大地怒吼(BE0036)
Why The Earth Quakes：The Story of earthquakes and volcanoes

類別： 自然‧科普‧數理>科學
叢書系列：NEXT
作者：麥瑟斯．萊維、馬里歐．薩爾瓦多利
       Matthys Levy ; Mario Salvadori
譯者：莊安祺
出版社：時報文化
出版日期：1997年11月18日
定價：220 元
售價：174 元(約79折)
開本：25開／平裝／224頁
ISBN：9571324264

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▼  書摘 3

第十二章　隔絕地震

他們進入前院，雷霆和閃電擊倒了波斯人，接著又由附近帕納索斯山，落下兩塊巨石，壓死了波斯人。

——柯雷．沃夫哈特（Konrad Wolfhart）

18 世紀末，人類社會開始把地震視為天災，而不是上帝懲罰人類罪行的結果。科學家希望尋找避免或至少減少地殼突然變動所造成的損害。但接下來的兩個世紀，人們依然堅持「打不過就加入」的流行哲學觀。據美國建築學者克里斯多福．阿諾德（Christopher Arnold）的說法，他們儘可能建造堅固的房屋，緊緊地依附在地上，「想要和大自然角力」。

大地震動之時，許多能量進入建築物裡，必須由築在地殼上的建物架構吸收。設計師早就知道，越能夠使能量消散，建築物就越不需要抵抗地震的強大力量。我們已經說明了建築物越剛硬就越容易受地震損害，因為它會隨地面地伏而擺動，受到破壞，每一次大地震中嚴重受損的都是水泥建築。而且有彈性的建築則會彎折，而不是僵直地立在原地。因此，把地震的能量化為彎折的能量，倖存的機會較大。在近年來的地震中，鋼筋建築毫髮無傷就是明證。但如果建築物彈性太大，就會搖擺，無法居住。因此現代的防震建築介於其間，既需堅固可用，又必須富有彈性，以抵消地震的力量。

除了改變建築物的彈性架構之外，還有其他方法吸收地震能量。大部分的方法都得在建築物的接合或支柱部分使用減震器，它就像汽車的避震器，是個消抵能量的儀器，利用摩擦、以液體啟動的活塞，或是黏彈性儀器（viscoelastic devices）結合了彈簧和液體啟動活塞的動作，以發揮作用。

．基底隔振

當然，如果能容許建築物在地震之時只是轟立在當地，保持不動，是最理想的。但這樣做可行嗎？究竟是哪位天才首先想到這個問題的急進解決方法，已經不可考──讓建築物與地面分離，讓大地自行在建築物下面搖撼。如果做得到，那麼建築物就不應搖動，因為根據牛頓的慣性定律（law of inertia），除非施力於物，否則原本不動的物體就不該有所動作。到 20 世紀，發明家和業餘人士都受到這個實際想法的吸引。1907年，傑可．伯特德（Jacob Berchtold）依據這個原則而獲得專利，1909年，英國的醫師克蘭特林茲（J. A. Calantarients）也發表一篇論文，名為「建築和其他地上從屬物抵抗地震動作的改進和相關事宜」，他假設地震動作大部分是水面的（通常也是如此），因此若在建築物底部和地基之間洒下一層滑石（和其下的土壤連接，且位於其上），就能夠潤滑接合的表面，容許地基在建築物下來回滑動，而建築物則保持不動。

不幸的是，創意的理念與實行之間經常有驚人的距離，一直到本世紀末，「基底隔振」的理論觀念才以複雜的作法引入現實，讓我們看看為什麼會有這麼長的延擱。

．基底隔振的條件

想想下面這個簡單的實驗：在紙板上放一具玩具汽車或滑板，模倣地震的水平動作，用力前後拉動紙板。這輛玩具汽車並不會如紙板那般劇烈振動，只會些微地前後搖動，到「地震」最後，會停在距先前起始點有些微距離之處。這個簡單的實驗顯示，我們既不能容許建築物永遠離開原先的位置，也不能容許它前後移動幾公分以上，因此必須減緩其振動，讓建築物回到原來的位置。

