滚珠式基座抗震楼的模拟实验

崔 伟

（扬州中学教育集团树人学校，江苏扬州225000）

1 引 言

地震中由纵波、横波和面波共同对建筑物产生破坏作用.纵波是推进波，传播速度快，衰减也快，使地面上下颠动，破坏性比较弱.横波是剪切波，传播速度慢，衰减也慢，破坏的持续时间长，它使地面发生前后、左右的大振幅晃动，对建筑物造成极大的破坏力.面波是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长长、振幅大，只能沿地表面传播，它能引起建筑物扭动，也有相当大的破坏力.更由于房屋的惯性大，横波使地面移动时，上部依旧保持着静止状态，加上面波对建筑物的扭动作用，地震时就往往发现房屋会从中间断开.美国硅谷的“滚珠大楼”采用的是在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定在一起.当发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动，这样就大大减弱了地震对房屋的破坏力.

为了减小地震所产生的横波和面波对建筑物的破坏作用，根据“滚珠大楼”的设计原理，开展了滚珠式基座抗震楼模拟实验研究.

2 实验装置

图1 抗震楼模拟实验装置

经过多次实验改进，设计和制作了5层抗震楼模拟实验装置，如图1所示.抗震楼模型的顶层内挂1个小球，小球在晃动时一般不发光，只有与墙壁碰撞时才发光.抗震楼模型的第4层，用一个螺母穿在固定好的细导线中间，模拟地震时用来观察螺母来回移动的距离.抗震楼模型的第3层，在挖有孔的纸板上放置少许玻璃球，模拟地震时用来观察玻璃球位置的移动情况.把用钥匙链连接的小铁块吊装在抗震楼模型的第2层，下面放置1块磁铁，通常情况下，小铁块被磁铁吸引而不动，模拟地震时用来观察铁块的摆动情况.抗震楼模型的底层，放置1个塑料小瓶，内装90%的水，底部用双面胶与房屋模型1层固定，在模拟地震时观察水的溢出情况.地震模拟盘内部装有连杆，它能将电动机的转动转换为模拟盘的平动.图2所示是模拟振动装置，有电动机、调速器、皮带等.滚珠式基座如图3所示，抗震楼模型就安装在滚珠式基座上.图4所示是刻度盘与指针，刻度盘上有2个刻度：一个是模拟盘移动幅度的标志性刻度；另一个是指针摆动幅度的标志性刻度.它能控制模拟楼的晃动幅度.

图2 模拟振动装置

图3 滚珠式基座

图4 刻度盘与指针

3 安装调试

1）把地面支架平稳地放置在实验区域，把滚珠轴承水平放置在支架的轴上，如图5所示.

图5 滚珠轴承

2）将电动机和调速器固定在振动盘支架上，安装皮带并调节皮带松紧度，在调速器的顶部轴上安装1根可以调节旋转半径的横杆，杆的另一端与地震模拟盘上滚珠轴承的轴活动连接，把地震模拟盘放置在振动盘支架上，滚珠轴承在上面滚动即可.

3）把装有90%水的塑料小瓶、小铁块、玻璃球、螺母和发光小球的5个房屋模型从下到上放置，并与滚珠式基座上铁销固定，使其无法滑动.

4）最后进行电路安装和调试.

4 模拟实验

4.1 模拟地震对常规地基楼房的实验

将滚珠基座置于地震模拟盘上，用2块泡沫板左右卡紧滚珠基座（模拟建筑物地基固定时的状态）使其不能在模拟盘上前后左右运动.把楼房模型放置在滚珠基座上，座槽内用橡皮筋固定.

1）将地震模拟盘摆动幅度控制在0～6cm，频率为2～3Hz.观察到的现象是：指针随着晃动幅度的大小做相同距离的移动，指针指示到的范围为－15～15cm，由于地震模拟盘移动对房屋模型所产生的影响，5个来回后房屋模型1层与滚珠式基座发生左右分离的现象，房屋模型在滚珠式基座上左右跳动，房屋模型出现整体倾斜的现象.房屋模型1层塑料瓶瓶口有少许水流出.房屋模型2层小铁块克服了磁力作用，随着地震模拟盘移动做反方向的晃动，房屋模型3层内玻璃球在开始4s没有发生位移，后随着房屋模型在滚珠式基座上左右跳动，玻璃球全部移动，并在底座里面滚动.房屋模型4层内螺母在线上作较大幅度的移动，顶层小球在较大幅度摆动，但尚未发光.

