淺談日本建筑抗震技術(shù)

1、淺談日本建筑抗震技術(shù)摘要：日本每年發(fā)生有感地震約1000多次，其中6級(jí)以上的地震每年至少發(fā)生1次。頻繁的地震災(zāi)害使日本的抗震技術(shù)快速發(fā)展、完善，并形成了比較完整的技術(shù)體系。本文將介紹日本建筑抗震技術(shù)體系的各個(gè)方面，希望能為同樣是地震重災(zāi)國(guó)的我國(guó)，提供借鑒，引起更多研究者的思考。關(guān)鍵詞：耐震，減振，免震,強(qiáng)震觀測(cè)，振動(dòng)臺(tái)0引言據(jù)我國(guó)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2011年1月3日4時(shí)20分，在智利中部發(fā)生7.1級(jí)地震。這是距離我們最近的一次大地震。地震一直是伴隨著人類文明發(fā)展的重大自然災(zāi)害之一。日本是世界公認(rèn)的地震重災(zāi)國(guó)，每年發(fā)生有感地震約1000多次，全球10%的地震均發(fā)生在日本及其周邊地區(qū)。其中

2、6級(jí)以上的地震每年至少發(fā)生1次。1如圖1、2所示。然而，頻繁的地震災(zāi)害，卻使日本的抗震技術(shù)快速發(fā)展、完善，并形成了比較完整的技術(shù)體系。自1998年至2007年，日本共發(fā)生震級(jí)為6.0以上的地震199次，約占全球同等規(guī)模地震總數(shù)961的20.7%左右，但由其導(dǎo)致的災(zāi)害死亡人數(shù)僅占世界的9%(中國(guó)卻占約30%)。由此可見，日本抗震技術(shù)體系的先進(jìn)與完善。 圖1 全球地震分布 圖2 日本周邊發(fā)生過(guò)的地震1.日本的地理概況日本位于亞歐大陸東端，陸地面積377880平方公里。由于日本列島正好位于亞歐板塊與太平洋板塊交界處，按照地質(zhì)板塊學(xué)說(shuō)，太平洋板塊比較薄，密度比較大，而位置相對(duì)低一些。當(dāng)太平洋板塊向西呈

3、水平移動(dòng)時(shí)，它就會(huì)俯沖到相鄰的亞歐板塊之下。于是，當(dāng)亞歐板塊與太平洋板塊發(fā)生碰撞、擠壓時(shí)，兩大板塊交界處的巖層便出現(xiàn)變形、斷裂等運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生火山爆發(fā)、地震等。2.日本建筑抗震發(fā)展歷史由于日本地震多發(fā)，很早日本就對(duì)建筑的抗震性能進(jìn)行研究。早在一百多年前，1891年濃尾大地震磚結(jié)構(gòu)建筑被毀嚴(yán)重時(shí)，就開始探討采取什么措施，來(lái)抵御地震破壞。20世紀(jì)初，日本學(xué)者大森房吉提出近似分析地震動(dòng)影響的靜力計(jì)算法。日本從美國(guó)引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)后，不久，日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑創(chuàng)始人、東京大學(xué)教授佐野利器于1914年發(fā)表了家屋抗震結(jié)構(gòu)論。首先提出了“抗震結(jié)構(gòu)”的概念，并創(chuàng)造性提出了用“靜態(tài)”的水平力，代替“動(dòng)

4、態(tài)”的地震力的“度震法”，來(lái)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算，為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)抗震的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。1922年，佐野利器的學(xué)生內(nèi)藤多仲，發(fā)表的框架建筑抗震結(jié)構(gòu)論中，提出用剪力墻加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的理論，從而確立了“剛性抗震”理論在日本的主導(dǎo)地位。關(guān)東大地震后，1924年，日本首次在世界上規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，必須要考慮“水平設(shè)計(jì)震度”。1951年河角廣博士發(fā)表我國(guó)地震烈度的分布，提出按照“地域”與“基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造類別”來(lái)規(guī)定設(shè)計(jì)震度。1953年日本在全國(guó)設(shè)立SMAC型強(qiáng)震計(jì)觀測(cè)記錄地震，同年發(fā)表“頻譜解析法”，借助地震記錄進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究，將日本抗震理論提升了一大步。20世紀(jì)60年代，東京大學(xué)教授、結(jié)構(gòu)抗震專家

