探秘“建筑的铠甲”西安建筑科技大学结构与抗震实验室：“抗震明星”小雁塔 被称为古建筑里的“不倒翁”

对于人类，地震意味着灾难。那么建筑如何“强身健体”？如何拥有抗震的智慧？西安建筑科技大学结构与抗震实验室里尽是答案。这家教育部重点实验室承担着全国许多项重要科研实验，除了现代建筑，还承担西安小雁塔、西安钟楼、山西应县木塔、蓬莱宫山门戏楼等古建筑抗震实验研究。近日，华商报大风新闻记者走进实验室探访，带你一起寻找其中的奥秘。

》》记者探访

“小雁塔”走进实验室？是模型

这真是一个巨大的实验室！记者注意到，实验室内有超大的实验设备、“钢筋水泥结构”等。一眼就看到了“小雁塔”！是一个“小号小雁塔”！除了比真实的小雁塔小一些，其他看起来真是一模一样，原来这是小雁塔试验模型。

这只是其中的一个试验模型，现场还有许多模型，而且每一个模型上贴着一个小横幅，横幅上写着试验模型所属试验名称，有长安塔模型振动台试验、锈蚀钢框架模型振动台试验、三层钢框架动力特性教学试验、“西藏石木结构农房”振动台试验、“西藏土-木-石混杂结构农房”振动台试验、震损砖木结构农房加固修复振动台试验、高台基木结构古建筑振动台试验等。每一个实验模型都是不同风格的建筑，“小号房屋”看上去很是逼真，实验室现场像是一个全国建筑的“大聚会”。

西安建筑科技大学土木工程学院、结构与抗震实验室李老师介绍：“做实验时，会用专业设备把建筑模型整体移动到试验台，然后根据试验流程开始试验，并且记录数据。之前实验室还有钟楼模型，我们也做过关于钟楼的试验。”

为了“地震模拟器” 定制上下两层楼

振动台是什么样的呢？李老师带着记者走到振动台旁，这可是一个大家伙，国外引进的，挺贵。从现场看，试验时放置模型的台子是灵活的，四边与地面是分离的，台上有各种各样的设备以及相应的连接线。这只是整个振动台设备的一部分，“还有操作室，负一层还有一部分非常重要的设备，所有设备配合起来，才能有模拟地震时的场景。”李老师一边介绍一边带着记者来到负一层，这个负一层的设备更大型，能看到很粗的管道。

在一层操控室，为电脑智能化操作，可以控制模拟地震时的地震强度。“这个实验室，专门设计了负一层，就是专为这套设备定制的。因为设备先进，全国不少兄弟科研院校团队将模型运来，委托我们实验室完成抗震试验，所以你看现场有不少全国各地的试验模型，模型是外地建筑风格。”李老师介绍。

地震波为实际发生地震所采集的数据

在实验室现场，华商报大风新闻记者好奇地问出一系列问题：地震模拟振动台能模拟出多大的“地震”？现场看到的小雁塔等试验模型，一般与实际体积的大小比例是多少？由什么材料制成？在地震模拟振动台进行试验的流程是什么样的？对此，李老师一一作出解答。

地震模拟振动台是通过输入地震波来模拟地震的，地震波可以为实际发生地震所采集的数据，如汶川地震波、土耳其地震波等。根据试验的需要，可以输入不同大小的地震波，一般采用加速度（g）表示输入地震波的大小，像西安市的抗震设防烈度为8度，对于西安的楼房模型在振动台试验时至少满足0.2g的加速度要求。

现场看到的小雁塔等试验模型，一般与实际的尺寸大小比例为1/10——1/4，材料基本采用与实际结构相同材料或者采用相似材料来代替。

地震模拟振动台试验一般先根据原型结构设计制作模型，模型制作好以后把它安装固定在地震模拟振动台上，随后按照试验的加载程序进行试验。试验中一般会选择两条实际地震波和一条人工合成地震波进行输入，从小的抗震等级开始，逐步增大，直至模型破坏。加载的过程中，还要观察模型的破坏情况以及模型不同关键部位的试验数据，从而来分析模型的抗震能力。

力大无穷的“钢铁侠”，专搞“破坏”

