日本減隔震技術的發(fā)展

1、減震技術日本超高層建筑結構抗震新技術發(fā)展現(xiàn)狀及思考崔鴻超（上海中巍結構設計事務所有限公司，上海200135）摘要近半個多世紀以來，世界各地地震頻發(fā)，相應的抗震技術也得到了長足發(fā)展。近幾十年來，我國的結構 抗震理論及相關國家標準的制訂也逐步完善，保證了建筑物的抗震安全，但在抗震理論及技術方面仍有有待提高的地方。由于日本是個多地震的國家，頻發(fā)的大地震在給日本帶來災難的同時，也促使日本的抗震技術得到迅速 提高。介紹了日本抗震技術的發(fā)展及其最新抗震技術在高層建筑中的運用，希望能對我國高層建筑抗震技術的發(fā)展有所借鑒。關鍵詞地震；抗震技術；減震；隔震；阻尼器Reflect ions on n ewest

2、seismic tech no logies applied in curre nt super-tall build ings in Japa nCui Hon gchao(China Majesty Structure Design Office Co., Ltd., Shanghai 200135 ，China)Abstract: Since half a century before ， seismic technologies have developed rapidly accompanied by the frequent earthquakes in the world . I

3、n recent decades ， seismic theories and national standards in China have improved gradually .And it ensures the seismic safety of the buildings，yet to be improved . Due to it is more earthquakes country， frequent earthquakes brought disasters to Japan ，which also contributed to the Japan' s rapi

4、d progress in seismictechnologies. Development of seismic technologies in Japan and the latest application of technologies in super-tall buildings are introduced，which provide reference for development of seismic technologies in China .Keywords: earthquake; seismic technology; energy dissipated tech

5、nology; seismic isolated technology; damper#1日本抗震設計發(fā)展的過程及現(xiàn)狀在1923年關東7.9級大地震發(fā)生的第二年，城市建造法增加了水平震度為0.1的規(guī)定，同時對木結構、混凝土結構和鋼結構增加了相應的構造要 求，強化了在水平地震作用下結構剛度及強度的保 證。1950年，日本提出與短期容許應力強度相適應 的水平震度（當時日本抗震設計采用水平震度法， 其中“水平震度”相當于后來標準的地震力系數(shù)） 在16m以下為0.2，16m以上建筑高度每增加 4m 震度增加0.01，建筑限高為 31m。 1964年突破了 31m之后又集中建造了 50層左右的新宿高層建

6、筑 群，這是在經濟大發(fā)展而抗震設計理論不完備情況 下的實踐。1978年宮城県沖大地震之后，于1981年公布了新抗震設計法1，提出抗震設計二階段目 標，新抗震設計法主要有：1）加強了結構構造規(guī)定；2）承載力計算時，在水準一地震作用下，構 件強度不得超過短期容許應力強度；3 ）強化了層間位移角的限值規(guī)定；4 ）提出結構平面偏心率及樓層的抗側剛度比限值規(guī)定；5）在世界上首次提出了水準二罕遇地震下的彈塑性設計要求。提出在 水準二，大震作用下結構極限狀態(tài)的承載力計算， 即保有水平耐力計算，以保證大震作用下結構的安 全。采用分階段進行設計：第一次設計是承載力計 算；第二次設計是層間位移、剛度、偏心率及保有

7、 耐力的計算，并在確定地震作用中考慮了結構的延 性。1981年的新抗震設計法是 20世紀日本結構抗 震技術發(fā)展的重新起草，此后建造的建筑，在1995年兵庫県南部7.3級地震中損害較少。兵庫県南部 地震之后，正逢日本經濟危機，大規(guī)模建設停滯， 震后的需要使抗震診斷補強技術有了很大提高。同 時日本對抗震結構的理論及技術進行了大量的研 究，理論上提出了基于能量平衡原理的損傷控制設 計法，研制并完善了隔震及減震技術。2000年日本政府公布了隔震設計的告示，在仍然執(zhí)行以抗震設 計為主導的建筑基準法的同時，實際上已經開始按 新的抗震結構理論及技術大量建造高層建筑（需由 包含私人公司在內的審查機構審查，并取