為了達到這樣的目標，必須發明兩種裝置，一是容許建築物的基底移動，另一則是限制其振動。這樣的裝置唯有在預先知道大地的移動，同時正確估計因建築阻滯動作造成的慣性力量之時，才會有效。其實，一直到幾十年之前，這兩種必要的資料以及容許建築物有阻滯效果的材質都無法取得，此外，確定建築物對地震動作反應的結構力學，也不能正確算出建築物慣性力量值，直到電腦程式設計出來之後，才能解決這樣駭人的龐大數學習題。

最後，基底隔振還需要地震學者實地測量需要隔振的建築所在位置的地震動作。不幸的是，地震並不會應要求發生，因此無法測得資料。理論計算當然可以提供這方面的資料，但由於興建建築物不但悠關人命，而且也牽扯到龐大的金錢，因此建築商和官員絕不肯接受只依理論而來的數據，他們需要實地測試。因此學者必須設計出測試環境，能夠重現過去地震紀錄中同樣的動作，以及在實物大小建築物所造成的慣性力量。結果乃是測驗依比例尺大小建造的建物模型，重造地震效果的振動台。

1980 年代，所有的條件終於齊備：地震儀能夠提供地震動作所有的正確紀錄；振動台使地震動作重現應用在模型上；電腦程式輕易解決了結構動力學的非線性問題；而自然或人工橡皮製造的合成橡膠材質，則終於製出可以水平移動支架的彈性墊子。如今已經有數百的建築、橋樑和特殊結構（如核子反應爐）已經可以隔振，而且世界各地也都在發展新的隔振技術。

基底隔振並非解決所有地震問題的萬靈丹。例如，擺動時週期較長（3秒以上）的高建築物，就無法以現有合成橡膠材質阻消地表最危險的長週期振動；同樣的，位於（過濾了短週期擺動動作的）軟土建築地無法隔離，因為隔離會加長剛性建物的擺動週期，因而增強建築物所受到的長週期動作效果。這就是墨西哥市 1985 年大地震時所發生的情況，墨西哥市位於湖床上的土壤軟弱而不穩固，當時底部的地震動作是由長週期的震動造成。

．馴服地震

容許大地在建物底下作水平動作而限制建物振動的合成橡膠材質墊，必須強韌到支持得了建物的重量，且不容許大量的垂直移位，要這麼做，必須交錯安置層層橡皮和鋼板，在水平的剪切傾斜中能夠輕易地滑動，在垂直方面卻是剛強的。合成橡膠的彈性雖然容許建築和大地之間的水平（相對）動作，但也限制建築的動作在幾公分之內的範圍，以免損壞建築物內橫佈在橡膠墊上昂貴的彈性電力和機械零件。檢視在地震設計中非常重要的加速度反應譜曲線（acceleration response spectrum），就很容易了解基底隔振的效果。因為所有的建築物都會受地震的影響，以基礎週期（完成一次擺動的時間）如頭上腳下的鐘擺一般擺盪，因此藉著紀錄頂量（simple mass）在逐漸加長的垂直葉片彈簧（verical bladesprings），相當於倒置鐘擺漸漸增加週期上的反應，就可以得到加速度反應譜。加速度反應譜是鐘擺最大加速和逐漸增加週期的比例圖，如圖所示，在初步的增加之後，最大加速度隨著週期增長而減少。而由於施加在建築物上的慣性力量和加速度成比例，逐漸增加的週期則顯示更大的彈性，因此反應譜在量上也證明了地震力量在彈性建築物上，比在剛性建築物來得小。

1989 年洛瑪普瑞達發生規模 7.1 的地震，當時舊金山的高層建築就證明了這種現象的存在。較老舊、較缺乏彈性，沒有鋼筋混泥土的磚石房屋受損嚴重，或甚至整個崩塌，而符合最新建築法規的彈性高層建築，雖然像風中樹木般擺動，但卻毫髮無損。這類似於暴風雨侵襲森林時發生的狀況，堅硬古老、外觀強健的橡樹可能會被風吹倒，而左右款擺的小柳樹卻能夠毫無損害。

