防震抗震措施研究的新成果
（一）开发防震抗震的新技术和新设备
1．研发防震抗震的新技术
⑴提出一种结构抗震性能分析的新方法。[56]2006年4月，意大利欧洲防震减灾高级研究院有关专家组成的一个研究小组，在《工程力学杂志》上发表论文称，他们发现了一种用来评估实际结构地震脆性破坏的新方法。
研究人员说，基于最初的、有限的非线性动力分析模拟，该方法在求解一般系统的承载需求和能力关系可靠性之后，建立了结构需求的可能特点。用这种方法得到的结果与应用蒙特卡洛算法得到的结果一样，但相比之下，这种方法大大减少了计算量。
研究人员在两个实际工程中应用了这种方法，一个钢筋混凝土墩结构的钢制箱形梁高架桥，另一个是三维钢筋混凝土结构的房屋建筑。前者主要受到规则和不规则激震力的作用，后者主要受双向激震力的作用。模拟结果都证明了这种算法的精确性和优越性。
⑵探索能以柔克刚的隔震减震技术。[57]2013年5月10日，在西南交通大学举办的第七届全国防震减灾工程周学术研讨会上，中国工程院院士周福霖作主题报告，他说：“在地震不能被预报的前提下，工程技术是防震减灾最有效和最现实的手段。”
现阶段，我国建筑物主要采用三种抗震方法：一是通过加粗柱子和多加钢筋的传统方法来硬抗震；二是通过在地基与柱子之间加钢板橡胶垫的方法来隔震；三是把建筑物某些非承重部分设计成效能杆件或通过装设效能装置来减震。
周福霖表示，其中隔震方法，能把建筑物的抗震能力提高4到8倍。钢板橡胶垫就像“夹心饼干”，一层橡胶一层钢板向上叠加，把建筑物与地面隔离起来。当地震发生时，让建筑物在橡胶支座上处于弹性状态，既能隔震又不影响承载力。他说：“这种以柔克刚的方法，效果非常好。目前世界上采用隔震技术的房屋，还没有一座被震倒。”
周福霖说，隔震垫橡胶老化的速率，约为每百年4.5毫米，因此不用担心隔震垫老化问题。如果加上抗老化剂和支座外保护层，其使用寿命会高于混凝土。
在不久前的芦山地震中，芦山县人民医院连窗户玻璃和楼顶招牌都完好无缺，因而被网友称为“楼坚强”。周福霖说，这主要是因为其门诊楼采用了橡胶隔震垫、阻尼器等先进抗震新技术。
周福霖认为，隔震减震技术是我国工程技术的发展方向之一，未来应从单纯采用传统抗震技术过渡到同时采用抗震、隔震、减震技术的新时代。他希望今后地震中的建筑物能像停泊在水里的船一样，飘动几下又归于平静；让地震像一场暴风雨一样，平凡而不可怕。
周福霖还提醒说，隔震减震技术需要从研究、设计、产品到施工等多个方面共同发展，忽视任何环节，都会影响应用效果。同时，他呼吁尽快出台独立的技术规范，完善设计程序，提高厂家的生产质量，让隔震减震技术惠及更多人。
2．开发用于研究防震抗震的新设备
首个冷弯薄壁型钢结构房屋振动台试验成功。[58]2020年6月9日，中国新闻网报道，重庆大学当天发布消息称，该校周绪红院士和石宇教授主持的研究团队，成功完成中国首个足尺实体6层冷弯薄壁型钢结构房屋振动台试验。据悉，它也是目前世界上首个同类房屋双向地震动输入的振动台试验。
研究团队在重庆大学振动台实验室内修建了一栋高16.2米的6层冷弯薄壁型钢结构房屋，该房屋每一层楼面积23.5平方米，层高2.7米。试验建筑采用钢管端柱及双面蒙皮钢板剪力墙，与夹支单层薄钢板剪力墙两种抗侧力体系。由于该钢结构建筑采用了特有两种抗侧力体系，因此抗震级别很高。
此前国内和国外都进行了类似的试验，但在试验模型层高和地震波输入上都与本次试验有差距。美国虽然做过6层的振动台试验，但美国试验输入的地震波只有一个方向，而本次试验是横纵两个方向，能模拟出更复杂、更真实地震情况。
