日本抗震設計啟示

1、日本高層建筑結構設計的幾點啟示日本高層建筑結構設計的幾點啟示華東建筑設計研究院華東建筑設計研究院有限公司有限公司周建龍周建龍v日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展歷史日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展歷史v日本抗震設計規(guī)范的內容及特點日本抗震設計規(guī)范的內容及特點v日本高層建筑結構設計方法的幾點日本高層建筑結構設計方法的幾點啟示啟示v高層建筑結構計算分析方面的要求高層建筑結構計算分析方面的要求日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展史日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展史v1916年年 佐野利博士提出震度法概念佐野利博士提出震度法概念v1923年年 關東大地震，磚石結構破壞嚴重，關東大地震，磚石結構破壞嚴重，混凝土結構抗震被認可混凝土結構抗震被認可v1

2、924年年 震度法被正式采用，震度法被正式采用，k=0.1 采用容許應力度采用容許應力度v1950年年 實施建筑基本法實施建筑基本法 k=0.2v1971年年 修訂建筑基本法實施（規(guī)定柱修訂建筑基本法實施（規(guī)定柱箍箍 筋間距）筋間距） 日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展史日本抗震設計規(guī)范的發(fā)展史v1978年，宮城縣地震。提出考慮年，宮城縣地震。提出考慮強度、延強度、延性、性、非線性地震反應之間關系因素的設計非線性地震反應之間關系因素的設計要求。要求。v1981年年 頒布新抗震設計法，提出二次設頒布新抗震設計法，提出二次設計的要求（小震不壞，大震不倒），并提計的要求（小震不壞，大震不倒），并提出保有耐力的設

3、計計算法出保有耐力的設計計算法v1995年年 對直下式地震影響有新的認識對直下式地震影響有新的認識v2000年年 增加基于性能的抗震設計法增加基于性能的抗震設計法v2005年年 補充基于能量平衡的抗震設計法補充基于能量平衡的抗震設計法日本抗震設計規(guī)范的內容及特點日本抗震設計規(guī)范的內容及特點一次設計一次設計-截面、配筋確定截面、配筋確定二次設計二次設計-大震下承載力、變形驗算大震下承載力、變形驗算ds 考慮延性的結構特征系數(shù)（0.30.55）日本抗震規(guī)范的特點日本抗震規(guī)范的特點v設計理念為小震不壞，大震不倒，必須進設計理念為小震不壞，大震不倒，必須進行行二次設計二次設計，特別對大震下的承載力驗算

4、，特別對大震下的承載力驗算有明確的規(guī)定，而中國規(guī)范對一般建筑僅有明確的規(guī)定，而中國規(guī)范對一般建筑僅進行小震計算，大震不倒依靠抗震措施保進行小震計算，大震不倒依靠抗震措施保證。證。v日本的小震及大震水準大致在我國設防烈日本的小震及大震水準大致在我國設防烈度度8度和度和8度半度半之間，地區(qū)差別較小。之間，地區(qū)差別較小。日本抗震規(guī)范的特點日本抗震規(guī)范的特點v以實用為主，結構概念清楚，手算也可進以實用為主，結構概念清楚，手算也可進行分析行分析v強調強度、剛度、結構延性的平衡強調強度、剛度、結構延性的平衡，要求，要求區(qū)分結構破壞的形式，在每次輸入結構的區(qū)分結構破壞的形式，在每次輸入結構的能量不變的情況下

5、，選擇合適的剛度和強能量不變的情況下，選擇合適的剛度和強度。度。v是多次地震經(jīng)驗的總結，結合了多次地震是多次地震經(jīng)驗的總結，結合了多次地震經(jīng)驗，不斷進行改進。經(jīng)驗，不斷進行改進。v對設計人員抗震概念要求較高，對所設計對設計人員抗震概念要求較高，對所設計的結構的受力及破壞機制充分了解，區(qū)分的結構的受力及破壞機制充分了解，區(qū)分各類構件的破壞形式。各類構件的破壞形式。日本高層建筑結構設計方法的幾日本高層建筑結構設計方法的幾點啟示點啟示v各種結構體系的適用范圍不作限制。僅需滿足兩階段設計的各項指標，框架結構也可做至150米以上，但是60米以上的超高層建筑必須通過審查（比較嚴格）一、結構體系一、結構體系