．減緩隔振系統的動作

在我們把建築物和大地隔離，進行隔振之後，也必須確定建築物不會過度移動，更重要的是，它必須回到原來的位置。

有好幾種方法可以避免建築物移動過度，最簡單的可能是在人造橡膠墊中混合具有特殊目的的填充物，增加墊子的內摩擦（internal friction），藉此減少建物隨著大地前後搖動。此外，摩擦也吸收了地震搖撼建物的能量，降低地震在建築物上的影響。（能量永遠不會完全消失，只是由一種形式轉變為另一種形式，而由摩擦吸收能量，會轉變為無害的熱能。）經過處理的人造橡膠墊還有另一個好處，由於摩擦抗力，因此也能防止微風或汽車駛過就會造成建物搖晃的困擾。

用來減緩建物晃動的另一種裝置，是在每一個人造橡膠墊中心塞入鉛栓，藉著鉛的可塑性，大幅增加墊子在剪切扭曲時消散的能量。

所有的隔振系統最後的問題就是如何使建築物回到原來位置，解決方法通常是靠彈簧的彈性，或是以水平鋼筋作為彈簧的拉力，再不就是藉著中心有垂直鋼管作為垂直懸臂彈簧的人造橡膠墊。

．「薄弱一樓」隔振器

本世紀初，早在人造橡膠墊發明之前，美國各大城市就出現三、四層樓的連棟建築物意外成為極佳的基底隔振法典範。這些連棟建築物的底層只作車庫使用，在地震發生之際，底層的柱子無牆壁支撐，因沈重而缺乏彈性的樓層重壓而彎曲，甚至危險傾斜，但其上的樓層卻安然無恙。雖然有時候這樣的建築物不可能回到原先的形狀，甚至造成建築物的毀損，但這也顯示了另一種建築物隔振的方法：薄弱一樓系統（the weakfirst floor system）。作法是把底層支柱的兩端鉸接起來，藉彈簧限制底層的動作，或是在管翼中打上直徑較大的樁，鉸接上下兩端，並把它們聯接在鑄於混凝土塊的底層鋼筋頂端。在後面這種作法中，管翼會限制建築物的移位，而連接在沉重混凝土塊中的鋼筋則有彈簧的作用，可以讓建築物回到原先的位置。

據建築大師萊特說，帝國飯店就是因為其有彈性的長基樁，才能在 1923年東京大地震時逃過一劫，這種基樁就像地下「薄弱一樓」的柱子一樣，能夠讓沉重的鋼筋混凝土建築在其中水平搖擺而毫無損害。

．隔振的費用

就像其他防震方法，隔振的作法必須經濟實惠，人們才會樂於接受。隔振系統容許建築物的擺動幅度越大，地震施加在建物上的力量就越小，建築結構的成本也越少，但如果建物大幅移位，隔振層必須裝設的彈性電力和其他機械系統費用也將大幅增加。同樣地，大幅減緩隔振系統的力量，雖能縮短建築物搖擺的週期，但也會增加施於其上的地震力量。因此隔振系統必須在經濟和動力兩方面達到平衡。

洛杉磯蓋堤美物館（Getty Museum）就為珍藏的許多寶貴雕刻，如西元前 5 世紀的女神阿芙羅黛特雕像，作了基底防震措施。雕像置於隔振器上，容許它在大理石基座上前後微微滑動，在一波又一波的地震之下毫髮無傷。比起無價的藝術品，隔振器的費用不過是九牛一毛。值得一提的是，加州政府新規定的醫院非建築隔振法規，比起毫未作防震措施的醫院，只增加了不到 1 % 的成本。

．紐西蘭聯合大樓

紐西蘭奧克蘭市的聯合大樓是一棟 12 層高的預鑄混凝土辦公大樓，紐西蘭地震的頻率大約與加州不相上下，建在新生地上的聯合大樓因而採用長達 9～12 公尺的地樁。為了隔絕沒有展延性的混凝土結構，混凝土的地樁裝入鋼管中，上下削弱，製造出鉸鍊，成為「地下薄弱一樓」，容許水平的動作。地樁上層的動作受到混凝土內包鋼筋的能量消散器（energy dissipator）所限，這種能量消散器若在強大地震中被拉過彈性限度，就需要更新。