本次试验采用模拟汶川地震的相关数据，对该建筑进行试验。周绪红说：“当地震级达到8级时，能明显看到房屋在剧烈地晃动。停止震动后，我们对建筑进行了全方位检查，发现房屋内虽然有开裂、钢材螺栓松动等情况，但建筑物主体结构完全没有问题。”他接着说：“经过100余次的地震模拟，建筑物仍然屹立不倒。可以说做到了‘小震不坏，中震可修，大震不倒’。”
本次试验结果表明，冷弯薄壁型钢结构多层房屋是安全可靠的，这将推动多层冷弯薄壁型钢结构体系在中国的发展与应用。冷弯薄壁型钢结构房屋用钢量低、自重轻、装配效率高、人工投入少、房屋品质易保证，是一种具有广泛应用前景的装配式绿色建筑。
研究人员表示，下一步他们打算把试验楼层继续增高到15至18层，还将挑战更高的地震级数。
（二）建造具有防震抗震功能的大桥和建筑物
1．设计建造大跨度抗震桥梁
建成具有抗震功能的跨海湾大桥。[59]2013年9月2日，美国媒体报道，当天下午，世界最大跨度单塔自锚抗震悬索钢桥、旧金山海湾大桥东段新桥举行通车仪式。这座大桥跨度624米，耗资64.2亿美元，历经13年建成。它不但要承担旧金山湾地区巨大的交通压力，还要承受这里多发的地震灾害。
在传统的悬索桥上，比如旧金山的象征金门大桥，工程师会利用几英寸粗的钢缆，将几千吨中的钢筋混凝土大桥悬吊在水面上，而那些巨大的钢缆则锚定在岸边。但是新的湾区大桥分为东西两段，其东段附近没有大块的岩石，无法用于固定。所以这座大桥要靠它自己来锚定35200吨钢板。
美国加州交通部的首席桥梁工程师布瑞恩·马洛尼说：“好草岛上，没有地方可以用来锚定这座大桥，我们不得不采用特殊的设计。”
大桥用了一根直径为0.8米的主钢索来拉住车道，并用一座160米高的塔来支撑它。这根钢索重960万公斤，由137根钢丝束构成，每把钢丝束里有127根5.4毫米粗的钢丝。这根钢索就像是巨大的橡皮筋，将整个结构拽在一起。塔靠近桥的最西段，将桥身的大部分重量都托举起来，支撑了桥身90%的重量。从这根主钢索向外，有200根悬吊绳索，拉住28块构成桥身的钢板。
工程师在构成桥身的钢板上铸造了一些“盒子”，用来和钢索连接。这些“盒子”上有一些孔洞。钢索经过这些孔洞扩散成一束束的钢丝，以便更容易抓住钢板。钢索从大桥东端开始向上，经过高塔，到达西端，再沿着原路返回东端。
铸造这些“盒子”，需要非常精确。马洛尼说：“对于每一根钢丝来说，都只有一个位置是正确的，只有一个方向是可以接受的，偏差一点也不行。我们必须给这些钢丝标上不同的颜色，以便保证它们被牵引到正确的角度。这就像外科手术一些精细。”施工人员甚至使用比这些钢丝还软的软金属工具，以免损坏钢丝。
为了让大桥更加抗震，工程师给高塔设置了四个钢脚，靠近东端的两只脚穿透了90多米厚的泥沼，牢牢地扎在岩床上。高塔的四只脚被剪力连杆梁连接在一起。刮风的时候，剪力连杆梁会变硬，以保持大桥的稳固。地震的时候，剪力连杆梁会吸收地壳的运动。如果地震达到一定的级别，剪力连杆梁就会断裂，以避免损坏桥梁的其他部分。
参与大桥设计建造的国际公司首席设计工程师马尔旺·纳德说：“这些连接杆会使能量分散，减少地震的力量，从而给大桥提供更多的保护。在伸缩缝处，箱型梁与两个铰链式管道梁连接在一起。铰链式管道梁使大桥的不同结构部位可以相对滑动。”
这个新的系统还能抑制地震中的不同频率。在东段，大桥修建在土地上，那里地震波的频率比西段岩石区的地震波频率低。马洛尼说：“大桥的两个部分可能会遭遇同一次地震，但是地震波会以不同的频率，在不同的时间里传播到大桥的两部分。”
2．设计建造具有防震抗震功能的建筑物
