浅谈日本建筑抗震技术

1、浅谈日本建筑抗震技术摘要：日本每年发生有感地震约1000多次，其中6级以上的地震每年至少发生1次。频繁的地震灾害使日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。本文将介绍日本建筑抗震技术体系的各个方面，希望能为同样是地震重灾国的我国，提供借鉴，引起更多研究者的思考。关键词：耐耐震，减减振，免免震,强震观观测，振振动台0引言据我国国家家地震台台网测定定，北京京时间20111年1月3日4时20分，在在智利中中部发生生7.1级地震震。这是是距离我我们最近近的一次次大地震震。地震震一直是伴伴随着人人类文明明发展的的重大自自然灾害害之一。日日本是世世界公认认的地震震重灾国国，每年发发生有感感

2、地震约约10000多次，全全球10%的地震震均发生生在日本本及其周周边地区区。其中6级以上上的地震震每年至至少发生生1次。1如图1、2所示。然然而，频频繁的地地震灾害害，却使使日本的的抗震技技术快速速发展、完完善，并并形成了了比较完完整的技技术体系系。自19998年至20007年，日日本共发发生震级级为6.0以上的的地震199次，约约占全球球同等规规模地震震总数961的20.7%左右，但但由其导导致的灾灾害死亡亡人数仅仅占世界界的9%(中国却却占约30%)。由此可可见，日日本抗震震技术体体系的先先进与完完善。图1 全球球地震分分布 图2 日本周周边发生生过的地地震1.日本的的地理概概况日本位于

3、亚亚欧大陆陆东端，陆陆地面积积37778800平方公公里。由于日本本列岛正正好位于于亚欧板板块与太太平洋板板块交界界处，按照地地质板块块学说，太太平洋板板块比较较薄，密密度比较较大，而而位置相相对低一一些。当当太平洋洋板块向向西呈水水平移动动时，它它就会俯俯冲到相相邻的亚亚欧板块块之下。于于是，当当亚欧板板块与太太平洋板板块发生生碰撞、挤挤压时，两两大板块块交界处处的岩层层便出现现变形、断断裂等运运动，从从而产生生火山爆爆发、地地震等。2.日本建建筑抗震震发展历历史由于日本地地震多发发，很早早日本就就对建筑筑的抗震震性能进进行研究究。早在在一百多多年前，18991年浓尾尾大地震震砖结构构建筑被

4、被毁严重重时，就就开始探探讨采取取什么措措施，来来抵御地地震破坏坏。20世纪初初，日本学者者大森房房吉提出出近似分分析地震震动影响响的静力力计算法法。日本本从美国国引进钢钢结构和和钢筋混混凝土结结构技术术后，不不久，日日本的钢钢结构建建筑创始始人、东东京大学学教授佐佐野利器器于19114年发表表了家家屋抗震震结构论论。首首先提出出了“抗震结结构”的概念念，并创创造性提提出了用用“静态”的水平平力，代代替“动态”的地震震力的“度震法”，来进进行建筑筑结构的的抗震计计算，为为现代结结构抗震震的计算算奠定了了基础。1922年年，佐野野利器的的学生内内藤多仲仲，发表表的框框架建筑筑抗震结结构论中中，提

5、出出用剪力力墙加强强结构抗抗震性能能的理论论，从而而确立了了“刚性抗抗震”理论在在日本的的主导地地位。关关东大地地震后，19224年，日日本首次次在世界界上规定定了建筑筑结构抗抗震设计计，必须须要考虑虑“水平设设计震度度”。19551年河角角广博士士发表我我国地震震烈度的的分布，提提出按照照“地域”与“基础地地质构造造类别”来规定定设计震震度。19553年日本本在全国国设立SMAAC型强震震计观测测记录地地震，同同年发表表“频谱解解析法”，借助助地震记记录进行行抗震设设计研究究，将日日本抗震震理论提提升了一一大步。20世纪660年代，东东京大学学教授、结结构抗震震专家武武藤清利利用计算算机分析