5、武藤清利用計(jì)算機(jī)分析地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了利用建筑結(jié)構(gòu)的柔韌性吸收地震力的、以“振動(dòng)論”為依據(jù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，即所謂的“柔性抗震結(jié)構(gòu)”理論，并以此理論成功設(shè)計(jì)了日本第一座超高層建筑“霞關(guān)大樓”。1981年新的“抗震設(shè)計(jì)法”實(shí)施，其特點(diǎn)是規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮建筑沿高度分布的“水平剪力系數(shù)”和建筑物的“振動(dòng)周期”，而且還要同時(shí)考慮多發(fā)性中小地震（地表加速度8-100gal）發(fā)生時(shí)的允許應(yīng)力與大地震（地表加速度300-400gal）發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)安全性。他徹底改變了過(guò)去利用靜止的水平力代替地震力的做法，引進(jìn)了動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)理念，要求建筑物在復(fù)雜的振動(dòng)情況下仍然要確保安全。1998年建筑基準(zhǔn)法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)

6、計(jì)理念，從原來(lái)的“型式規(guī)定型”調(diào)整為“性能設(shè)計(jì)型”。23.日本建筑結(jié)構(gòu)抗震的技術(shù)組成日本抗震技術(shù)經(jīng)歷了上百年的技術(shù)積累、發(fā)展和創(chuàng)新，形成了一套較為完整的發(fā)展道路和技術(shù)體系。日本的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)體系主要包括結(jié)構(gòu)耐震，結(jié)構(gòu)制震，結(jié)構(gòu)免震，強(qiáng)震觀測(cè)等。3.1結(jié)構(gòu)耐震日本所謂的耐震，顧名思義，就是建筑物自身“忍耐”地震力作用的能力，生動(dòng)地講，就是“硬碰硬”，“剛性抗震”。這是日本早期的抗震設(shè)計(jì)思想，為最普通級(jí)別。3.1.1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法1981年6月日本開始實(shí)施的新抗震設(shè)計(jì)法，其最大特點(diǎn)是是采用了考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的兩階段設(shè)計(jì)法?；舅枷胧?1)對(duì)于使用年限中遭遇可能性大的地震(地表加速度為80-100

7、ga1)采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法。2)對(duì)于使用年限中遭遇可能性很小的地震(地表加速度為300-400ga1)，采用水平保有耐力設(shè)計(jì)法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的極限承載力。第一階段設(shè)計(jì)中采用的第i層設(shè)計(jì)剪力采用下式計(jì)算： （1）式中：為地震區(qū)域系數(shù)，采用建設(shè)省公布的值；為標(biāo)準(zhǔn)剪力系數(shù)，第一階段設(shè)計(jì)取值0.2；為振動(dòng)特性系數(shù)，是考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性以及場(chǎng)地特性的個(gè)參數(shù)。由以下公式計(jì)算: 1 = 1-0.2（/）2 2 （2） 1.6/ 2根據(jù)場(chǎng)地類別山表1確定。表1 場(chǎng)地卓越周期場(chǎng)地類型Tc/s第1類0.4第2類0.6第3類0.8由于場(chǎng)地基礎(chǔ)仍然有很多待研究的內(nèi)容，對(duì)于類別不清的場(chǎng)地一般保守地定為第3類。作為第二階段設(shè)計(jì)法

8、，對(duì)于高度在31m以上60m以下的建筑物需要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的保有水平耐力。驗(yàn)算時(shí)所需要的保有水平耐力依據(jù)下式計(jì)算: （4）其中：:第二階段設(shè)計(jì)的層間剪力；:結(jié)構(gòu)特性系數(shù)。 :考慮偏心和剛性分布不均勻時(shí)的形狀特性系數(shù)。驗(yàn)算保有水平耐力時(shí)標(biāo)準(zhǔn)剪力系數(shù)=1.0。第二階段設(shè)計(jì)法中設(shè)定的入力地震波加速度為300-400ga1，對(duì)應(yīng)的建筑物的地震動(dòng)力反應(yīng)放大信率為3-4倍。因此建筑物的最大反應(yīng)加速度為1.0g。33.1.2結(jié)構(gòu)抗震加固為提高建筑物的耐震能力，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固?，F(xiàn)有的加固技術(shù)主要是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。如下為在建筑物兩個(gè)方向增設(shè)鋼框架。 圖3 鋼框架的支撐方

