改变方向,迫使物体摇晃。如果不处理,在强风下,哈利法塔朝一个方向的摇晃范围高达五英尺。

所以抗风设计和抗震设计同样重要,一般建筑物抗风都是设计不规则的形状,让风的流场混乱,失去组织性,避免在建筑物各种外形下形成强风破坏建筑,而现代建筑高楼林立后还会形成新的威胁,这可能会威胁到早先建成的建筑,所以建筑物抗风设计是个永恒的话题。

高层与低层,哪个更安全?

在低于设防烈度的地震下,而且建筑物设计完全经受住了考验,那么两者安全等级是一样的,甚至高层建筑还会更安全,但如果同样在破坏性地震的条件下,比如高层和底层都出现了坍塌,那么救援明显不如低层来得更方便,比如在2015年巨石强森的《末日崩塌》中就完全体现了这一点,尽管影片中的地震有些夸张,但在极端情况下仍然具有参考价值。

相对地震而言,高层建筑更怕火灾,因为高层建筑救援十分困难,没有登高车可以到达那里,比如像911中坍塌的世贸大厦,大火中有很多民众从楼上往下跳,因为大火已经烧到无路可退,而后来航空煤油的燃烧融化了钢架结构,造成顶层下下坍塌,下层无法承受而突然坍塌,就像定向爆破一样几乎从顶部开始直接向下溃缩,那个过程实在太可怕。

另外高层建筑产生的火炬效应会让高层人员逃生十分困难,比如1980年11月21日,拉斯维加斯26层的米高梅赌场大酒店发生大火,火灾发生在一楼的餐厅,后蔓延到隔壁的老虎机赌场,拉斯维加斯和亨德森消防局,还有内利斯空军基地出动的消防力量,在几个小时内就将其扑灭,火灾控制在了一楼,连二楼都没有蔓延上去!

但最后的教训却是惨痛的,一楼赌场伤亡18人,这可以理解,因为赌场烧得最惨,大量的非阻燃材料让火灾蔓延十分迅速,人员无法逃生,但另外却有61人死于11层以上的高楼,因为火灾产生的烟雾通过建筑物的各种通道比如强电、弱电还有通风系统等蔓延到了高层,而且越高影响越大。

很多人在睡梦中就呛入浓烟窒息而死,还有人死在楼梯间,因为上下相通的楼道也成了浓烟向上散发的通道,这次火灾后美国高层建筑消防设计进行了大幅修改,但即使如此,高层建筑的大火重在预防,而救援一直都会是个难题!

所以,到底是低层安全还是高层安全,相信各位已经有了一个判断!