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周福霖:为广州塔装上“定海针”

来源:广州日报  2016-12-28 10:42:09


  地动山摇时,谁来庇护无助的生命?四十多年来,世界各国的工程结构与工程抗震减灾专家,一直致力于解答这个问题。隔震技术,作为世界减震工程领域的重大创新成果,是人们找到的答案之一。随着隔震技术在世界各地的应用以及历经多场实战考验,地震中“楼不塌人不亡”已经不再是奢望。

  在立足我国国情的“隔震、消能和减震控制技术体系”的创立中,中国工程院院士、广州大学工程抗震研究中心主任周福霖居功至伟。近日,在与广州日报采访团队的对话中,周院士表示,我国原来只有70%~80%的国土处于地震区,而现在随着我国进入地震活跃期,处于地震区的国土已达100%。地震犹如悬在头上的达摩克利斯之剑,当灾难来袭时,让更多的建筑尤其是学校和医院等公共建筑,变成庇护生命的“安全岛”,是周福霖皓首穷经、孜孜以求的心愿。

  院士小传

  工程结构与工程抗震减灾专家,1939年出生,广东潮阳人,广州大学工程抗震中心主任,国际隔震消能减震控制学会主席。周福霖为我国工程隔震技术的发展和步入世界前列作出了重大贡献,他设计建成的中国首幢采用叠层橡胶支座的隔震住宅楼,被联合国工业发展组织评价为“世界隔震技术发展第三个里程碑”。在他的主持下,我国建成首座铁路隔震桥、首座公路隔震桥和世界建筑面积最大的房屋隔震工程。近年来,世界第二高电视塔——广州塔以及世界最长跨海大桥——港珠澳大桥均采用周福霖团队的隔震减震设计。
  谈隔震
  地震来袭从“硬扛”到“以柔克刚”
  过去的抗震技术只是对建筑结构的抗震能力提出要求,可以称为“硬扛”。若扛不过去,建筑倒塌,老百姓的生命安全受到威胁;若扛得住,建筑也往往难逃结构破裂、内部设施损坏的结局。
  周福霖研发的隔震技术,是在房屋和地面之间,加一层由橡胶和钢板隔层叠加的隔震支座“柔软层”,通过延长结构的自振周期,避开地面振动共震区,从而起到“隔离地震”的效果。实战演练显示,隔震技术能使结构地震反应衰减至非隔震结构的四分之一到八分之一,从而大大提高了建筑的安全性。
  助建筑化解地震冲击力
  “打个比方,海水是柔软的,即使海底震动,船也不会受到多大的伤害。”周福霖说,采用隔震技术的建筑,由于下面有一层柔软的橡胶隔震层,当地震来袭时,就像一条河流上的船轻轻摇摆或滑动,“船体”所承受的地震冲击力被温柔地卸去,建筑便不会倒塌或严重损坏。
  2008年“5·12”汶川大地震之后,灾区新建的部分建筑采用了隔震技术。刚建好没多久,2013年“4·20”四川雅安芦山大地震便接踵而至。在这场强度达到7.0级的地震中,隔震技术的优越性得到验证:隔震楼与非隔震楼的水平加速度反应大概相差6倍,这意味着前者的晃动幅度只有后者的六分之一。
  雅安市芦山县人民医院一栋安装了隔震橡胶支座的门诊楼,不仅坚强矗立,楼里的医疗设备、药品也没有受损,成为震后全县唯一能正常使用的医疗建筑。而医院另外两栋只做了抗震设计的楼房,不仅建筑结构开裂,内部设备也损坏严重。
  隔震楼造价每平方米仅增两百元
  震后见到周福霖,芦山县人民医院院长既庆幸又略有些埋怨:“灾后重大急救手术都在这栋隔震楼里完成。如果没有它,后果真是不堪设想。但是,为什么你们不多做一些隔震建筑呢?”周福霖实话实说,一是时间太紧迫,在雅安地震发生前,只来得及给一栋楼做隔震设计;二是社会对隔震技术的接受程度还不高。
  时过境迁,如今,住建部专门发文在全国推广隔减震技术。位于地震多发带的云南等省市则要求,医院、学校、指挥中心和交通枢纽强制使用隔震减震技术。现在国内已有近六千栋楼房和超过三百五十多座桥梁,采用了隔震设计。根据民航总局的建议,未来,我国在地震区的机场都将尽可能采用隔震设计。
  但在住宅方面,有人担心建隔震楼会增加建筑成本,开发商能乐意吗?“开发商并不亏。汶川地震时我们测算,采用隔震技术,每平方米造价增加168元,现在考虑到物价上涨,每平方米造价增加两百元。”周福霖说,隔震技术可让柱子直径缩小,建筑构件断面及配筋减少,在一定程度上降低了造价,“增加极少的成本,就能成倍提升建筑安全性,何乐而不为?”
  新进展
  “小蛮腰”、港珠澳大桥都有他的巧思
  近年来,在隔震技术的研究上,周福霖团队没有止步,研发出“层间隔震”和“三维隔震”新技术体系。采用这一新技术建成的房屋抗震安全性提高了4倍。这种技术将应用于地铁甚至高铁,能有效降低列车的振动和噪声,也减少列车传到周围的环境振动,使地铁能安全、环保地运行。
  世界第二高电视塔的广州塔及世界最长跨海大桥的港珠澳大桥,为了“站稳”,也借助了周福霖团队的巧思。“‘小蛮腰’总高度600米,又细又高,在地震或强风袭来时,有可能剧烈摇摆。”周福霖说,若不想让“小蛮腰”变“水桶腰”,就需放弃传统的加固思路,另辟蹊径。现在,游客登上广州塔的109、110层,可以看到两个重量约为两万名成人体重之和的消防水箱。这一全球首创的主被动混合控制的减振控制系统,犹如定海神针。一旦塔身摇摆超出正常范围,即触发减振控制系统,可稳住塔身。