⑴发明可使房屋更抗震的弹性水泥。[60]2005年8月，美国密歇根大学土木工程材料研究实验室，工程师维克托·李领导的研究小组，在的美国《发现》杂志上发表研究成果称，他们发明了一种新型水泥，可以帮助建筑物更好地抵抗地震的剧烈撞击。
每年全球约发生100例能量接近于原子弹的地震，给人类造成巨大灾难，因为地球开始震动时会引起建筑倒塌。
现在，维克托·李发明了一种易延展、类似于混凝土的材料，能够抵抗住地震带来的巨大压力或“负荷力”。这一高科技水泥的使用方法和传统水泥一样，但比用于建造道路、桥梁和房屋的普通水泥更加牢固、耐用性更强、更轻、更具柔韧性，而且比较不容易出现裂缝。
新水泥是基于微观结构来设计的，也就是说，所有的成分都是根据一定的原理来调配的，以使这些成分能够在材料的内部结构中互相配合运作。
一般人们使用金属棒来混合普通水泥、水和沙子或砂粒，以便于增强水泥的效果。然而看上去和普通水泥很像的新水泥，其本身成分中就包括超细硅石（直径为100微米）和微小塑胶（聚乙烯醇）、光纤，表面还覆有一层几纳米厚的光滑覆面。当水泥内的光纤负担过重时，表面覆层可以使得光纤开始变得松散而防止水泥出现破裂。因此，新水泥可以在不碎裂成几块的情况下而进行变形。在巨大的压力作用下，光纤在水泥内滑动，就好象人体内的韧带一样，以一种极具柔韧性的方式将各种成分紧紧聚拢在一起。
维克托·李指出，一旦新水泥在承受重荷时，其内部成分会把这种负荷转移到其他地方，这样就会有更多的力量来支持负荷。
实验室的测试显示，新水泥的延展性是普通水泥的500倍，重量仅为普通水泥的1/40，这两点都将对摩天大楼的设计选择产生影响。但其成本却是普通水泥价格的3倍，维克托·李认为由于其用量比普通水泥少很多，而且持久耐用，因此维护费用将很低。
⑵开发出借助水浮力支撑建筑物的防震抗震系统。[61]2005年2月，日本媒体报道，该国清水建设公司近日宣布，开发出一种名为“局部浮力”的抗震系统，即在传统防震抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。
据报道，普通防震抗震结构把建筑物的上层结构与地基分离开，以中间加入橡胶夹层和阻尼器的方式支撑建筑物。相比之下，“局部浮力”系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，建筑物受到水的浮力支撑。水的浮力承担建筑物大约一半重量，既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。
地震发生时，由于浮力作用延长了固有振荡周期，即晃动一次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。据清水建设公司推算，6到8层建筑物的固有周期最大可以达到5秒以上。因此，在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好防震抗震效果。
此外，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。这一系统成本并不算高。以8层楼医院为例，成本比普通防震抗震系统高出大约2％。
⑶发现用竹子、绳子加泥土建造的土屋能抗震。[62]2005年7月，英国《新科学家》杂志报道，澳大利亚悉尼科技大学比扬·萨马利领导的一个研究小组，日前研究发现，使用绳子、泥土和竹子这些廉价的材料，可以帮助许多发展中国家将脆弱的土砖房变成坚固的抗震房。