6、析地震观观测数据据，提出出了利用用建筑结结构的柔柔韧性吸吸收地震震力的、以“振动论”为依据的动态设计方法，即所谓的“柔性抗震结构”理论，并以此理论成功设计了日本第一座超高层建筑“霞关大楼”。1981年年新的“抗震设设计法”实施，其其特点是是规定结结构设计计，不仅仅要考虑虑建筑沿沿高度分分布的“水平剪剪力系数数”和建筑筑物的“振动周周期”，而且且还要同同时考虑虑多发性性中小地地震（地地表加速速度8-1100ggal）发生生时的允允许应力力与大地地震（地地表加速速度3000-4000gaal）发生生时的结结构安全全性。他他彻底改改变了过过去利用用静止的的水平力力代替地地震力的的做法，引引进了动动态

7、的设设计理念念，要求求建筑物物在复杂杂的振动动情况下下仍然要要确保安安全。1998年年建筑筑基准法法对建建筑结构构设计理理念，从从原来的的“型式规规定型”调整为“性能设设计型”。23.日本建建筑结构构抗震的的技术组组成日本抗震技技术经历历了上百百年的技技术积累累、发展和创新，形形成了一一套较为为完整的的发展道道路和技技术体系系。日本本的结构构抗震技技术体系系主要包包括结构构耐震，结结构制震震，结构构免震，强强震观测测等。3.1结构构耐震日本所谓的的耐震，顾顾名思义义，就是是建筑物物自身“忍耐”地震力力作用的的能力，生生动地讲讲，就是是“硬碰硬”，“刚性抗抗震”。这是是日本早早期的抗抗震设计计思

8、想，为为最普通通级别。3.1.11结构抗震设计计方法1981年年6月日本本开始实实施的新新抗震设设计法，其其最大特特点是是是采用了了考虑结结构动力力特性的的两阶段段设计法法。基本本思想是是:1)对于使使用年限限中遭遇遇可能性大大的地震震(地表加加速度为为80-1000ga11)采用许许用应力力设计法法。2)对于使使用年限限中遭遇遇可能性很很小的地地震(地表加加速度为为3000-4000gaa1)，采用用水平保保有耐力力设计法法验算结结构的极极限承载载力。第一阶段设设计中采采用的第第i层设计计剪力采采用下式式计算： （1）式中：为地地震区域域系数，采采用建设设省公布布的值；为标准准剪力系系数，第

9、第一阶段设设计取值值0.2；为振动动特性系系数，是是考虑结结构振动动特性以以及场地地特性的的个参数数。由以下公公式计算算: 1=1-0.2（/）22 （2）1.6/ 2根据场地类类别山表表1确定。表1 场地地卓越周周期场地类型Tc/s第1类0.4第2类0.6第3类0.8由于场地基基础仍然然有很多多待研究究的内容容，对于于类别不不清的场场地一般保守守地定为为第3类。作为第二阶阶段设计计法，对对于高度度在31m以上60m以下的的建筑物物需要验验算结构构的保有有水平耐力。验验算时所所需要的的保有水水平耐力依依据下式式计算: （4）其中：:第第二阶段段设计的的层间剪剪力；:结构特特性系数数。:考虑偏心

10、心和刚性性分布不不均匀时时的形状状特性系系数。验验算保有有水平耐耐力时标标准剪力力系数=1.00。第二阶段设设计法中中设定的的入力地地震波加加速度为为3000-4000gaa1，对应应的建筑筑物的地地震动力力反应放放大信率率为3-4倍。因因此建筑筑物的最最大反应应加速度度为1.0g。33.1.22结构抗抗震加固固为提高建筑筑物的耐耐震能力力，可以以对结构构进行加加固。现现有的加加固技术术主要是是增强结结构各构构件的承承载力和和变形能能力抵御御地震作作用，吸吸收地震震能量。如下为为在建筑筑物两个个方向增增设钢框框架。图3 钢框框架的支支撑方式式还有增加建建筑物延延性的加加固方法法，主要要通过CF