走到实验室的另一侧，能看到一个更大的家伙，蓝色钢架直通房顶，像是看到了“钢铁侠”！“这个巨大的设备可是力大无穷！你可以理解为反力墙和推动器，它像一双大手，可以‘推拉揉捏’这些建筑模型，测试它们有多‘结实’！”李老师介绍。

在设备旁边，3位戴着安全帽的研究生同学正在测量一个木质结构建筑，上方横幅上写着：应县木塔楼阁式古建筑木构架——叉柱造铺作结构协同抗震机理研究。

“木质结构建筑旁边就是推动器，通过撞击测试，来研究建筑的抗震状况。”李老师介绍，“你看，这台电脑上，是大家记录的数据，所以，科研工作常常是枯燥、辛苦的，无数次的实验，大量数据的记录，分析对比，最终，才有可能收获成果。”

“试验墙”密密麻麻画着线写着数字

再走几步，能看到好几排“试验墙”，属于钢筋混凝土结构。记者注意到，其中一面墙已有破损，更令人好奇的是，这面墙上画着密密的线条，线条上标记着许多数字。“这就是做试验的师生记录的数据。每一条线是沿着裂缝画的，而线条上的数字代表着这面墙受了多大的力时会在这个位置产生裂缝。做试验时是谁在撞这面墙呢？就是刚才介绍的这套巨大设备。”李老师介绍，“一项科研成果的背后，是无数次的试验，是无数数据的记录。”

》》实验成果

了解一下小雁塔、钟楼模型抗震实验成果

华商报大风新闻记者了解到，西安建筑科技大学结构与抗震实验室为教育部重点实验室、西部绿色建筑国家重点实验室结构工程与抗震分实验室。实验室有国内最先进的三维六自由度地震模拟振动台试验系统，为西部地区特别是陕西省在抗震领域的研究和重大工程 （装备）实验技术需要提供了重要技术支持，不断提升了在国内抗震领域的研究水平和地位。此外，还加强对外合作与开放交流，主持并参与了一些国外合作单位的科研项目。

据了解，20多年来，西安建筑科技大学古建筑团队研究成果成功应用于多项国家级、省市级重点文物建筑保护工程及历史建筑保护工程中。团队先后对西安钟楼、陕西渭南韩城城隍庙广荐殿、山西应县木塔、山西长治留宝峰寺大殿、蓬莱宫山门戏楼、西安南新街礼拜堂、西安唐兴庆宫等木结构文物建筑及历史建筑开展了残损调查、结构检测、安全性评估及抗震鉴定工作。

现在，我们介绍一下实验室在古建筑抗震、黄土地区建筑抗震等特色研究方向的成果。近年来，实验室承担西安小雁塔模型振动台试验、西安钟楼模型振动台试验、光岳楼模型振动台试验、独立式石箍窑洞模型振动台试验等几十项科研试验。我们仅列举少部分。

成果1

王社良教授团队开展西安小雁塔模型振动控制技术振动台试验研究，设计并制作一个 1 /10 的小雁塔结构缩尺模型，并将SMA-SPDS新型减震系统设置于小雁塔模型结构中进行模拟地震振动台试验，有效减小古塔结构地震响应，对砖石古塔结构的消能减震保护具有参考价值。

成果2

谢启芳教授团队开展西安钟楼模型振动台试验研究为研究，设计并制作一个1/6的结构模型进行振动台试验，得到了模型结构在不同地震波、不同峰值加速度下的加速度响应、位移响应和破坏形态，在整个试验过程中,结构未发生扭转，具有良好的抗震性能。此外，对钟楼重要构件的残损现状进行了系统的检测与监测，对其健康与安全状况进行了科学评估。相关成果还应用于韩城城隍庙等文物建筑的安全性鉴定和加固保护工程中。

成果3

薛建阳教授团队开展独立式石箍窑洞模型振动台试验研究，设计并制作一个1/ 4的结构模型进行振动台试验，对窑洞结构模型的破坏形态、动力特性、加速度响应、位移响应、扭转效应、基底剪力等进行分析，研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。

》》抗震科普

“定楼神针”是真的吗？

认识一下 “阻尼器”