8、得國土交 通省大臣認證）。近十年來，組合構件及高強度鋼材、混凝土在 工程中的運用進一步提高了高層建筑的建造水平。 有日本資深專家認為，由20世紀初到現(xiàn)今，日本關于結構抗震技術的發(fā)展經歷四次“剛”、“柔” 之爭，“剛”和“柔”并非通常理解的周期長短和 側向剛度大小的狹義概念，“剛”是指在近半個多 世紀中，一直占主導的抗震設計的基本思路，即滿 足重力荷載的結構再附加上對地震作用的抵抗能 力，需要加大結構的剛度及強度來實現(xiàn)，也就是在 確定了水平震度為 0.1之后（關東大地震后），強 化以“剛性結構”作為設計目標；“柔”主要是指 將提高建筑物吸收能量的能力，作為建筑結構必備 條件，使其基本強度和為吸收

9、能量所需的變形能力 均得到保證，但利用承受重力荷載的結構骨架來確 保結構所需的強度和能量吸收能力顯然是不合理， 而隔震減震技術是解脫承重結構的負擔，實現(xiàn)抗震 結構的合理化目標的體現(xiàn)2。如今，“柔”的設計 理念逐步成為日本高層建筑抗震設計的主流。2011年3月11日發(fā)生的9.0級東日本大地震 中，不僅在震中附近的仙臺而且在較遠的東京、名 古屋和大阪等大城市的超高層建筑也發(fā)生了大振 幅和長時間的搖動，地震動持續(xù)時間300s左右，超 高層長周期結構則可能出現(xiàn)了以前沒有預想到的 共振問題。地震學家預測不久日本的東海及東南海 會發(fā)生大地震，擔心長周期、長時間的地震動將會 將巨大的地震能量從震中傳播到很遠

10、的地方，而大 城市的超高層建筑設計時并沒考慮長周期地震動， 超高層建筑受到長時間、大幅度的搖擺可能導致其 結構體或非結構體與設備受損。目前日本已對長周 期地震動的應對方法進行了大量的研究，尤其是對 現(xiàn)有超高層建筑受長周期地震動時的加固對策，例 如設置新的減震器可使建筑物減小變形，但新設的 減震器對現(xiàn)有結構（柱、梁、基礎）產生反力，為 此，正在研究采用新型的對既有結構不產生影響的 減震器。20世紀以來，以每次大地震為契機，日本的結構抗震理論及技術在每個階段均得到不斷的發(fā)展， 并在實踐中得到應用且取得較好的效果。以下將介 紹近年來日本最新抗震與減震技術的應用實例。 2 超高層建筑建造中新技術的運用

11、實例2.1實例一2.1.1工程概況工程為地上23層（高138m），地下3層，高 138m,長X 寬為 131mx 31.5m，東側為 131 x 24.3m 的辦公空間，西側131X 7.2m主要為電梯、設備間 等。平面、剖面見圖1，大空間辦公區(qū)內部見圖2。屋頂雨水流入東側的百葉板內，通過雨水和風對周 圍進行冷卻（“生物皮”），使雨水流動的能源來IIL自太陽能，東外側有不銹鋼拉桿組成的張力結構支 撐“生物皮”，見圖 3。圖1結構平剖面圖圖2辦公區(qū)大空間內部圖3建筑外觀2.1.2抗震體系結構為隔震結構，隔震層由積層橡膠隔震支座 （0 11000 1500）、油壓阻尼器以及鋼阻尼器構 成。由于建筑

12、平面為超長的板狀結構，臺風的風荷 載要比隔震、減震后的地震作用大，對受風荷載影 響較大的短邊方向（南、北方向）的油壓阻尼器設有用電磁閥控制液壓流動的鎖定機構（圖4），通過風速計、加速度計和變位計對相應參數(shù)進行控 制，當發(fā)生強風時油壓阻尼器鎖定，從而降低各抗 震層的振動和鋼阻尼器的累積塑性變形。當檢測到 一定強度的地震時，鎖定將解除，而成為地震優(yōu)先 控制模式，通過與鋼阻尼器的有效組合，可使鎖定 時的結構剛度能很好地適應風或地震的響應，使效 果與費用達到最佳。ATDM航總支淳伸鴨桁架伸甘桁架減盍器>兩業(yè)鋼琶溫藻土柱圖6結構剖面圖H- =* z*-*>* y 一 "n 一 .T

13、空*.狂蘭最;:!=二9 爭么耳菱 XIS- !£=圖4可控油壓阻尼器對于外側核芯筒的懸臂結構，為降低中柱的軸向力，在超過7m的懸臂前端，采用粘彈性支撐構 件與柱頂連接，以降低垂直振動和相對變形。對短 邊（南、北方向）外墻設置V形粘彈性阻尼支撐（圖 5）構件，提高結構的耗能性能。該項目采用設有 可控機構的油壓阻尼器減震系統(tǒng)，并采用冷卻周邊 環(huán)境的新型環(huán)保技術，使超高層建筑的設計向前又 邁進一步。圖5V形粘彈性阻尼支撐222結構方案底層、中層、高層之間的分界處設有連通的轉換桁架，并在辦公樓的中間層設伸臂桁架（圖6）。低層部分四角均衡的設置油壓阻尼器及摩擦阻尼 器（圖7）;中層部分的中央