11、S材料或或钢板条条包裹框框架柱，增增加框架架柱在竖竖向力作作用卜的的轴向约约束，从从而提高高其延性性性，4如图4-6所示。图4 碳纤纤维层补补强 图5 钢板板层补强强 图6 钢筋筋混凝土土层补强强3.2结构构制震日本所谓制制震，即即为减振振。结构构制震是是在建筑筑物的内内部设置置耗能装装置或者者附加子子结构，随着建筑物的变形和运动速度，吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。1950年年京都大大学的小小堀铎二二教授等等人开始始了“非线性性运动研研究”，提出出在高层层建筑物物中设置置减振装装置，以以抵消摆摆动和降降低地震震破坏力力的设想想。19660年，小小堀铎二二和南井井良一郎

12、郎发表有有关“减振构构造”的论文文，首次次使用“减振”的概念念和有关关“减振措措施”的原理理。目前前，日本本使用的的减振系系统分为为两大类类，即“主动式式减振装装置”和“被动式式减振装装置”。主动减振系系统共有有四种，即AMD（Active Mass Damper）、HMD(Hybrid Mass Damper)、AVS(Active Variable Stiffness)、和AVD(Active VariableDamper)。2AMD减振振系统的的设计原原理是在在建筑物物的顶部部设置一一个大约约相当于于建筑物物重量1%的“平衡锤”，通过过计算机机控制其其摇摆，来来抵消地地震和强强风湍流流所

13、引起起的振动动。结构反应减振装置控制器传感器地震力结构反应减振装置控制器传感器地震力图7 主动动减振系系统的控控制原理理被动式减振振装置主主要是设设置一些些耗能的的部件，如斜撑、钢板壁、钢镶合板、或黏性体等装置，或者是阻尼器。被动式减震装置:(1)往复复式减震震:主要采用用低屈服服剪力钢钢板或无无粘结预预应力减减震装置置；(2)摩擦擦式减震震:青木式式工法就就是这一一方法的的代表，在在日本具具有较大大影响。该该工法是是在已有有房屋的的外侧设设置含有有摩擦减减震器的的减震斜斜撑，采采用预应应力钢材材与已有有结构结结合为一一体，通通过减震震器来吸吸收地震震能量。（3）增设设金属阻阻尼器。金属阻阻尼

14、器的的耗能机机理是通通过金属属元件的的弹塑性性变形来来耗能。设设计时最最好避免免局部屈屈曲。金金属阻尼尼器屈服服形式有有以下3种:1)轴向屈屈服型阻阻尼器也也称为屈屈曲约束束支撑BRB( bucckliing-resstraaineed bbracces, BRRB)用用砂浆或或钢材等等约束构构件料覆覆盖在支支撑外围围，使支支撑杆件件在受压压时不出出现局部部屈曲和和整体屈屈曲，从从而得到到有效利利用。BRB作为支支撑杆件件在中高高层建筑筑中逐渐渐得到应应用。2)剪切屈屈服型阻阻尼器常常设置于于建筑结结构弯矩矩小、剪剪力大的的部位，刚刚架桥墩墩中或在在自立式式悬索桥桥塔身。3)弯曲屈屈服型阻阻尼

15、器作作为连接接型阻尼尼器多用用于连接接建筑物物，但也也可以设设置在桥桥梁的主主梁端部部，有与与弯矩相相似的钟钟形、鼓鼓形、蜂蜂窝形等等梯形棒棒或均匀匀截面棒棒。(4)粘性性式减震震。 粘滞性阻尼尼器由缸缸体、活活塞和液液体构成成，活塞塞在缸体体内往复复运动，粘粘滞液体体从一端端流向另另一端产产生阻尼尼力，阻阻碍结构构的振动动。它是是根据流流体运动动，特别别是流体体通过节节流孔时时会产生生粘滞阻阻力的原原理制成成的，是是一种无无刚度、速速度相关关型的阻阻尼器。（4）力臂臂式减震震工法力臂式减震震工法是是日本近近年来出出现的新新工法，该该工法利利用设有有减震器器的肘结结力臂式式机构来来放大结结构的