6、一、結構體系一、結構體系v中低層建筑采用框架剪力墻及剪力墻結中低層建筑采用框架剪力墻及剪力墻結構，且剪力墻一般采用均為帶邊框的剪構，且剪力墻一般采用均為帶邊框的剪力墻力墻。v保證中低層建筑有較大的抗側剛度及承載力，減小變形，減小了上部樓層的地震加速度的增幅，用強度和剛度抵抗地震力，對結構延性的要求可予降低。一、結構體系一、結構體系v日本的高層和超高層結構設計多采用延性好日本的高層和超高層結構設計多采用延性好的結構，的結構，例如純框架結構（或框架例如純框架結構（或框架-支撐）支撐）組成較為柔性的高層建筑結構，組成較為柔性的高層建筑結構，配合隔震、配合隔震、減震的手段，耗散和吸收地震能量，減震的手

7、段，耗散和吸收地震能量，保證主主體結構處于基本彈性的狀態(tài)體結構處于基本彈性的狀態(tài)，滿足確定的抗震性能目標。v在高層和超高層結構設計中，一般剛度比較小，結構層間位移比較大。如果為了滿足變形要求盲目加大結構的剛度，勢必會增加材料的用量，增加了結構自重，地震的反應也會隨之加大，容易形成惡性循環(huán)。 強度、剛度、延性強度、剛度、延性二、隔震及減震技術的廣泛應用二、隔震及減震技術的廣泛應用v日本的房屋日本的房屋抗震設計理念已從單純由結構抗震逐抗震設計理念已從單純由結構抗震逐步轉向隔震、利用耗能構件減震的軌道上來步轉向隔震、利用耗能構件減震的軌道上來，大，大大提高了房屋結構抗震的安全性和可靠性。一些大提高了

8、房屋結構抗震的安全性和可靠性。一些重要的建筑和幾乎重要的建筑和幾乎100%的超高層建筑多采用了消的超高層建筑多采用了消能減震或隔震技術。能減震或隔震技術。耐震構造+床免震耐震構造免震構造制震構造耐震構造+制振構造隔震及減震技術應隔震及減震技術應用范圍廣泛用范圍廣泛v采用隔震及消能減震技術的建筑數(shù)量增加采用隔震及消能減震技術的建筑數(shù)量增加迅速，一些重要的建筑和幾乎迅速，一些重要的建筑和幾乎100%的的超高超高層建筑層建筑多采用消能減震或隔震技術。多采用消能減震或隔震技術。v基礎隔震，首層隔震、層間隔震在高層建基礎隔震，首層隔震、層間隔震在高層建筑結構中均有應用。筑結構中均有應用。v隔震及消能減震

9、技術的聯(lián)合應用，各種隔隔震及消能減震技術的聯(lián)合應用，各種隔震及消能減震產(chǎn)品不斷增加。震及消能減震產(chǎn)品不斷增加。v采用隔震及消能減震技術多采用桿系結構采用隔震及消能減震技術多采用桿系結構，受力明確，受力明確明確的耗能機制明確的耗能機制v實際發(fā)生地震較設防地震的烈度要高實際發(fā)生地震較設防地震的烈度要高v傳統(tǒng)抗震結構的耗能機制涉及到的構件眾傳統(tǒng)抗震結構的耗能機制涉及到的構件眾多，計算分析及設計手段有很大誤差，很多，計算分析及設計手段有很大誤差，很難保證耗能機制的實現(xiàn)難保證耗能機制的實現(xiàn)v采用消能減震或隔震技術的結構，通過特采用消能減震或隔震技術的結構，通過特定消能構件的耗能，保證其他主體結構處定消能

10、構件的耗能，保證其他主體結構處于彈性或很小塑性的狀態(tài)，確保結構的安于彈性或很小塑性的狀態(tài)，確保結構的安全。全。地下地下2層、地上層、地上52層層總高總高189.2m混凝土強度混凝土強度fc160預制預制r.c.框架結構框架結構622層每層內天井層每層內天井設置設置8個個lyp制震柱制震柱(軟軟鋼阻尼器）鋼阻尼器）fy=100mpa大震下層間位移角大震下層間位移角1/125東京東池袋四丁目住宅東京東池袋四丁目住宅辦公樓（大成建設工地）辦公樓（大成建設工地）lyp制震柱高寬比小于4地下地下5 5層地上層地上2727層層總建筑面積：總建筑面積：1010萬萬m m2 2, ,總高度總高度147m147