2）将地震模拟盘摆动幅控制在0～12cm，频率2～3Hz.观察到的现象是：指针随着晃动幅度的大小作相同距离的移动，指针指示到的范围为－15～15cm，2个来回后房屋模型1层与滚珠式基座发生左右分离的现象，房屋模型在滚珠式基座上下跳动，滚珠式基座也在地震模拟盘上作上下跳动.房屋模型1层塑料瓶瓶口有较多的水溢出.房屋模型2层小铁块克服了磁力作用，随着地震模拟盘移动做反方向的大力晃动，房屋模型3层内玻璃球在开始4s后发生位移，玻璃球全部移位并在底座里面滚动.房屋模型4层内螺母在线上作更大幅度的移动，顶层小球与墙壁碰撞而发光.房屋模型从2层处断开，导致2层以上的房屋模型倾倒.

4.2 模拟地震对滚珠地基抗震楼的实验

将滚珠基座置于地震模拟盘上，把4个角用橡皮筋和地震模拟盘4个角相连（在正常情况下可以保持滚珠式基座和地震模拟盘的位置相对稳定），把楼房模型放置在滚珠基座上，座槽内用橡皮筋固定.

1）将地震模拟盘摆动幅控制在0～6cm，频率2～3s－1.观察到的现象是：指针指示到的范围为－8～8cm，由于地震模拟盘与滚珠基座之间的相对滑动（玻璃球在两者之间滚动）.所以房屋模型1层与滚珠式基座没有发生左右分离的现象，房屋模型在滚珠式基座上没有左右跳动，房屋模型没有整体倾斜的现象.房屋模型1层塑料瓶瓶口没有水溢出.房屋模型2层小铁块没有克服磁力作用，没有随着地震模拟盘移动作反方向晃动，房屋模型3层内玻璃球没有发生位移.由于地震模拟盘不是完全水平运动，所以滚珠基座在地震模拟盘上出现了少许上下跳动现象.房屋模型4层内螺母在线上作较小幅度的移动，顶层小球在较小幅度摆动，没有发光.

2）将地震模拟盘摆动幅控制在0～12cm，频率为2～3s－1.观察到的现象是：指针指示到的范围也为－8～8cm，房屋模型1层与滚珠式基座没有发生左右分离的现象，1层塑料瓶瓶口没有水溢出.房屋模型2层小铁块没有克服磁力作用，没有随着地震模拟盘移动作反方向晃动，房屋模型3层内玻璃球没有发生位移.与中等力量左右晃动地震模拟盘时相比，没有明显的区别，只是地震模拟盘晃动的频率加快了.房屋模型4层内螺母在线上移动的幅度不大，顶层小球摆动幅度也不大，没有发光.

5 分析论证

通过实验现象对比，发现无滚珠基座和有滚珠基座在晃动时产生的差异非常明显.有滚珠基座的楼房在地震时能有效地减小振动幅度，可达到抗震的效果.

1）在滚珠基座不能自由滑动的情况.当地震模拟盘从右向左晃动时，滚珠基座和房屋模型同样也要向左移动，当它们同时移动到某一位置时，突然地震模拟盘开始向右移动，由于惯性，滚珠基座和房屋模型还在向左移动，此时地震模拟盘对滚珠基座和房屋模型就会产生向右的剪切力，使房屋模型向左倾斜.同时瞬间地震模拟盘又向左移动对滚珠基座又产生向左的剪切力，这样往复多次.而滚珠基座和房屋模型是被固定的，所以就会出现滚珠基座和房屋模型的上下跳动.如在现实的地震中建筑物底部就会被切断，在汶川大地震中许多楼房的1～2层被切掉，3～4层楼变成一楼就是这个原因.

2）在滚珠基座能够自由滑动的情况.当地震模拟盘从右向左晃动时，滚珠基座里的玻璃球同样也会向右滚动，此时房屋模型与地震模拟盘始终保持垂直，无论地震模拟盘前后左右如何晃动，玻璃球始终在它和滚珠基座之间来回滚动，来消除剪切力对建筑物的破坏.所以有滚珠基座时，可以降低地震时对房屋起破坏作用的横向冲击，消除剪切力，起到抗震作用.另外，当建筑物需要搬家时，滚珠基座还能使建筑物水平移动，减少拆迁费用和建筑垃圾.