9、式還有增加建筑物延性的加固方法，主要通過(guò)CFS材料或鋼板條包裹框架柱，增加框架柱在豎向力作用卜的軸向約束，從而提高其延性性，4如圖4-6所示。 圖4 碳纖維層補(bǔ)強(qiáng) 圖5 鋼板層補(bǔ)強(qiáng) 圖6 鋼筋混凝土層補(bǔ)強(qiáng)3.2結(jié)構(gòu)制震日本所謂制震，即為減振。結(jié)構(gòu)制震是在建筑物的內(nèi)部設(shè)置耗能裝置或者附加子結(jié)構(gòu)，隨著建筑物的變形和運(yùn)動(dòng)速度，吸收或消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。1950年京都大學(xué)的小堀鐸二教授等人開始了“非線性運(yùn)動(dòng)研究”，提出在高層建筑物中設(shè)置減振裝置，以抵消擺動(dòng)和降低地震破壞力的設(shè)想。1960年，小堀鐸二和南井良一郎發(fā)表有關(guān)“減振構(gòu)造”的論文，首次使用“減振”的概念和有關(guān)“減振

10、措施”的原理。目前，日本使用的減振系統(tǒng)分為兩大類，即“主動(dòng)式減振裝置”和“被動(dòng)式減振裝置”。主動(dòng)減振系統(tǒng)共有四種，即AMD（Active Mass Damper）、HMD(Hybrid Mass Damper)、AVS(Active Variable Stiffness)、和AVD(Active Variable Damper)。2AMD減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是在建筑物的頂部設(shè)置一個(gè)大約相當(dāng)于建筑物重量1%的“平衡錘”，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制其搖擺，來(lái)抵消地震和強(qiáng)風(fēng)湍流所引起的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)反應(yīng)減振裝置控制器傳感器地震力圖7 主動(dòng)減振系統(tǒng)的控制原理被動(dòng)式減振裝置主要是設(shè)置一些耗能的部件，如斜撐、鋼板壁、鋼鑲合

11、板、或黏性體等裝置，或者是阻尼器。被動(dòng)式減震裝置:(1)往復(fù)式減震:主要采用低屈服剪力鋼板或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力減震裝置；(2)摩擦式減震:青木式工法就是這一方法的代表，在日本具有較大影響。該工法是在已有房屋的外側(cè)設(shè)置含有摩擦減震器的減震斜撐，采用預(yù)應(yīng)力鋼材與已有結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體，通過(guò)減震器來(lái)吸收地震能量。（3）增設(shè)金屬阻尼器。金屬阻尼器的耗能機(jī)理是通過(guò)金屬元件的彈塑性變形來(lái)耗能。設(shè)計(jì)時(shí)最好避免局部屈曲。金屬阻尼器屈服形式有以下3種:1)軸向屈服型阻尼器也稱為屈曲約束支撐BRB( buckling-restrained braces, BRB)用砂漿或鋼材等約束構(gòu)件料覆蓋在支撐外圍，使支撐桿件在受壓時(shí)不

12、出現(xiàn)局部屈曲和整體屈曲，從而得到有效利用。BRB作為支撐桿件在中高層建筑中逐漸得到應(yīng)用。2)剪切屈服型阻尼器常設(shè)置于建筑結(jié)構(gòu)彎矩小、剪力大的部位，剛架橋墩中或在自立式懸索橋塔身。3)彎曲屈服型阻尼器作為連接型阻尼器多用于連接建筑物，但也可以設(shè)置在橋梁的主梁端部，有與彎矩相似的鐘形、鼓形、蜂窩形等梯形棒或均勻截面棒。(4)粘性式減震。 粘滯性阻尼器由缸體、活塞和液體構(gòu)成，活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，粘滯液體從一端流向另一端產(chǎn)生阻尼力，阻礙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。它是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)，特別是流體通過(guò)節(jié)流孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘滯阻力的原理制成的，是一種無(wú)剛度、速度相關(guān)型的阻尼器。（4）力臂式減震工法力臂式減震工法是日本近年來(lái)出現(xiàn)的

13、新工法，該工法利用設(shè)有減震器的肘結(jié)力臂式機(jī)構(gòu)來(lái)放大結(jié)構(gòu)的層間變形從而提高耗能效率，減少地震反應(yīng)。（5）制震頂棚系統(tǒng) 制震頂棚系統(tǒng)也是日本近年來(lái)開發(fā)的一種結(jié)構(gòu)抗震新方法。該方法是在頂棚和墻之期間設(shè)置制震設(shè)備來(lái)減少地震時(shí)頂棚的振動(dòng)，從而提高頂棚的耐震性能的系統(tǒng)。制震設(shè)備均勻的布置在頂棚外四周的墻壁上。5此外，日本在制震方面還有一些新的研究成果。納米結(jié)晶鋅鋁合金振動(dòng)控制阻尼器是一種取得專利的新型減震阻尼器，采用了納米結(jié)晶鋅鋁合金這種全世界首次研制成功的具有“常溫高速超塑性”特性的合金材料。這種材料具有超常的變形能力，其伸長(zhǎng)率可超過(guò)100%，而且具有自行恢復(fù)初始材料特性的能力，阻尼器也不易損壞，不需要

