扬大学子研制出悬木“抗震楼梯”


 


   地震时,很多人第一选择的是通过楼梯逃生,但在最近的几次大地震中,有些地方房屋还没倒,楼梯就最先倒塌,导致很多人无法逃生。最近,扬州大学建筑科学与工程学院的三位学生,研制出一种新型楼梯,它的最大功能是提高房屋的抗震减灾性能,保障人们的生命安全。


据了解,这种设计国内还没有先例,目前该研究已完成最初的实验测试,正申请国家专利。


为什么要研制防震楼梯?


传统楼梯地震时易倒塌


“在前期工作中,我们研究了大量资料,发现在汶川地震中,楼梯往往在房屋的主体结构破坏前,就产生断裂、倒塌等现象,而楼梯作为人们的逃生通道,却没有发挥作用。”这项研究项目的负责人任斌告诉记者,这种现象促使他们建造一种新型楼梯设置。


他解释,要想研究新型的楼梯设计,就要先了解楼梯在地震时为什么会最先出现断裂、倒塌现象?“我们研究发现,地震时,楼梯会受到很多方向的挤压,不仅有水平的力,还有竖直的力,而楼梯本身是和房屋的整体框架连在一起的,根本就动不了,如果它受到强大的挤压力时,最终的结果就是断开。”


任斌以手中的木头条为例,将它夹在固定的两个桌子中间,你水平方向不断地挤压它,又在竖直方向拉扯它,由于木头条本身固定,不断地有力冲击它的时候,它只能断裂,但桌子就相当于房屋的整体框架一样,只会有晃动,但不会倒塌,除非力量更强。


防震楼梯特别在哪里?


楼梯和房屋框架分开,外形像秋千


研究项目成员李鹏程告诉记者,他们研究的新型楼梯,全名为新型预制悬挂式木楼梯,相对于传统楼梯,有两点不同,第一个是在楼梯建造设计上,另一个则是楼梯材料的选择。


“以往楼梯都是通过钢筋和房屋的整个框架结构连在一起,而我们的设计则是将楼梯和房屋的框架分开,互不干涉。”李鹏程告诉记者,这个设计就是考虑到,当地震来临时,传统的楼梯会受到来自房屋整个框架的挤压力,而如果将其分开,形成各自的独立体,这种挤压力就不存在了。


传统的楼梯就是通过和整个框架结构连在一起,才搭建起来,那不连接在一起,楼梯怎么固定


和搭建?李鹏程介绍,这就是他们设计的核心理念了。“首先,我们通过房屋的横梁固定四根长角钢,然后在四根长角钢下固定住一个平台板,也就是楼梯的休息台,接着把楼梯一头的踏步阶梯连接在这个这个平台板上,另一头则是接在另一个平台板上,而所有平台板的稳定性则是通过固定在横梁上的四根长角钢来完成。”李鹏程解释,这个设计的外形有点像秋千,在横梁上挂着四根绳子也就是长角钢,然后在底下搭上一块板子,也就是平台板,板上接上楼梯。”


“这样就将楼梯和房屋的整个框架分开,在地震的时候,楼梯就不会受到房屋框架的挤压,可以前后左右晃动一下,但一般情况下,楼梯是绝对稳定的。”任斌说。


“秋千楼梯”怎么保证安全?


多用枢纽,用承受力更大的新型材料


以秋千来比喻楼梯的设计,此时可能很多人都会心生疑问:这样的楼梯用在大型建筑上结实吗?安全吗?对于这样的问题,任斌的回答是肯定的。


“我们所有设置的前提都是在稳定的基础上,首先在几个节点上,我们都用材料将其固定住:在长角钢固定在横梁上时,用U型钢将其稳定;在平台板和长角钢的接触点、楼梯和平台板的接触点上,都是通过等边角钢连接在一起。“这些材料也就相当于楼梯和框架的枢纽,和传统的楼梯构造是一样的,都是将受力放在房屋的框架上,但却互相独立。”


而在材料的选择上,任斌用的不是传统的水泥、木材等材质,而是选用的LVL新型材料,LVL材料密度小,强度高,能够承受的力更大,“这是近期才出现的比较新的材料,将其用在楼梯上,还属首次。


那为什么会想到这种材料,任斌解释,这主要是想到减轻楼梯的自重,在其指导老师刘雁教授的提点下,想到用这种新型材料,“这种材料比较轻,可以减轻楼梯自身重量,但承受的重量却比以前高。”任斌说。


“秋千楼梯”实验结果如何?


传统楼梯倒塌时,抗震楼梯才现裂痕


虽说所有的理论都支持这个楼梯设置的可行性,但是它究竟可不可以防震呢?李鹏程告诉记者,目前为止,他们已经做过了最初的实验,按照1:20的比例制作实物模型,建造了两个房屋框架,一个是传统的楼梯设置,另一个则是他们设计的新型预制悬挂式木楼梯。


“将两个模型一起放在震动台上,这个震动台可以现场模拟地震时的状态,”李鹏程介绍,经过实验证明,在同等震级下,传统楼梯设置的那个模型楼梯最先开始断裂,而另一个模型则丝毫没有损失,而将地震级数增加时,传统设置的模型,楼梯逐渐出现裂缝,直到倒塌下,而新型设置楼梯在传统楼梯倒下的同等条件下,也才开始有些许裂痕,却不会断裂。


“底下,我们还会进行多次实验,确保这种新型楼梯的安全性,保证在地震等较大的冲击荷载作用下,楼梯能够保持原有的结构,发挥其应有的疏散功能。”李鹏程告诉记者,在这项实验之前,他们进行了很长时间的资料分析,虽说现在防震的楼梯和房屋设计很多,但他们的这种研究项目在全国还属首次,目前,他们已经开始申请国家专利。

来源:和讯网

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