14、結構周邊沿 X方向（平 面的長邊向）設波紋鋼板阻尼墻（圖8），沿Y方2.2實例二2.2.1工程概況工程為地上60層，地下5層，總高度為300m, 建筑平面尺寸：低層（商業(yè)）為 71mx 80m，中間 層（辦公、博物館）為 71m x 59m，高層（酒店） 為71m x 29m，圖6為建筑剖面示意圖。結構設計考慮滿足以下要求：1）很大的軸向力; 2）控制變形；3）預測可能發(fā)生特大地震時的 應對措施；4）強風作用下居住的舒適度；5）施工合理性。圖7回轉摩擦阻尼器圖8波紋鋼板阻尼墻2.2.3抗震設計向（平面的短邊向）設鋼骨抗震支撐；在高層部分， 在各房間墻內Y方向設鋼骨抗震支撐。(1) 地震作用的考

15、慮：地震作用分三個水準， 第一水準用日本規(guī)范要求的告示波或普遍使用的記錄波，如El Centro及TAFT波；第二水準取日本 規(guī)范要求的二階段設計的告示波的1.5倍；第三水準考慮地區(qū)特性的東南海、南海波(指日本周邊的 東南海及南海)和本地活斷層產生的地震波。(2) 結構構件設計性能要求：相對通常高層 結構設定的設計標準提高一級；在水準二地震作用 時，構件不發(fā)生屈服；在特大地震作用時，梁和支 撐允許屈服。(3) 對于耗能減震構件的性能要求：在第一 水準地震作用時，摩擦阻尼器允許開始工作；在第 二水準地震作用時，允許波紋鋼板阻尼墻的鋼板剪 切屈服，即根據(jù)地震水準分別能發(fā)揮耗能抗震作 用。(4 )除

16、規(guī)范規(guī)定的地震力外，還要進行以下 特殊情況的分析，主要有：1)對于本地活斷層產生的地震動計算，地震起始點不僅考慮距建筑物較 近的位置，也考慮了其他位置對模擬地震動的影 響；2)當作為本地區(qū)地震波的主要地震動周期成 分與建筑物的第13階固有周期基本一致時，分析其影響；3)在各種減震構件無法按照設計發(fā)揮耗 能性能時，要進行地震作用的分析。2.2.4新技術的采用(1) 減震器。低層部分布置的油壓阻尼器及 摩擦阻尼器在地震的任何階段都可以發(fā)揮作用。摩 擦阻尼器的原理構造及控制都比較簡單。中層部分 波紋鋼板阻尼墻也是一種很有效的減震構件，在波 紋方向可以自由伸縮，波紋垂直方向可抵抗水平 力，而板間連接構

17、件可以起減震耗能作用。減震器 在水準二地震作用時發(fā)生剪切屈服，在水準三地震 作用時發(fā)生受壓屈服，可以充分發(fā)揮其吸收地震能 量的作用。高層部分的結構周邊設油壓阻尼器可使高層部分層間變形減小 10% ,其頂部布置調諧質量 阻尼器(圖9),右側為常規(guī)的吊擺與倒立擺組合 的被動質量減震器(AMD ),左側為主動控制的調 諧質量阻尼器(ATDM )，可將強風時的加速度控 制在3gal以內，保證了人員居住的舒適性。(2) 高強度鋼管混凝土柱(CFT)采用C150 級的高強混凝土和 590級(屈服點440N/min )的高 強鋼材，進行了防火及混凝土填充性的確認試驗。(3) 新的連接系統(tǒng)：CFT柱與大梁的連

18、接節(jié) 點采用分割型外加勁肋；高強螺栓連接板表面用熱 噴涂鋁，以提高其摩擦系數(shù)，該連接面對于浸水損傷及油污的影響具有較好的穩(wěn)定性。ATDM(a)高層部分阻尼器布置Oil damper本工程是日本迄今為止新設計的最高建筑，匯 集了日本高層結構的最新技術，目前在施工中。(b)調諧質量阻尼器的布置圖9阻尼器布置2.3實例三2.3.1工程概況工程的總建筑面積 24.4萬m2,地上52層，地 下5層，總高247m,標準層平面為 85m x 61m,標 準層平面見圖10。FH LT KH 4V H IN傀理 fl.圖10標準層平面圖635層為辦公區(qū)，3646層為住宅區(qū)，47層以 上酒店，本工程目前在施工，預