华商报：我们经常听说摩天大楼里有“阻尼器”，像定海神针一样，它到底是怎么让大楼停止“摇摆”的？

李老师：这里面涉及到一种消能减震技术，它是在建筑里面附加各种消能减震装置（阻尼器）来消耗地震能量，对于比较小的地震，几乎所有的地震能量都可以被阻尼器消耗，建筑在地震作用下几乎完好无损。对于很强的地震下，阻尼器可能无法全部地消耗地震能量，但仍分担了相当部分的地震能量，显著减小地震对结构的作用。在这过程中，阻尼器可能为了保护建筑而破坏，有点类似“保险丝”的作用，而阻尼器在地震后也可以继续发挥对建筑的保护。

这里说的摩天大楼定海神针，专业术语叫被动调谐质量阻尼器（TMD），主要用于建筑结构的振动控制。它一般支撑或悬挂在建筑中，建筑在受到地震或强风作用下，TMD系统能够使建筑产生与地震或风相反的作用，TMD系统也不断消耗振动能量，从而起到减小建筑晃动的作用。目前超高层建筑多采用TMD系统减振，如中国最高楼上海中心大厦就采用的是TMD系统减振，已经经历了多次的强台风洗礼，减振效果显著。

“隔震”就像穿气垫鞋？

故宫就用了同款抗震技术

华商报：还有一种技术叫“隔震”，听起来很神奇。能不能比喻一下？

李老师：隔震技术也可以理解为一种减震技术，是将建筑的上部结构与基础的振动隔离，可以较好地减小地震对建筑上部结构的作用，像给建筑穿上了一双带有气垫的跑鞋，或者站在一块滑板上，来避开地震的冲击。比如，古代故宫博物院建筑底部采用糯米层，也是采用隔震技术。

装修房子时这些“红线”不能碰

华商报：实验室有没有在研究一些“黑科技”新材料？

李老师：实验室相关老师已经采用记忆合金材料应用于阻尼器的研究工作，也取得了一定的研究成果，并逐步进行推广应用。

华商报：实验室里这些高大上的研究成果，最终是怎么保护我们每天居住的楼房和学校的？我们普通人在装修房子时，哪些“红线”是绝对不能碰的，以免破坏房子的“抗震力”？

李老师：实验室的研究成果一般可用于两种应用，一是对现有结构设计规范进行修订，为后续结构设计提供理论依据。二是成果推广应用，可以直接应用于实际工程中。我们普通人在装修房子时，对于柱子、梁、剪力墙等房屋结构的承力构件，是不能破坏的，不然对整个结构的受力体系有很大的影响，会产生较大的安全隐患。

精准预警地震还需进一步努力

华商报：有没有哪个建筑或桥梁，是您心目中的“抗震明星”？为什么它如此特别？

李老师：应该是我们西安的小雁塔，我们团队对它的抗震性能进行了振动台试验研究。它扛过70多次地震，甚至三次裂成两半，再经过地震又自己“长”合了，堪称古建筑里的“不倒翁”。

华商报：未来的抗震技术会向什么方向发展？会不会像手机天气预报一样，我们能提前几十秒收到手机的精准地震预警和避险提示？

李老师：未来的抗震技术一方面研发高强度、高韧性的建筑材料，另一方面不断发展智能型、精准型的新型减震技术，不断提高建筑的抗震性能，让我们住上更安全、更放心的房屋。

目前我国已经逐步建立地震监测预警体系，有提前预警，但是对于地震灾害来说，均有较高的复杂性、骤然性，精准预警地震还需要进一步努力。对于目前的新建建筑来说，具备极高的抗震性能，地震发生时不应恐慌，及时就地避险。

在家做关于地震的小实验，怎么做？

华商报：对于中小学生，想在家里做一个最简单最直观的、关于地震的小实验，该怎么做？

李老师：对于中小学生，可以做一个大楼阻尼器的小实验，取两个空矿泉水瓶子，对于其中一个瓶子，在瓶盖上面挂一根细绳，细绳下端挂一个小铁块，然后把小铁块和细绳放进瓶内，瓶盖盖紧，这样就做了一个简易的被动调谐质量阻尼器（TMD）。然后可以用嘴吹这两个矿泉水瓶子，看看两个瓶子在风的作用下有什么不同？

华商报大风新闻记者 任婷 王昊 文/图 B48