浅谈日本建筑抗震技术

浅谈日本建筑抗抗震技术摘要：日本每年年年发生有有感地地震约1000多次，其中6级以上的的地地震每年年至少少发生1次。频繁繁的的地震灾灾害使使日本的的抗震震技术快快速发发展、完完善，并并形成了了比较较完整的的技术术体系。本本文文将介绍绍日本本建筑抗抗震技技术体系系的各各个方面面，希希望能为为同样样是地震震重灾灾国的我我国，提提供借鉴鉴，引引起更多多研究究者的思思考。关键词：耐震，减减振，免震,强震观测，振振动台0引言据我国国家地震震震台网测测定，北北京时间2011年1月3日4时20分，在智智利利中部发发生7.1级地震。这这这是距离离我们们最近的的一次次大地震震。地地震一直直是伴伴随着人人类文文明发展展的重重大自然然灾害害之一。日日本本是世界界公认认的地震震重灾灾国，每年年发发生有感感地震震约1000多次，全全球10%的地震均均发发生在日日本及及其周边边地区区。其中6级以上的的地地震每年年至少少发生1次。[1]]如图1、2所示。然然而而，频繁繁的地地震灾害害，却却使日本本的抗抗震技术术快速速发展、完完善善，并形形成了了比较完完整的的技术体体系。自1998年至2007年，日本本共发生震震级为6.0以上的地地震199次，约占占全球同等等规模地震震总数961的20.77%左右，但但由其导致致的灾害死死亡人数仅仅占世界的的9%(中国却占占约30%)。由此可可见，日本本抗震技术术体系的先先进与完善善。图1全球地震震分布布图2日本周边边发发生过的的地震震1.日本的地理理概概况日本位于亚欧大大大陆东端，陆陆地面积3778880平方公里。由由于日本列岛岛正好位于亚亚欧板块与太太平洋板块交交界处，按照地质板板块学说，太太平洋板块比比较薄，密度度比较大，而而位置相对低低一些。当太太平洋板块向向西呈水平移移动时，它就就会俯冲到相相邻的亚欧板板块之下。于于是，当亚欧欧板块与太平平洋板块发生生碰撞、挤压压时，两大板板块交界处的的岩层便出现现变形、断裂裂等运动，从从而产生火山山爆发、地震震等。2.日本建筑抗抗震震发展历史史史由于日本地震多多多发，很很早日日本就对对建筑筑的抗震震性能能进行研研究。早早在一百百多年年前，1891年浓尾大大地地震砖结结构建建筑被毁毁严重重时，就就开始始探讨采采取什什么措施施，来来抵御地地震破破坏。20世纪初，日日本本学者大森森森房吉提提出近近似分析析地震震动影响响的静静力计算算法。日日本从美美国引引进钢结结构和和钢筋混混凝土土结构技技术后后，不久久，日日本的钢钢结构构建筑创创始人人、东京京大学学教授佐佐野利利器于1914年发表了了《家家屋抗震震结构构论》。首首先先提出了“抗震结构”的概念，并并并创造性性提出出了用“静态”的水平力力，代代替“动态”的地震力力的“度震法”，来进行行建建筑结构构的抗抗震计算算，为为现代结结构抗抗震的计计算奠奠定了基基础。1922年，佐佐佐野利器器的学学生内藤藤多仲仲，发表表的《框框架建筑筑抗震震结构论论》中中，提出出用剪剪力墙加加强结结构抗震震性能能的理论论，从从而确立立了“刚性抗震”理论在日日本本的主导导地位位。关东东大地地震后，1924年，日本本首首次在世世界上上规定了了建筑筑结构抗抗震设设计，必必须要要考虑“水平设计计震震度”。1951年河角广广博博士发表表《我我国地震震烈度度的分布布》，提提出按照“地域”与“基础地质质构构造类别”来规定设设计计震度。1953年日本在在全全国设立SMAC型强震计计观观测记录录地震震，同年年发表表“频谱解析析法”，借助地地震震记录进进行抗抗震设计计研究究，将日日本抗抗震理论论提升升了一大大步。