16、层层间变形形从而提提高耗能能效率，减减少地震震反应。（5）制震震顶棚系系统制震顶棚系系统也是是日本近近年来开开发的一一种结构构抗震新新方法。该该方法是是在顶棚棚和墙之之期间设设置制震震设备来来减少地地震时顶顶棚的振振动，从从而提高高顶棚的的耐震性性能的系系统。制制震设备备均匀的的布置在在顶棚外外四周的的墙壁上上。55此外，日本本在制震震方面还还有一些些新的研研究成果果。纳米结晶锌锌铝合金金振动控控制阻尼尼器是一一种取得得专利的的新型减减震阻尼尼器，采采用了纳纳米结晶晶锌铝合合金这种种全世界界首次研研制成功功的具有有“常温高高速超塑塑性”特性的的合金材材料。这这种材料料具有超超常的变变形能力力，

17、其伸伸长率可可超过1100%，而且且具有自自行恢复复初始材材料特性性的能力力，阻尼尼器也不不易损坏坏，不需需要更换换，也不不需要进进行日常常维护口口跷摆振动控控制设计计是一个个新颖的的减震设设计概念念，它的的构造允允许上部部结构上上下跷动动(boobbiing)松脱下下部基础础。静荷荷载或中中小地震震作用下下，上部部结构靠靠重力与与下部基基础保持持接触。发发生强烈烈地震时时，上部部结构就就象跷跷跷板一样样，某些些部位松松脱下部部基础而而腾空其其余部位位接触下下部基础础得到支支承，松松脱与接接触交替替发生这这样可以以有效地地耗散地地震动能能，阻止止强烈振振动在上上部结构构中传播播，而且且地震作作

18、用下结结构周边边不会产产生竖向向拔力，有有效地防防止上部部结构和和下部基基础发生生严重破破坏。63.3.结结构免震震日本结构免免震，另另种说法法为隔震震。结构构免震是通通过某种种装置，将将地震动动与结构构隔开，该装置既能支撑建筑物本体重量，又具有在水平方向自由变形能力，吸收和消耗地震输入能量，以达到减小结构振动的目的，免受地震破坏。将建筑物与与基础隔隔离来减减少地震震灾害的的方法在在日本叫叫以追溯溯到19220年山下下兴家提提案的结结构形式式。19224年鬼头健健三郎做做过在柱柱断设置置球状吸吸收地震震力装置置的试验验。进入20世纪80年代时时程分析析法的应应用使得得隔震设设计成为为可能。到到

19、了19996年日本本采用隔隔震设计计的建筑筑数口达达到了230栋。20004年隔震震结构的的数量达达到了10000栋以上上。3.3.11隔震设设计隔震结构的的抗震性性能依赖赖于隔震震层的设设计，日本的的隔震层层设置位位置主要要有：（1）基础础隔震：这是在在日本使使用比较较广泛的的一种隔隔震技术术，主要要是在基基础和结结构之间间，安装装橡胶弹弹性垫或或者摩擦擦滑动承承重座等等缓冲装装置。（2）中间间层隔震震：对超高高层结构构，现有有基础隔隔震难以以有效实施，通常采用用中间层层隔震的的形式。中中间层隔隔震主要要不是针对对隔震层层上部构构造而是是为了降降低由上部构构造传递递到下部部构造的的惯性力力。

20、现在在日本已经经开始采采用由计算机机控制的的半主动隔隔震体系系，由于于其采用用了隔震震和减震震结合的的手法，该该设计得得到了日日本隔震震构造协协会的特特别技术术奖。（3）人工工场地隔隔震：采用该该设计方方法可以降低低基础上上结构的的层间变变形和加加速度。东东京目白白花园建建筑群采采用了人人工场地地隔震，3栋11层建筑筑建造在在长200m，而积约约为60000mm2的人工工场地隔隔震基础础上。图8 人工工场地隔隔震（4）大空空间结构构的隔震震：为了缓缓解温度度荷载，同同时减少少喷性力力而采用用大空间间结构的的顶部隔隔震。（5）塔顶顶隔震：20000年12月竣工的的清水建建设技术术研究所所的安全全

