[分享]在地震断层边建造一座不会倒塌的城市

时间: 2020-08-02 10:54 阅读: 次大中小

仅仅提到地震就会带来动荡、破坏和灾难的图像。它不仅将整个景观变成了混乱，而且还使数以万计的生命完全停滞不前。这些由地震波产生的横向力量并不是人类的新知识，而是一直困扰着人类从青铜器时代开始，摧毁了一些具有复杂建筑的令人印象深刻的城市。而且，随着不断增长的城市天际线房屋在其飙升的建筑物中涌入，这种困境只会变得更加严重。

众所周知，旧金山是世界出了名的“地震之城”。历史上，1906年和1989年的两次地震几乎将这个城市夷为平地。灾难的代价使3000多人丧生以及60多亿美元的经济损失。在一个地震断层旁边建造一座城市，似乎是不可能的。旧金山的工程师正在努力阻止这样的悲剧再次发生，让这座城市变成“防震之城”。那么旧金山是如何续存到今天的？我们一起来看看工程师们都运用了哪些奇妙的技术吧。

泛美金字塔

旧金山居住了约700万的人口，他们脚下是一个地震定时炸弹。在地震频发的城市里，建造高耸入云摩天大楼，感觉像在开玩笑。

然而，旧金山曾经最高的大楼——泛美金字塔，高耸于城市260米之上，外层由将近4000个玻璃窗组成，内部由几千吨的混凝土和石英砂浇筑而成，它在地震中却能安然无恙，是因为他们需要用上一切可用的保护措施。

这归功于它的精密设计。大楼的建筑商先请来斯坦福大学的地质专家，用误差只有15厘米的激光雷达来定位地震断层带的位置，以确保大楼的位置尽可能避开地震最厉害的区域。

其次，大楼的金字塔形状使得它重心很低，玻璃和混凝土覆面遮掩了一个巨型的钢骨架，正是这个钢骨架维持了它的48个楼层。并且一个巨型的钢铁桁架包围了大楼底部，使它更加坚固。地基是一个3万吨的钢筋混凝土块，将大楼紧紧地固定在地表上。这些加固措施使得泛美金字塔稳如泰山。1989年美国旧金山爆发7.1级地震，使得泛美金字塔偏移了30厘米，这是它有史以来最大的偏移，但是没有一人受伤，更没有一人丧命。

今天旧金山的摩天大楼比其它的西海岸城市都要多，这些摩天大楼是为了抵受地震而建的 - 牢固的钢架、混凝土楼面、以及加深的地基，使得这些建筑超级坚固，即使地震来了也能抵受住，所以里面的人也很安全。

181弗里蒙特大厦

181弗里蒙特大厦位于旧金山市中心，是一个建在旧金山市场区南部的54层、244米高的世界级高档商住两用摩天大楼。其中第39层以上为高档住房，37层为过度层，37层以下为办公楼层。该项目建成于2017年，由ARUP公司做的结构设计，可以说是美国西海岸最具抗震韧性的高层建筑。建成后，181号建筑成为南市场街地区的新坐标。它是以在建的中央车站（Grand Central Terminal）为中心的建筑群中的一个，也是两幢与中央车站直接相连的建筑之一。

该建筑采用基于韧性的抗震设计方法，在重现期为475年的地震作用后，建筑的结构构件基本保持弹性，能够立即重新使用，只有有限的功能中断。

181弗里蒙特大厦采用巨型框架-钢核心筒结构体系，其中巨型框架由巨型柱和巨型斜撑组成。为了优化该建筑在风和地震作用下的结构性能，本项目在巨型支撑中设置了一种新型粘滞阻尼器，形成阻尼耗能巨型支撑。每个巨型支撑上设置有4套阻尼器，每个方向的立面有2个带阻尼器的巨型支撑，共定制32个金属密封阻尼器，用来控制地震和风荷载作用下结构的震动。这种阻尼器跨层支撑有效降低了地震需求，有助于该建筑在475年一遇的地震中保持结构弹性。另外，防屈曲支撑（BRB）也被引入到巨型支撑的传力路径中，以保护主要、次要支撑和阻尼器免受损坏。

181弗里蒙特大厦结构体系及阻尼耗能巨型支撑示意图

181弗里蒙特大厦巨型支撑

该项目还在2019年全球奖的评选中分别获得最佳高层建筑奖、结构工程奖、MEP工程奖、地质工程奖、以及消防风险工程奖。

千禧大厦

说到旧金山的地标，除了金门大桥、泛美金字塔和181弗里蒙特大厦，就是这座造价3.5亿美元的千禧大厦了。这里又被称为稀缺性豪宅，业主均以百万至千万美元起入场，世界十大豪宅、众多社会名流都聚集于此。大厦由两部分组成 -- 用于居住的58层塔楼，以及商住混用的9层裙房。塔楼为现浇钢筋混凝土结构，中部设置有核心筒。

谁也没有想到，这座无敌奢华的海景大厦，近期形象全然崩塌！因为它下沉了，甚至倾斜，还是以惊人的速度。大厦从2009年竣工之后，以每年1英寸（2.5cm）的速度往地下沉陷。截止2018年底，大厦最多已沉陷达18英寸（46cm），接近两个篮球的直径。不仅如此，大厦还出现了往西北方向的倾斜。由于倾斜，其顶部已经偏离了超过40cm。千万房产一夜间变得一文不值，成了一座岌岌可危的危楼。

那到底是什么原因导致千禧大厦发生如此严重的沉降呢？大厦的塔楼被约900根预制方桩所支撑，这些桩并没有深入至岩层，而是停留在老湾区粘土上的砂层中。而且不同于旧金山其他的钢结构高层建筑，千禧大厦采用的是钢筋混凝土材料，整栋楼的重量要明显沉重不少。