11、m結構類型：地下結構：型鋼梁結構類型：地下結構：型鋼梁cft(cft(鋼管混凝土柱鋼管混凝土柱) ) 地上結構：地上結構：src+rc+ssrc+rc+s框架消能支撐框架消能支撐基礎：樁基礎，逆作法施工基礎：樁基礎，逆作法施工層間變形角：層間變形角：1/1251/125新飯野新建消能減震工程新飯野新建消能減震工程粘性阻尼墻粘性阻尼墻每個提供每個提供3000kn3000knlyplyp防屈曲支撐防屈曲支撐fyfy=100mpa)=100mpa)每個提供每個提供3000kn3000kn大阪西本町一丁目隔震工程大阪西本町一丁目隔震工程（竹中工務店（竹中工務店）總總建筑面積建筑面積41569m2，地下

12、地下三層、地上二十九層三層、地上二十九層，總總高度高度133.05m結構類型：一四層為結構類型：一四層為src巨型框架巨型框架+上部外圍上部外圍rc預制框架梁柱預制框架梁柱 rc核核心筒心筒+s梁梁 +基礎隔震結構基礎隔震結構（積層橡膠支座（積層橡膠支座+中間布置中間布置滑動支座）滑動支座）基礎形式：樁基礎基礎形式：樁基礎平面尺寸：平面尺寸：38mx38m，內部無柱內部無柱外圍密柱，間距外圍密柱，間距3.2m，梁，梁高高1m，預制梁柱混凝土，預制梁柱混凝土均為均為fc60預制梁柱鋼筋插入鋼套筒預制梁柱鋼筋插入鋼套筒內，再灌漿內，再灌漿隔震層概要：隔震層概要：b1層柱頭設層柱頭設置鉛芯橡膠支座，

13、電梯井置鉛芯橡膠支座，電梯井筒采用滑動支座，配合油筒采用滑動支座，配合油阻尼器消耗地震輸入能量阻尼器消耗地震輸入能量地震作用下，隔震層位移地震作用下，隔震層位移為為4050cm，周期為，周期為5秒秒底部底部src結構及轉換層結構及轉換層基礎隔震層基礎隔震層基礎隔震支座與阻尼器基礎隔震支座與阻尼器外圍預制外圍預制rc框架梁柱及注漿孔框架梁柱及注漿孔36/3層,170米外柱：粘滯阻尼器頂部：鉛阻尼器頂部：tmd日本結構設計中對平面剛度偏心及豎向構件日本結構設計中對平面剛度偏心及豎向構件承載力及剛度的連續(xù)性（如底層挑空）要承載力及剛度的連續(xù)性（如底層挑空）要求沒有中國規(guī)范那么嚴格，更多的是采用求沒有

14、中國規(guī)范那么嚴格，更多的是采用時程分析的方法，考察結構及構件的性能時程分析的方法，考察結構及構件的性能，采用隔震結構時，上部結構的布置要求，采用隔震結構時，上部結構的布置要求更為寬松。更為寬松。因為采用隔震及減震后自然形成了抗震的多道防線，減震及隔震構件的變形耗能保證了其他結構構件可處于彈性或非常安全的狀態(tài)。三、靈活的結構布置三、靈活的結構布置建筑面積為建筑面積為27212m2，高度，高度134m，地，地下三層、地上二十六下三層、地上二十六層層結構類型：結構類型：rc剪力墻和型鋼梁巨型剪力墻和型鋼梁巨型桁架半主動隔震桁架半主動隔震黏彈性阻尼器黏彈性阻尼器剪切剪切梁梁半主動隔震半主動隔震隔震隔震

15、與設計與設計建筑設計開始于隔震建筑的地基 隔震隔震系統(tǒng)系統(tǒng)被動被動液壓阻尼器液壓阻尼器(x(x方向方向6 6個，個，y y方向方向6 6個個) )可調液壓阻尼器可調液壓阻尼器(x(x方向方向6 6個，個，y y方向方向6 6個個) )橡膠支座橡膠支座( (共共5555個個) ) 橡膠支座橡膠支座液壓阻尼器液壓阻尼器地下地下1 1樓樓地下地下2 2樓樓地下地下3 3樓樓1717樓樓2626樓樓 3 3樓樓1010樓樓預制裝配式高層建預制裝配式高層建筑在日本得到廣筑在日本得到廣泛應用泛應用，預制結，預制結構相關施工技術構相關施工技術非常成熟，高層非常成熟，高層建筑的逆作法施建筑的逆作法施工也很普遍

