地震發生時,「高樓層」和「低樓層」哪個更安全?很多人都猜錯了,長見識了

近年來, 地震因地層活動變得 愈加頻繁,中國、日本、歐美地區都有不同程度的地震出現。地震的災前災后教育深入每個人的心中,相關的知識告訴我們 地震時存在黃金三角地帶,以及 黃金12秒的逃生時間

但即便是這樣,地震發生時仍會出現許多傷亡,這是為什麼?

地震時可以利用黃金三角保護自己

排除夜間發生的地震,以發生的大多數案例來看, 人們在遇到災難時會慌不擇路,特別是處于高樓層的居民,這種現象更加明顯。不少人都相信, 高層住戶在地震發生時會比低層住戶遭受更大的災害風險。然而不少研究結果顯示,這種情況并不一定。

那麼 影響高層建筑的關鍵因素在哪里?地震是 如何影響高低層建筑的?現代建筑又是如何通過建筑設計來 抵御地震侵害的?如果地震發生時,高層住戶又該 如何應對

是不是越高越危險?

本文接下來將 從地震、地震波、機械共振影響以及建筑結構設計這幾個方面來解答這些問題。同時讓我們來看看,發生地震時,哪一位置的樓層更安全? 高樓層真的比低樓層危險嗎?

高樓層相對更安全

首先在這里先直接宣布一個結果,事實上在地震發生時, 高樓層所遭受的風險遠低于低樓層。具體是為什麼,接著往下看。

強烈的震感會讓人和建筑搖晃

關于地震,我們需要先搞清楚,地震是如何影響到地表建筑的?現在大家都知道的一點是, 地震是地球內部的一種能量釋放,這種大規模的能量釋放 以地殼為終點,最后能量傳遞至地表

這其中影響地震破壞力的關鍵因素在于 地震波,這是穿過地球層的一種 能量波,無論是地震、火山爆發等等都會形成這種能量波。 地震波的傳播速度取決于介質的密度和彈性,以及波的類型

火山爆發會形成能量波

對于地球內部活動產生的地震波來講,這種能量釋放會產生基本的三種波形,即 縱向P波、橫向S波、表面波。而它們對地表的影響則受巖石、土壤等其他介質影響。

一般來講,如果是在地球內部, P波的傳播速度要遠高于S波,地質學家能夠通過對P波的監測粗略的計算出震源的深度。如果是在上地殼中,P波會因介質變化出現變動,越靠近地面這種能量傳遞也會越弱。

地震波

與之相比, S波對地表建筑的影響最大,損害結果也最高。簡單的解釋是因為,P波的能量傳遞是沿它們行進的相同方向進行 擠壓和擴展,而S波則是 上下和來回進行晃動。因此,對于建筑物來講, S波的活動是造成地震災害的主要原因

那麼地震波又是如何影響建筑物,最終導致建筑物倒塌的呢?

因地震倒塌的房屋

共振對高低層建筑的不同影響

關于地震對建筑物的影響,這主要涉及到 機械共振的影響。共振的出現主要在物體被施加了 周期性的頻率波動時,當它接近或者等于作用系統的固有頻率時,共振便會發生。

機械共振也是如此,它主要體現在物體 固有頻率的匹配和能量的吸收變化。通常影響這種現象的主要來自于 駐波變化

駐波圖示

最常見的駐波震動便是在 弦樂樂器上,例如吉他弦的振動會逐漸形成一個連續體。當以特定頻率驅動固定長度的弦時, 波會以相同的頻率沿著弦傳播,再從弦的末端進行反射,最終形成穩定的狀態。

如果這種能量波在兩個方向傳播,它們的波形是 疊加的。并且在許多情況下,這些系統下的頻率共振會因其固定位置形成具有 大幅度振蕩的駐波

吉他通過弦的震動產生音樂

現在讓我們回到建筑物上面來,當地震出現時,S波傳遞到建筑物中,建筑物也會跟著這種能量波進行一定頻率的來回晃動。當 建筑物的自然振動頻率和地震的振動頻率逐漸因能量反射進行波形疊加時,共振就會出現。

一旦建筑物出現共振, 共振傳遞的能量便會破壞整體結構,從而促使建筑倒塌。由于低層建筑在受到能量傳遞時接觸的時間和頻率,以及反饋變化是最直接最完整的,因此 低層建筑受到的影響最大

敲擊音叉可以觀察到共振現象

相比之下,高層建筑因為能量波的回饋傳遞需要一個過程,并且 能量會在傳遞中遞減,因此 高層建筑受到的影響較小,從而可以減輕共振帶來的影響。

另外,剛才也提到 能量波的反射疊加會造成更大的能量聚集,因此這種共振現象在被放大后,底層的建筑會最先受到威脅,然后建筑從底層倒塌,最后是高層住戶。

從圖中可以看到,底層受到的破壞最嚴重

如果一定要說哪一層更加安全,這也是相對來講。一般對于高層建筑而言, 1~3層的住戶受到的影響是最大的,其次是10~15層以內,然后 越往上相對受到的影響越小

不過這也 并不是說高層建筑就一定比低層建筑安全,事實上,這種狀態還要看具體的地震影響。如果建筑受到了粉碎性破壞,那麼高低層則沒有任何區別,并且高層建筑在倒塌的過程中會產生更大的能量釋放,由此帶來的 墜落會造成二次傷害。

地震時不可直接從高樓跳下

只是相比之下,倒塌后的建筑是 高層在外,底層在內,對于救援任務來講 更容易獲救

不過我們也不必太過于悲觀,事實上,工程師在設計高層建筑時都考慮到了這種駐波影響和共振危害。

因地震倒塌的高層建筑

建筑物是如何完成抗震的呢?

以我國的建筑環境來講,國內大多數高層建筑都以 框架-剪力墻進行建造,它被分為 剪力墻結構框架結構

框架結構可以把它理解成樓房的骨架,是 承重體系中的一個主體結構,它由梁架和柱子共同組成一個基本框架,而 剪力墻主要用鋼筋混凝土墻板來 填補框架之間的空缺。

框架剪力墻結構

通過兩種結構的融合, 框架-剪力墻能夠抵抗較強的水平側向移動,并且鋼筋混凝土使得它有較大的剛度, 抗剪能力較強,同時這種結構設計還可以較大程度的 減輕樓房的自重

當地震出現時,這種復合結構能夠有效地 分散地震的能量波,從而 避免建筑出現共振。但是這種結構由于主體為框架桿系結構,整體承載力和剛度較低,樓層一旦超過15層,這種影響就會特別明顯。

樓層阻尼器

對于高層和超高層建筑,解決這種共振問題的另一個方案還有 樓層阻尼器。阻尼器被安置在建筑下方,通過 吸收駐波能量,以此最大程度減緩波動帶來的共振。另外還有 風動阻尼器,可以幫助高層建筑 減緩因風力帶來的晃動影響

高層樓房設計一直以來都在不斷更新,各種建筑設計和規范要求也在變化。總體來講,無論是高層還是低層建筑,在今后會有著更高的設計標準。另外,在一些 地震帶地區,樓房的設計還有相對應的工程標準。

學生正在進行地震逃生自救演練

高層和低層也有各自的好處,因此也沒必要過多的擔心地震帶來的影響。如果發生地震,我們所需要做的是 遵循地震自救知識完成相應的規避

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