据报道，当大地震袭来时，许多钢筋混凝土的现代建筑，都不能保证屋内的人员幸免于难，那些土砖修筑的房屋就更加不堪一击了。而全世界有1/3的人口都居住在传统的土砖房中，面临巨大的地震风险，比如2001年巴西萨尔瓦多的大地震就摧毁了11万间土砖房屋。
该研究小组试图找出加固土砖房的简单办法。传统的土砖是由晒干的泥土做成的，里头可能还含有一些稻草和沙子。萨马利研究小组用手钻在土砖上打出孔洞，然后将绳子穿过孔洞，如果绳子用聚丙烯这类耐用材料可能更好，再将孔洞填满泥土。泥土干了以后，他们用砖上的绳子将竹条竖着绑在房屋外面，每隔半米绑一根竹条，每两根竹条之间横着绑上铁丝。
研究小组认为，竹子因为高柔韧性，可以经受地震的考验，土砖结构在大地震中如果发生破裂，竹子可以保证砖块不会散开。他们对用这种技术制造的小房屋模型进行实验，将其放在一个震动的平台上，模拟当年萨尔瓦多7.7级大地震发生的情形。当模拟地震达到当年地震75%的强度时，未经改良的土砖房屋模型分崩离析，而改良过的模型安然无恙；即使强度加大到原来地震的规模，甚至125%时，房屋模型也只受到轻微的损伤。
《新科学家》杂志认为，这一研究非常难得，因为以前的房屋加固抗震办法都采用高科技手段，瞄准发达国家的人群；只有少数研究针对发展中国家的土砖房，但由于过去这些研究选用的材料往往是低收入建屋者的能力难以办到的，所以都不具备实际意义。而澳大利亚科学家此次发明的新技术，实用性比较强，在中南美洲、中亚和印度等地，应该有很广泛的应用前景。
目前，该研究小组正在对模型进行进一步的实验，他们计划在9月份召开的澳大利亚结构工程学会议上，报告自己的研究成果。
⑷设计让地震波远离建筑物的防地震斗篷。[63]2009年7月20日，法国马赛菲涅耳研究所专家斯特凡·伊诺克，与英国利物浦大学物理学家塞巴斯蒂安·古纳佑等人组成的一个研究小组，在美国《物理学评论通讯》上发表论文称，他们正在研究隐形斗篷背后的物理学其他方面的应用。他们的研究成果便是防地震斗篷，能够让冲击波、暴风浪或者海啸，在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”，进而达到保护建筑物的目的。
这种斗篷是如何工作的呢？为了理解其中的原理，我们首先应该了解地震波的两个主要分类：体波和面波，前者可以穿透到更深的地球内部，后者则在地表传播，这一点非常重要。伊诺克研究小组发现，控制体波非常复杂，很难实现，但在常规工程学框架内对面波进行控制还是可以做到的。古纳佑表示，由于面波的破坏性更大，如果能对其进行控制必然造福于人类。
据悉，这种概念上的隐形斗篷，将由几个大型同心塑料环制成，塑料环将紧贴地面。为了让面波平稳地通过塑料环，科学家必须对环的硬度和弹性进行密切控制。穿过这个斗篷的地震波，将被压缩成在压力和密度方面均处于极小程度的波动，进而能够沿着一条快速通道传播。这条通道可以被设计成弓形，通过调整塑料环的特性引导地震波远离斗篷内的物体。一旦离开斗篷，地震波便立即回到最初的强度。
这些神奇的塑料环可以让建筑物在地震发生时“隐形”，除此之外，斗篷本身也是不可见的。根据古纳佑的建议，应该将防地震斗篷安放在建筑物地基位置。为了保护一座横跨10米的建筑，每一个塑料环的直径需要在1至10米左右，厚度则在10厘米上下。
当然，所有这些理论仍需在现实实验中加以检验。如果伊诺克等人的研究成果能够得到应用，必将有无数人在地震发生时幸免于难。圣安德鲁斯大学物理学家乌尔夫·莱昂哈特虽然没有参与此项研究，但他表示，隐形物理学在现实世界的第一项应用，可能就是操纵地震波而不是光线。如果获得成功，隐形塑料环也可以按比例缩小以保护体积较小的物体。