塔楼基础的预制桩全部坐落在OBC（Old Bay Clay，简称OBC）上部的砂层中，相当于全部塔楼荷载都加载在砂层之中。这时，密实的砂层变成了一个天然的筏板基础，将荷载以更大的面积向OBC传递，最终导致塔楼附近大面积都出现了沉降，整个裙楼区域也不能幸免。而OBC为超固结土，土体内部的竖向应力小于其先期固结压力。只要竖向应力不超过土体的先期固结压力，土体在压力状态下的压缩量都会非常小。在施加上塔楼巨大的荷载后，OBC顶部约4.5m厚度的土体竖向应力已超过了先期固结压力。此时，土体会开始固结排水，并产生3~5倍于之前相等压力下的沉降，直至固结完成。

由于设计师对大楼的重量出现了严重低估，或对OBC的超固结土性过于乐观，才导致了以往众多预制桩基础成功案例经验借鉴的失效。而且如果发生大震的话，对58层的庞然大物而言，简直后果更是不堪设想。所以不要低估未来地震的毁灭性，旧金山的工程师们还是要尽快想出有效的办法对大厦进行加强和防护。

旧金山国际机场候机大厅

美国旧金山国际机场扩建工程总造价8.4亿美元，于2000年竣工。其中，新候机大厅以其新颖、轻巧的建筑和结构设计，获得多项加州和全美的设计奖，成为旧金山的门户和地标。其结构设计为SOM公司。

候机大厅主体结构为二个单跨两端悬挑式桁架，中间支承第三个桁架。桁架的总跨长为262m，其中中间跨柱距为115.8m，两侧悬挑桁架的两个柱柱距均为24.4m，两端悬挑均为48.8m。桁架横截面为三角形，整体桁架形如船型。桁架之间采用铸钢件铰接。桁架与柱支承处通过半球铰支承于20根悬臂钢管混凝土柱上。通过此结构形式，创造了长215m，宽64m，高25m的大跨度开敞空间。

旧金山位于强震地区，候机大厅又属重要设施，抗震设计要求很高。而候机大厅结构能设计得如此轻巧，如翼展翅，秘诀在哪里？就在于整个候机大厅采用267个摆式摩擦型隔震垫，置于钢柱底，使整个结构可侧向滑移508mm，为目前世界上采用基底隔震方式的最大型建筑。这样的结构，本身成为惯性体，起到阻尼的作用。它的结构抗震原理是耗能，而不是传统的吸能，降低了70%的结构地震作用。这样虽然增加了柱底隔震装置的造价，但整个结构设计荷载大大降低，因而降低了主体结构的造价，更重要的是满足了建筑上优美轻盈的要求，给我们设计大跨度建筑提供了一个典范。

金门大桥

在地震中，这个城市的桥梁也一样容易受到破坏。保护这些重要的生命线，是旧金山工程师的另一个大挑战。金门大桥可以说是地球上最著名的桥梁之一，也是旧金山这座城市的交通大动脉之一。它长800多米，横跨在一个深90多米、充满激流的多风海峡上。为了在这样恶劣的地理位置下屹立不倒，它暗地里都运用了哪些聪明的工程设计呢。

首先他的地基深入到了海床以下18米深的坚硬岩石中，15万吨的混凝土将24米高的桥塔牢牢地锁进地表中。混凝土块深深扎进海岸边的岩石中。其次，金门大桥的钢缆，用13万公里长的钢丝制成，足以绕地球三圈。

桥上的一切部位都做得灵活柔韧：中央桥塔有可以自由移动的钢铁缆塔；连接它们的梁，可以像压皱缓冲区那样变形，使它不会倒塌；路面被分成28段，这样它被拉伸时就不会断裂；路面下隐藏着中空的钢梁，它们可以吸收地震的力量，保护其余的桥身。

1989年那次7.1级大地震中，地层断裂带爆发出类似20个广岛原子弹的冲击波，离它9.6公里的奥克兰海湾大桥，由于桥身过硬，无法抵消冲击波，桥关节的螺栓断掉，一段250吨的桥身断裂，造成一人不幸丧命。而金门大桥却只在地震中弯曲和摇摆。

湾区的住宅

旧金山海湾周围500多平方公里，曾经都是海洋，现在填满了碎石，石头和沙，不过下面是一层潮湿的海湾淤泥，这使得它在地震时会液化，变成流沙，上面的房子就会陷进地面，极端情况下，会有房子倒塌。

在这上面建可供人居住的房子，就需要建造非常长的地基。它们必须穿过碎石，直到碰到73米以下的岩床为止。然后，再在上面盖上混凝土，并用混凝土梁把它们连接起来，这些巨型地桩比世界上最高的摩天大楼的地基都要深。这种极端的地基技术，让每一根钢梁造价都高达15000美元。但在这个城市里，每一分都是花得值得的，使得几千人都能安全地住在旧金山填海造出来的地面上。

隧道

旧金山被称为“山”，是因为在北美，没有哪个城市的山比它更多。工程师们选择挖掘新路和新地铁隧道，以取道地下，保护交通网络继续运行。因为在地震发生时，最安全的地方之一，就是地下隧道，因为隧道周围的摇晃会远远少于地面的摇晃。

然而这个地震之城的地质对于隧道建筑师来说是一个极大的挑战。这里的岩石受过千锤百炼，它们被撕断过、被碾压过、被折弯过，所以需要更为保守的设计并且要有一定的心理准备会遇到各种各样不同的岩石特性。施工队先用一台隧道挖掘机挖出原始的隧道，然后在隧道表面铺上混凝土模块，之后，这些混凝土模块外面覆盖了一层橡胶，这样隧道板块与板块之间可以碰撞，即使周围的山地在震动，它也不会断裂。