14、更換，也不需要進(jìn)行日常維護(hù)口蹺擺振動(dòng)控制設(shè)計(jì)是一個(gè)新穎的減震設(shè)計(jì)概念，它的構(gòu)造允許上部結(jié)構(gòu)上下蹺動(dòng)(bobbing)松脫下部基礎(chǔ)。靜荷載或中小地震作用下，上部結(jié)構(gòu)靠重力與下部基礎(chǔ)保持接觸。發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，上部結(jié)構(gòu)就象蹺蹺板一樣，某些部位松脫下部基礎(chǔ)而騰空其余部位接觸下部基礎(chǔ)得到支承，松脫與接觸交替發(fā)生這樣可以有效地耗散地震動(dòng)能，阻止強(qiáng)烈振動(dòng)在上部結(jié)構(gòu)中傳播，而且地震作用下結(jié)構(gòu)周邊不會(huì)產(chǎn)生豎向拔力，有效地防止上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)發(fā)生嚴(yán)重破壞。63.3.結(jié)構(gòu)免震日本結(jié)構(gòu)免震，另種說(shuō)法為隔震。結(jié)構(gòu)免震是通過(guò)某種裝置，將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，該裝置既能支撐建筑物本體重量，又具有在水平方向自由變形能力，吸收和

15、消耗地震輸入能量，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，免受地震破壞。將建筑物與基礎(chǔ)隔離來(lái)減少地震災(zāi)害的方法在日本叫以追溯到1920年山下興家提案的結(jié)構(gòu)形式。1924年鬼頭健三郎做過(guò)在柱斷設(shè)置球狀吸收地震力裝置的試驗(yàn)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代時(shí)程分析法的應(yīng)用使得隔震設(shè)計(jì)成為可能。到了1996年日本采用隔震設(shè)計(jì)的建筑數(shù)口達(dá)到了230棟。2004年隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)量達(dá)到了1000棟以上。3.3.1隔震設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能依賴于隔震層的設(shè)計(jì)，日本的隔震層設(shè)置位置主要有：（1）基礎(chǔ)隔震：這是在日本使用比較廣泛的一種隔震技術(shù)，主要是在基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)之間，安裝橡膠彈性墊或者摩擦滑動(dòng)承重座等緩沖裝置。（2）中間層隔震：對(duì)超高層結(jié)

16、構(gòu)，現(xiàn)有基礎(chǔ)隔震難以有效實(shí)施，通常采用中間層隔震的形式。中間層隔震主要不是針對(duì)隔震層上部構(gòu)造而是為了降低由上部構(gòu)造傳遞到下部構(gòu)造的慣性力。現(xiàn)在日本已經(jīng)開始采用由計(jì)算機(jī)控制的半主動(dòng)隔震體系，由于其采用了隔震和減震結(jié)合的手法，該設(shè)計(jì)得到了日本隔震構(gòu)造協(xié)會(huì)的特別技術(shù)獎(jiǎng)。（3）人工場(chǎng)地隔震：采用該設(shè)計(jì)方法可以降低基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)的層間變形和加速度。東京目白花園建筑群采用了人工場(chǎng)地隔震，3棟11層建筑建造在長(zhǎng)200m，而積約為6000m2的人工場(chǎng)地隔震基礎(chǔ)上。圖8 人工場(chǎng)地隔震（4）大空間結(jié)構(gòu)的隔震：為了緩解溫度荷載，同時(shí)減少噴性力而采用大空間結(jié)構(gòu)的頂部隔震。（5）塔頂隔震：2000年12月竣工的清水建設(shè)技術(shù)