16、，代工也很普遍，代表環(huán)保、高效、表環(huán)保、高效、經(jīng)濟、質量可控經(jīng)濟、質量可控的現(xiàn)代綠色設的現(xiàn)代綠色設計計施工趨勢。施工趨勢。四、預制裝配式結構的廣泛應用四、預制裝配式結構的廣泛應用5、高強混凝土及高強度鋼筋的研制成功促進和擴大了混凝土結構在超高層建筑物的應用，c200的高強混凝土已在實際工程中運用，高強rc 結構在高層建筑所占的比例已經(jīng)超過鋼結構，src結構卻有不斷下降的趨勢，與高強混凝土配套的cft結構也在不斷上升。五、高強混凝土的應用五、高強混凝土的應用六、能量概念的引入六、能量概念的引入能量概念的引入,使對地震的認識更為深刻，“剛柔相濟剛柔相濟” 趨于共識。七、其他的一些細節(jié)七、其他的一些

17、細節(jié)v日本多高層建筑的樓梯多采用鋼樓梯，且采用與框架梁鉸接或懸掛在框架梁上，基本對框架的抗側剛度沒有影響。v日本建筑的隔墻多采用alc墻板 ，外墻多采用外掛pc板（類單元幕墻），其剛度對框架的影響較小，特別是支撐及制震墻的封閉墻體均位于構件的外側，不影響這些構件受力。v住宅結構對樓板的隔音要求較高。高層住宅高層住宅高層建筑計算分析的要求高層建筑計算分析的要求計算分析的要求計算分析的要求v超高層建筑采用時程方法進行分析設計。v多高層建筑保有承載力計算多采用push-over進行計算，多為構件截面層次的分析，比較注重構件截面恢復力模型的選取，其側向里分布模式與中國規(guī)范相比有差異v強調構件截面恢復力

18、模型與試驗結果的對比驗證。v采用減震設計的結構逐漸采用能量分析法進行分析驗證。鋼筋混凝土超高層建筑地震作用下性能要求鋼筋混凝土超高層建筑地震作用下性能要求鋼筋混凝土超高層建筑風荷載作用下性鋼筋混凝土超高層建筑風荷載作用下性能要求能要求v時程分析用結構的模型化：結構各層的水平力與水平層間變位關系由立體非線性推覆分析（pushover analysis）決定v時程分析內容：時程分析包括建筑物平面內兩個主向單獨震動時的分析以及兩個主向同時震動時的分析，進行水平震動分析時同時考慮豎向震動的影響鋼筋混凝土超高層建筑進行時程分析的要求鋼筋混凝土超高層建筑進行時程分析的要求對于具有沖積形成的深厚軟弱地基地區(qū)

19、，應考慮長周期地震對超高層結構的影響。根據(jù)日本有些工程的計算結果，考慮長周期地震的影響后，樓層剪力增大近一倍，這對結構的受力性能和使用舒適度將產(chǎn)生重大的影響，這些經(jīng)驗對上海、天津等均均具有很好的借鑒作用。鋼筋混凝土超高層建筑進行時程分析的要求鋼筋混凝土超高層建筑進行時程分析的要求日本抗震今后研究的方向日本抗震今后研究的方向v考慮地基與結構共同作用的地震力的輸入v考慮結構抗震能力的再評價l容許損壞的再研究l最終倒塌極限狀態(tài)的模擬v活動斷層附近的工程設計要求v性能化設計的完善與普及（地震動水準的預測、各水準的結構變形指標及構件強度、韌性指標，結構損傷及功能損失的評價等）其它的一些體會其它的一些體會

20、v日本具有完善的全民防災體系，國民普遍具有很強的防災意識，面對地震等災害的科學應對，一方面大大減少了人員及財產(chǎn)的損失，另一方面防災意識的覺醒使大眾普遍非常重視抗震安全，并且抗震新技術的采用及推廣能得到公眾的理解及支持。v在大震下結構不倒塌不是設計的終結目標，而僅僅是最低標準，考慮房屋的功能維持及修復的經(jīng)濟性和對使用者產(chǎn)生的心理傷害等綜合因素的性能化設計思想在不少工程中得以體現(xiàn)其它的一些體會其它的一些體會v日本從1977年制定的抗震診斷標準、整修方針的制定，1995年抗震促進法制定、2005年修訂抗震促進法、2008年對學校建筑的抗震加固的推進措施的制定，逐步對既有抗震能力不足的房屋進行了抗震加固；而我國未經(jīng)過抗震設計或抗震能力不足的房屋比例（包括學校建筑）很大，如何從政策上、法律上、經(jīng)濟上、技術上進行研究，逐步提高這些房屋的抗震能力是當前及今后最為緊迫的事情v日本的抗震加固手段多樣，并且在施工當中通常考慮不影響或盡量少影響建筑物功能的正常使用。其它的一些體會其它的一些