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地震能震倒塔吊吗?

地震能震倒塔吊吗?

由网友 力学Nerd王小胖 提供的答案:

地震能震塌高楼,但是想要震倒塔吊,却不是那么容易。或者说,震倒塔吊的难度,应该略大于震塌高楼。

1、地震的级别

地震的级别对塔吊的影响显然非常巨大。通常我们能听到的震级说的是“里氏震级”,比如,下图美国的4.4级地震,以及比较新的昨天下午5.6级地震。震级是按照能量划分的,能量越大,震级也就越强。震级每相差一级,能量约相差32倍。

根据分类,五级以上的地震,可对强度不佳的建筑造成损坏。想要造成较大的破坏,至少6级起,此时,释放的能量约1.5W吨的TNT炸弹,是当年小男孩原子弹释放的能量。

板壳运动造成地震,以波的形式扩散至地面,分两种,横波(S)和纵波(P)。纵波的振动方向与前进方向一致,所以不会对地表建筑产生大破坏。横波的振动方向与前进方向垂直,从而使得地表建筑收到横向位移,容易发生破坏。因此,横波才是罪魁祸首。

纵波传输速度快,所以地震的时候显示感到上下振动,后来才是左右摇晃。地震预报也只能利用这个时间差,尽快发出通知。

2、塔吊的材质与安装方式

塔吊是建筑工地常见的设备,主要用来起吊货物,以便建造。以前,我还一直沉迷于“塔吊究竟如何逐级安装”的问题,不能自拔。塔吊是典型的框架结构,材料是钢铁。所以其承载能力很强,远强于钢筋混凝土的建筑。

塔吊的安全性,完全取决于地面的固定连接。如下图,是预埋螺栓固定方式,将地脚螺栓埋入混凝土中,后期,塔吊的底部就利用螺栓固定。通常来讲,结构的破坏都发生于关键点处,螺栓就是塔吊的其中一个关键点。螺栓的强度,直接影响着塔吊的安全。

3、塔吊的力学分析

如下图,塔吊受力主要是各部位的重力,以及地面固定端的约束力。正常工作的塔吊,在这些力作用下是不会发生破坏的。然而,地震波的传来,特别是左右方向的横波的传来,让塔吊开始左右摇晃。

我们把地震波看成是激励载荷,地震波有一个激振频率,如下图。当地震波的频率与塔吊的固有频率接近时,晃动就会越来越大。那么底部的螺栓由于巨大晃动产生额外的力,非常有可能超出螺栓的承受极限,从而塔吊发生倾倒。

与建筑不一样,塔吊的钢铁材料是强度非常好的韧性材料。正如前面所说,塔吊如果发生破坏,比如是与地面连接的螺栓承受不住了,或者与螺栓接触的钢材发生大变形,让螺栓脱离出来了。其他部分,基本上很难发生这样的破坏。因为,关键的受力点在底部,左右晃动,力矩最大。

而对于建筑,钢筋混凝土材料是典型的脆性材料,耐压不耐拉。左右摇晃的建筑,总有一侧是处于拉伸状态。当晃动加剧,拉伸超出混凝土的极限时,就发生破坏了。下图,右侧首先扛不住拉伸,发生破坏,在晃动的作用下,向左倒塌。

钢铁的拉伸极限约200MPa以上,而混凝土的拉伸极限40MPa,或者多一些,但是远低于200MPa。

4、总结

由于塔吊材料的强度性能较好,远优于混凝土材料。所以,依靠地震造成的左右摇晃,很难将塔吊的主体结构震坏。但是,塔吊的主要受力点,即地面固定点,由于固定螺栓和塔吊的作用力随左右晃动的幅度而增加,变成了塔吊的薄弱环节。

所以,塔吊如果被震塌,多半是与地面固定的位置发生了很大的变形,从而挣脱出螺栓,或者螺栓强度不行,直接断裂。想要让金属材料发这样的破坏,那么地震的强度要远大于震塌建筑的强度。

由网友 邱县谈云峰 提供的答案:

5级以上能震到塔吊

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