17、研究所的安全安震館采用了塔頂隔震設(shè)計(jì)。2圖9 塔頂隔震3.3.2常用隔震裝置（1）橡膠支座隔震：包括鋼板疊層橡膠支座、石墨橡膠支座、鉛芯橡膠支座。普通疊層橡膠支座內(nèi)阻尼較小，常需配合阻尼器一起使用。阻尼器有鉛阻尼器、鋼棒阻尼器、油阻尼器和多功能阻尼器等類型（設(shè)計(jì)中，一般都采用多種類型隔震支座和阻尼器協(xié)同工作，以求達(dá)到最佳隔震效果）。（2）滾子隔震：包括滾軸隔震、滾珠隔震。（3）滑動(dòng)支座隔震：在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置可以滑動(dòng)的滑板。（4）搖擺支座隔震：由日本提出的一種搖擺支座隔震方案。（5）日本清水建設(shè)公司開發(fā)了一種名為“局部浮力”的抗震系統(tǒng)，即在傳統(tǒng)抗震構(gòu)造基礎(chǔ)上借助于水的浮力支撐整個(gè)建筑物。

18、局部浮力系統(tǒng)在上層結(jié)構(gòu)與地基之間設(shè)置貯水槽，水的浮力承擔(dān)建筑物大約一半重量。這樣既減輕了地基的承重負(fù)荷，又可以把隔震橡膠小型化，降低支撐構(gòu)造部分的剛性，從而提高與地基間的絕緣性。地震發(fā)生時(shí)，貯水槽內(nèi)貯存的水在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可用于滅火，地震發(fā)生后可作為臨時(shí)生活用水。這一系統(tǒng)成本并不算高，以8層樓醫(yī)院建筑為例，成本比普通抗震系統(tǒng)僅高出大約2%。73.4.日本強(qiáng)震觀測(cè)日本抗震技術(shù)的發(fā)展，離不開第一時(shí)間對(duì)地震信息的收集，日本對(duì)地震的觀測(cè)研究起步也很早，最早可以追溯到1923年關(guān)東地震時(shí)的強(qiáng)震觀測(cè)。之后，隨著強(qiáng)震計(jì)的發(fā)展，如石本加速度計(jì)（短周期地震計(jì)），SMAC型強(qiáng)震計(jì)，日本氣象廳的87型強(qiáng)震計(jì)，90型烈度

19、計(jì)，日本的強(qiáng)震觀測(cè)越來(lái)越精確、科學(xué)和廣泛，最后在全國(guó)范圍內(nèi)，形成地震觀測(cè)網(wǎng)。目前，日本的地震觀測(cè)組織主要有以下三個(gè)：（1）日本氣象廳(JMA)。負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)整個(gè)日本的地震活動(dòng)。發(fā)生地震時(shí)，立即確定震源，報(bào)告海嘯預(yù)報(bào)和其它地震信息。（2）國(guó)家防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)。其管理著兩個(gè)觀測(cè)網(wǎng)，K網(wǎng)：部署在全國(guó)約1000個(gè)地點(diǎn)的強(qiáng)震儀網(wǎng)絡(luò)；Hi網(wǎng)：部署在全國(guó)約800個(gè)地點(diǎn)的高靈敏度地震儀網(wǎng)絡(luò)。（3）地震預(yù)測(cè)聯(lián)絡(luò)會(huì)（國(guó)土地理院）。4.世界最大級(jí)震動(dòng)臺(tái)日本三維震動(dòng)破裂實(shí)驗(yàn)設(shè)施對(duì)于地震和抗震技術(shù)的研究，模擬地震動(dòng)的試驗(yàn)設(shè)備異常重要。日本防災(zāi)科學(xué)研究所推進(jìn)的“守護(hù)地球”計(jì)劃，在兵庫(kù)縣三木市建設(shè)了世界最大級(jí)震動(dòng)臺(tái)日本三維震動(dòng)破裂實(shí)驗(yàn)設(shè)施，為日本抗震技術(shù)研究發(fā)揮了重大作用。該振動(dòng)臺(tái)是一個(gè)15mx20mx5.5m、臺(tái)重（質(zhì)量）約800t的巨大裝置。在這個(gè)振動(dòng)臺(tái)上可最大搭載質(zhì)量1200t的構(gòu)造物(例如6層鋼筋混凝土建筑物)。振動(dòng)臺(tái)設(shè)置了1個(gè)水平X方向5臺(tái)、水平Y(jié)方向5臺(tái)、垂直Z方向14臺(tái)共24臺(tái)的加振機(jī)裝置。它在水平方向可以加上位移100cm、水平速度200cm/s、水平加速度0.9g；在垂直方向加上位移50 cm、垂直速度70cm/s、垂直加速度1.5g，以使其產(chǎn)生超過(guò)引發(fā)阪神大震災(zāi)的兵庫(kù)