19、計2014年完工。地上高層部分是以鋼結構為主并設置抗震裝置的 框架結構，大型雨篷為鋼結構，地下為鋼骨、鋼骨 混凝土及鋼筋混凝土結構，地鐵涵洞上部頂板是 1m厚的預應力板。2.3.2減震體系在核心筒內設置耗能構件，采用了516個油壓阻尼器、448個屈服約束支撐、620個摩擦阻尼器 共三種阻尼器組合(圖 11)，采用耗能減震裝置與 不采用耗能減震裝置的抗震設計相比，前者層間位 移減小了 50%，保證了高抗震性能。轉換桁架衆(zhòng)損昭尼器曲n齟尼姜圧服約朿支捋圖11抗震裝置的布置及轉換桁架233防振措施地鐵從建筑的地下2層所設的獨立的涵洞中穿 過，在涵洞底板以下設置聚氨酯減震器與建筑物主 體隔絕（圖12）

20、，以控制地鐵振動對建筑物的影響。風.伉口 SL“FL呂JS1.巨型桁架rarX巨里桁架導廠T超高弓釵的CFT柱；-丈手街霖林U U L1 酣MO 圖12地鐵涵洞及地下結構圖13結構剖面圖圖14超高強CFT柱的應用范圍2.4實例四2.4.1工程概況工程為地上38層，地下6層并有3層塔樓， 總高199.75m，總建筑面積19.8萬m2。項目地下為 混凝土結構，地上為鋼結構，采用CFT柱，核心部 分設置減震構件，形成具有抗震支撐的框架結構， 阻尼器采用了油壓阻尼器及低屈服點鋼材（LY225）的屈曲約束支撐，可有效地吸收地震能量。轉換柱 采用巨型轉換桁架的形式。在樓頂設置了抗風的主 動調諧質量阻尼器（

21、ATDM），結構剖面圖見圖13。 2.4.2高強材料的使用建筑設計要求在1層建造3600m2的綠化區(qū)， 地鐵中央大廳還需要大型空間，因此建筑底部的大 跨需要超高強 CFT柱來支承（圖14），本工程局 部采用的780N/mm2級的鋼材與 C150級混凝土的 臨界應變相近，混凝土及鋼材的應力-應變關系見圖 15,可最大限度地發(fā)揮高強度材料優(yōu)化組合。SI '圖15混凝土及鋼材的應力-應變關系比較2.5實例五工程地上54層為鋼結構，地下 4層為鋼骨混 凝土結構，建筑面積為18萬m2,基本周期長邊為5.2s，短邊為6.2s （圖16），于20世紀70年代按 抗震設計（即按中國目前的設計方法）進行

22、的設計，因考慮長周期地震動的影響需要進行抗震加固改 造，在1639層每層長邊設置4個、短邊設置8個, 共288個高性能位移型油阻尼器（圖 17）。2011 年3 11大地震前剛好完成了對該結構的加固改造。在3 1大地震中的記錄表明，增設阻尼器后結構的 阻尼比由原來的1.3%增到2.7%，頂部位移從69.8cm降到54.2cm,降低了 22%。該結構在142gal 輸入地震動的作用下，即使安裝了 288個油阻尼器， 其阻尼比也只有2.7%，設計人認為值得深入研究的 是，如何判斷結構實際具有的阻尼比。圖16建筑物照片圖17標準層平面及剖面圖2.6實例六工程地上47層，地下4層，總高度為206.69

23、m , 平面為50.4mx 50.4m,辦公層的構架組合平面見圖 18。項目為由預制鋼筋混凝土柱、梁以及鋼梁構成 的混合結構，僅內筒外框間跨度較大的梁采用鋼 梁，鋼梁與混凝土柱的連接見圖 19。預制混凝土構 件采用了 C150級混凝土及屈服強度 685N級的縱筋 和785N級的高強約束鋼筋。核心筒中采用了粘滯阻尼墻和滯回型阻尼墻（摩擦阻尼器），現(xiàn)場布置情況見圖20。摩擦阻尼器是應用汽車底盤的制動裝置在一定荷載下滑動， 將建筑物的振動能量轉換成摩擦熱，以降低建筑物圖18辦公層的構架組合平面圖圖19混凝土柱及鋼梁的連接構造圖20摩擦阻尼器（耗能阻尼墻）的地震響應及損傷。它可以反復使用，并無需維護,