大樓的地面結構由嵌在混凝土中的鋼板交叉支撐，以減低其週期。電梯井是不載重的防火木製結構，以由二樓吊入電梯通道的鋼架支撐，這個如鐘擺般懸吊的電梯井結構，對一樓和地下室之間有著 150 公厘的淨空間距。

由於預鑄建築的速度快，使興建時間縮短了 2 個月，而且上部結構相當簡單，聯合大樓興建的費用因此較預估減少了 4 % 左右。

自 1989 年媒體報導聯合大樓迄今，還沒有發生過地震來測試這套防震系統的作用，但依據理論上的估計，當地如果發生如平常一般規模的地震，損害應該是極輕微的。

．加州洛克威爾大樓

位於加州海豹灘的洛克威爾國際公司，共有 600 名員工，負責監測美國太空總署太空梭的發射和飛行任務。企業大樓位於距新港──英格伍斷層（Newport-Inglewood Fault）一公里之處，預期當地有可能發生規模 7級的地震。然而洛克威爾公司的作業絕不能有任何一分鐘停止，因此洛克威爾大樓於 1992 年經過加固整建，確保大樓及其內的精密儀器設備，在地震時必可安然無虞。

這棟 8 層樓高的混凝土鋼板建築於 1960 年興建，作為辦公之用，專家以鋼筋混凝土的外層作了部分的整修，符合了最近法規的展延規定，同時也運用人造橡膠墊防震系統接在樓梯井和電梯井中，在電梯井還添加了鐘擺結構。人造橡膠支柱是單層的橡膠─鋼板，裝設在 26 個內柱之下，24 個中間外柱裝有鉛心雙層橡膠墊，四個角柱下裝有鉛心單層橡膠墊，這些全都裝設在一、二層樓之間。鉛心的主要目的是防止因風而起的小振動，共有兩種尺寸，以配合建築物不同部分的不同扭轉結構抗力。外在的柱子則由雙層墊支持，載負了 90 % 的地震力量，因此在結構上也經過加強。

在一、二層樓之間裝設人造橡膠墊的複雜作業，必須要一次切開一塊柱子，把上面七層樓的重量抵在臨時的千斤頂上，插入墊片之後，再把支柱的上半部移到墊片上。但最複雜的整建工作是切開兩個電梯井筒，讓它們成為擺盪狀，而不損及地震時大樓的運作能力（人造橡膠墊不能用在電梯井筒的隔振，因為井筒對建築物不同的水平動作，會達到 360 公厘）。因此工程師決定要由底部切開電梯井筒，在切口插入鐵弗龍的潤滑板，既不提供橫面的支撐，也不提供阻滯，但卻容許電梯井筒隨建築上部一起移動，宛如由上部建築懸掛下來的巨大鐘擺。所有的水電線路經過隔振屆時都要重新安裝，必須更有彈性才行。

除了施工技術之外，更重要的是說服立法官員。工程單位經過 6 個月的會議與討論，再加上提出計畫之前的時間，說明建築設計雖然有一、兩個係數超過法定的標準，但依然會保持安全。工程師不能只閉門造車，還必須要有強而有力的說服能力，才能在引進以純數學為考量的新系統時，發揮效用。

．主動積極控制地震

平價的高速電腦促成了電腦操控的防震系統大步發展。

到目前為止，我們談到防震系統中的彈性和阻滯裝置，都是被動消極的，也就是說，它們會自動回應地震的慣性力量。主動的防震控制系統則是出可以感受到地震時地殼加速度的電子儀器啟動激振器（mechanicalactuators）造成，激振器受感應器指揮，在建築物上施加和地震相當但相對的力量，中和了地震施於建築物的壓力。

激振器配合薄弱一樓系統，主動施加控制，在地震要把一樓向左拉時，激振器會把它向右推，反之亦然。因此建築物由一樓以上都保持靜止不動，唯有地基和地殼在建築物底下震撼。

由於電子訊號傳送和激振器的動作必然會延遲發生，因此不能達到完全理想的結果。但在震動台上裝有主動控制地震系統的模型上，已經可以見到震動大幅減緩的情況，因此我們可以寄望未來，這種防震技巧讓我們再也不用擔心地震。