  全长为26公里的港珠澳大桥,“机关”则隐藏在桥墩上。每个桥墩顶的两根挑梁上,都安装有橡胶隔震支座、盆式摩擦滑板隔震支座等隔震减震装置。当地震来临时,桥墩和桥梁之间是柔软的,受到的冲击力可减少三分之二,足以保证大桥的安全。
  随着研究领域的拓展,新的挑战接踵而至。我国将要大量建设的近海桥梁,例如论证中“一带一路”通过的川滇疆藏地区跨河大桥、琼州海峡跨海通道、渤海湾海峡跨海通道等,都将会得到周福霖团队的保驾护航。
  谈心愿
  让所有建筑成为地震中的“安全岛”
  在隔震减震领域,大到公共工程的质量,小到自建民宅的安全,周福霖都挂念于心。周福霖观察到,在地震面前,和钢筋水泥的楼房相比,简易农民房更不堪一击,往往造成惨重的死伤。周福霖团队专门研制了便宜简单的“弹性隔震砖”,还配有简洁通俗的施工手册。弹性隔震砖的定价是每平方米50元。“我们考虑到200平方米的新建住房,政府补贴有一万元。”周福霖说,这样农民不用花太多钱,就能住上安全隔震的住房。
  “对于已建好的医院、学校等建筑,可以采取后期隔震加固的办法。”周福霖呼吁,要让隔震技术运用到更多的学校、医院和公共建筑上。“最终,让所有的建筑都能成为保护老百姓生命的‘安全岛’。”这位77岁的老人有一个愿望:将来的一天,当地震来临时,老师们能告诫孩子们“不要往外跑,留在楼房里更安全”。
  论创新
  “大中小才”都要纳入囊中
  1994年,周福霖领衔,在广州大学前身之一的原华南建设学院,工程抗震研究中心正式成立。
  经过多年苦心孤诣,广州大学工程抗震研究中心已建成工程抗震减震与结构安全教育部重点实验室,隔震减震控制与结构安全国家重点实验室(培育中),并步入国际隔震减震领域的第一梯队。“在隔震减震领域,无论是理论研究、实验水平还是应用推广,中国已经和美国、日本并驾齐驱。”周福霖说,建设中的“隔震减震控制与结构安全国家重点实验室”实验大楼计划于2018年投入运转,将成为全球抗震减震领域最先进、规模最大的实验室。
  对于广州的创新发展,周福霖建言,在建设科研团队、引进人才时要有一定弹性,“大中小才”都要纳入囊中。不能眼中只有位于金字塔尖、业务成熟的“大才”,也要根据实际发展的需要,着眼于未来的布局,灵活地引进有特长的“中才”和“小才”,完善人才梯度的建设。
  忆往事
  内疚感让他坚守40年
  许多人知道,周福霖研发隔震技术,最初的灵感来自唐山大地震中两栋没有倒塌、仅仅滑动40厘米的四层砖楼。但鲜为人知的是,四十年前,作为救援队的一名工程师,37岁的周福霖在情感上受到了巨大冲击,以至于多年后,已满头华发的他依然难以抑制激动之情。
  “如果楼房没有倒塌,就不会造成那么惨烈的伤亡。我感到非常内疚和耻辱。”周福霖说,四十年来,这种内疚和耻辱感挥之不去。每当研发工作“卡壳”、遭遇各种困难时,是它让周福霖得以咬紧牙关,坚持下去。最终,他兑现了“要建造出地震中的‘安全岛’”的誓言。
  1993年,周福霖在广东汕头市建成我国第一栋采用橡胶支座隔震的8层住宅楼,这是当年世界最高、面积最大的隔震住宅楼。距离25米处,作为对照物,周福霖又建起采用抗震技术的8层住宅楼。一年后的台湾地震,让隔震楼和抗震楼有了比拼的机会。在受到波及的汕头地区,抗震房屋激烈晃动,居住者站都站不稳。隔震楼则在橡胶隔震层上缓慢摇摆,房屋结构没有任何损坏,居住者几乎没有感觉。随后,联合国工业发展组织在汕头召开国际会议推广这种技术,并称之为“世界隔震技术发展的第三个里程碑”。
  记者手记
  待我走后,实验还会继续
  走进周院士的办公室,只见墙皮剥落,十分陈旧,但书桌上、沙发边、墙根处,却整齐地叠放着各种工程项目报告、中英文学术资料。周福霖一脸坦然:“我没感到这里简陋,只感觉到实用。这里对我的工作已很有帮助。”
  他对这栋已显老态的实验楼充满感情。1986年,从海外学成归来的他毅然南下,来到当时毫不出名的广州城建学院(后更名为华南建设学院,合并入广州大学)。求贤若渴的广州,对他许下了“建设全国最先进的震动台”的承诺。
  三十年来,他带领学生们做出了多项重大成果,实验室也变得越来越拥挤。“新实验楼快落成了!”周福霖如数家珍:新实验室有27米的高度,还有全世界最先进的震动台,将为研究提供更理想的条件。
  接下来的时光,周福霖还在期待一个设计时长为五十年的隔震橡胶自然老化实验,实验旨在了解隔震材料对建筑的保护能持续多久。“还有四十年才能完成,我这辈子是看不到实验的结果了。但我的学生、学生的学生已经排好了班。等我走了,他们会继续监测,一定要弄个清楚。”说到此处,这位头发花白的老人微微一笑,目光仿佛穿越了时光,看到了他期待的未来。
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