21、安震馆馆采用了了塔顶隔隔震设计计。2图9 塔顶顶隔震3.3.22常用隔隔震装置置（1）橡胶胶支座隔隔震：包括钢钢板叠层层橡胶支支座、石石墨橡胶胶支座、铅铅芯橡胶胶支座。普普通叠层橡胶胶支座内内阻尼较小小，常需需配合阻阻尼器一一起使用用。阻尼尼器有铅铅阻尼器、钢钢棒阻尼尼器、油油阻尼器器和多功功能阻尼尼器等类类型（设设计中，一一般都采采用多种种类型隔隔震支座座和阻尼尼器协同同工作，以以求达到到最佳隔隔震效果果）。（2）滚子子隔震：包括滚滚轴隔震震、滚珠珠隔震。（3）滑动动支座隔隔震：在上部部结构与与基础之之间设置置可以滑滑动的滑滑板。（4）摇摆摆支座隔隔震：由日本本提出的的一种摇摇摆支座座隔震方

22、方案。（5）日本本清水建建设公司司开发了了一种名名为“局部浮浮力”的抗震震系统，即即在传统统抗震构构造基础础上借助于水水的浮力力支撑整整个建筑筑物。局局部浮力力系统在在上层结结构与地地基之间间设置贮贮水槽，水水的浮力力承担建建筑物大大约一半半重量。这这样既减减轻了地地基的承承重负荷荷，又可可以把隔隔震橡胶胶小型化化，降低低支撑构构造部分分的刚性性，从而而提高与与地基间间的绝缘缘性。地地震发生生时，贮贮水槽内内贮存的的水在发发生火灾灾时可用用于灭火火，地震发发生后可可作为临临时生活活用水。这这一系统统成本并并不算高高，以88层楼医医院建筑筑为例，成成本比普普通抗震震系统仅仅高出大大约2%。73.

23、4.日日本强震震观测日本抗震技技术的发发展，离离不开第第一时间间对地震震信息的的收集，日日本对地地震的观观测研究究起步也也很早，最最早可以以追溯到到19223年关东东地震时时的强震震观测。之之后，随随着强震震计的发发展，如如石本加加速度计计（短周周期地震震计），SMAAC型强震震计，日日本气象象厅的87型强震震计，90型烈度度计，日日本的强强震观测测越来越越精确、科科学和广广泛，最最后在全全国范围围内，形形成地震震观测网网。目前，日本本的地震震观测组组织主要要有以下下三个：（1）日本本气象厅厅(JMAA)。负负责监测测整个日日本的地地震活动动。发生生地震时时，立即即确定震震源，报报告海啸啸预报

24、和和其它地地震信息息。（2）国家家防灾科科学技术术研究所所(NIEED)。其其管理着着两个观观测网，K网：部署在全国约1000个地点的强震仪网络；Hi网：部署在全国约800个地点的高灵敏度地震仪网络。（3）地震震预测联联络会（国土地地理院）。4.世界最最大级震动台日本三维维震动破破裂实验验设施对于地震和和抗震技技术的研研究，模模拟地震震动的试试验设备备异常重重要。日本防防灾科学学研究所所推进的的“守护地地球”计划，在在兵库县县三木市市建设了了世界最最大级震动动台日本三维维震动破破裂实验验设施，为为日本抗抗震技术术研究发发挥了重重大作用用。该振动台是是一个15mmx200mx55.5mm、台重重（质量）约8000t的巨大大装置。在在这个振振动台上上可最大大搭载质质量12200tt的构造造物(例如6层钢筋筋混凝土土建筑物物)。振动台台设置了1个水平X方向5台、水水平Y方向5台、垂垂直Z方向14台共24台的加加振机装装置。它它在水平平方向可以以加上位位移1000cm、水平平速度2200ccm/ss、水平平加速度度0.9g；在垂直直方向加上位位移50 cm、垂直直速度770cmm/s、垂直直加速度度1.5g，以使使其产生生超过引引发阪神神大