24、 其構造情況見圖21。圖21摩擦阻尼器的結構近十年來，日本高層建筑很多采用預制混凝土 結構，主要得益于高強混凝土和鋼筋等新材料的研 制及梁柱節(jié)點連接及焊接技術的提高。2.7實例七工程為一棟5層平面為133m x 23m的辦公樓 （圖22），采用了 1000N級高強度鋼材作一部分 底層柱子，日本多年來，企業(yè)、大學、設計單位開 展了對高強鋼材、焊接材料以及焊接方法條件的研 究，1000N級鋼材作為目前世界強度最高的鋼材， 其抗拉強度是 950N/mm2,本工程是首次在實際中 應用1000N級鋼材的項目。1層采用1000N級鋼柱，并設置由減震支撐組 成的減震支撐結構（圖 23），地震能量基本可以全

25、部由減震支撐結構吸收，即使大震時，2層以上的結構也可以保持彈性狀態(tài)。為使1000N級鋼柱在超 過預估的地震作用下也保持彈性，在柱腳設置了球 面支座和托架，并設有起動裝置，防止鋼柱發(fā)生屈 服。高強度鋼材的延性不如低屈服點的鋼材，須對 結構采取減震措施使鋼柱保證僅承受垂直荷載，并 始終處于彈性。圖22框架結構立體圖圖23柱基座詳圖2.8實例八2.8.1工程概況項目為地上54層，地下1層，塔樓2層，高 190m、長42.7m、寬39m，高寬比4.51，為鋼筋混 凝土結構，為目前世界最高的隔震建筑 。2.8.2抗震體系結構為基礎隔震結構，隔震層由外周鉛芯橡膠支座、內部彈性滑板支座及油壓阻尼器構成（圖

26、24）。外周配置的鉛芯橡膠支座可以增加隔震層的 扭轉剛度，彈性滑板支座可以有效地延長隔震周 期，在水準二罕遇地震作用下剪應變?yōu)?50%時，短邊和長邊方向隔震周期分別達8.33s和8.02s。鉛芯橡膠支座和油阻尼器可以減少風荷載的影響。地 上部分結構采用高強混凝土（Fc36100N/mm2 ）純框架結構，最大限度地配合了建筑設計的要求。樓 板采用半預制半現(xiàn)澆的合成樓板，滿足抗噪聲要 求。在水準二罕遇地震作用下，隔震層吸收約70% 的地震輸入能量。其中鉛芯橡膠支座和油阻尼器吸收約40%60%，彈性滑移支座吸收約 20%30%結 構為超高層結構，受風荷載影響比較大。在水準二 風荷載作用下，隔震層順風

27、方向變形約139.8mm ,垂直風方向變形約為39.7m m,矢量方向變形則為145.3m m,均在隔震裝置的規(guī)定變形以內。圖24隔震支座的布置圖（每個柱子一個隔震支座）3借鑒國外先進技術推動我國抗震技術水平的提高日本自20世紀90年代經濟蕭條開始， 新的建 筑減少，又逢 1995年兵庫県南部大地震，于是利 用較高的科學技術積累和震害經歷進行了大量細 致的學術研究和技術開發(fā)。在超高層建筑抗震領 域，主要表現(xiàn)為在理論上引入了損傷控制的概念； 在實用技術上普遍采用了減震及隔震技術，并不斷 創(chuàng)新；在材料研發(fā)上不斷將高強度鋼材和混凝土運 用于實際工程中。同時長周期地震動的研究，也不 斷地對抗震目標提出更嚴格的要求。不僅要求“安 全”，進而提出“安心”的概念，也就是考慮地震 時居住者的舒適度，加強了抗震診斷及補強的要 求。這些變化使日本的超高層建造技術在90年代之后上了一個新的臺階。我國近年來隨著經濟崛起，高層建筑飛速發(fā) 展，開發(fā)商、設計師、施工方都取得了長足的進步。 同時由于諸多因素，保持了幾十年的高層建筑設計 的大格局沒有明顯變化。對于超高層的建筑，幾乎 都是用大量的材料構筑成足夠剛的結構，硬碰硬地 抵抗地震作用。為此，付出了浪費大量的資源的代 價?，F(xiàn)在新的技術如減震隔震等在新建的高層建筑 中應用發(fā)展緩慢，固有的設計方法仍是