20世纪60年年代，东东京大大学教授授、结结构抗震震专家家武藤清清利用用计算机机分析析地震观观测数数据，提提出了了利用建建筑结结构的柔柔韧性性吸收地地震力力的、以“振动论”为依据的的动动态设计计方法法，即所所谓的的“柔性抗震震结结构”理论，并并以以此理论论成功功设计了了日本本第一座座超高高层建筑“霞关大楼”。1981年新的的的“抗震设计计法”实施，其其特特点是规规定结结构设计计，不不仅要考考虑建建筑沿高高度分分布的“水平剪力力系系数”和建筑物物的“振动周期”，而且还还要要同时考考虑多多发性中中小地地震（地地表加加速度8-10000gal）发生时时的的允许应应力与与大地震震（地地表加速速度300--4400ggall）发生时时的的结构安安全性性。他彻彻底改改变了过过去利利用静止止的水水平力代代替地地震力的的做法法，引进进了动动态的设设计理理念，要要求建建筑物在在复杂杂的振动动情况况下仍然然要确确保安全全。1998年《建建建筑基准准法》对对建筑结结构设设计理念念，从从原来的“型式规定定型”调整为“性能设计计型”。[2]3.日本建筑结结构构抗震的技技技术组成成日本抗震技术经经经历了上上百年年的技术术积累累、发展展和创创新，形形成了了一套较较为完完整的发发展道道路和技技术体体系。日本本的的结构抗抗震技技术体系系主要要包括结结构耐耐震，结结构制制震，结结构免免震，强强震观观测等。3.1结构耐震震震日本所谓的耐震震震，顾名名思义义，就是是建筑筑物自身“忍耐”地震力作作用用的能力力，生生动地讲讲，就就是“硬碰硬”，“刚性抗震”。这是日日本本早期的的抗震震设计思思想，为为最普通通级别别。3.1.1结构构构抗震设设计方方法1981年6月月月日本开开始实实施的新新抗震震设计法法，其其最大特特点是是是采用用了考考虑结构构动力力特性的的两阶阶段设计计法。基基本思想想是:1)对于使用用年年限中遭遭遇可可能性大大的地地震(地表加速速度度为80-11000gaa1))采用许用用应应力设计计法。2)对于使用用年年限中遭遭遇可可能性很很小的的地震(地表加速速度度为300--4400gga11)，采用水水平平保有耐耐力设设计法验验算结结构的极极限承承载力。第一阶段设计中中中采用的的第i层设计剪剪力力采用下下式计计算：（1）式中：为地震区区区域系数数，采采用建设设省公公布的值值；为为标准剪剪力系系数，第第一阶阶段设计计取值值0.2；为振动特特性性系数，是是考考虑结构构振动动特性以以及场场地特性性的个个参数。由由以以下公式式计算算:1＜=1-0.2（/）2≤＜2（2）1.6/2＜根据场地类别山山山表1确定。表1场地卓越越周期期场地类型Tc/s第1类0.4第2类0.6第3类0.8由于场地基础仍仍仍然有很很多待待研究的的内容容，对于于类别别不清的的场地地一般保保守地地定为第3类。作为第二阶段设设设计法，对对于于高度在31m以上60m以下的建建筑筑物需要要验算算结构的的保有有水平耐耐力。验验算时所所需要要的保有有水平平耐力依依据下下式计算:（4）其中：:第二阶阶阶段设计计的层层间剪力力；::结构特性性系系数。:考虑偏心和刚刚刚性分布不不均均匀时的的形状状特性系系数。验验算保有有水平平耐力时时标准准剪力系系数==1.0。第二阶段设计法法法中设定定的入入力地震震波加加速度为300--4400gga11，对应的的建建筑物的的地震震动力反反应放放大信率率为3-4倍。因此此建建筑物的的最大大反应加加速度度为1.0g。[3]3.1.2结构构构抗震加加固为提高建筑物的的的耐震能能力，可可以对结结构进进行加固固。现现有的加加固技技术主要要是增增强结构构各构构件的承承载力力和变形形能力力抵御地地震作作用，吸吸收地地震能量量。如如下为在在建筑筑物两个个方向向增设钢钢框架架。图3钢框架的的支撑撑方式还有增加建筑物物物延性的的加固固方法，主主要要通过CFS材料或钢钢板板条包裹裹框架架柱，增增加框框架柱在在竖向向力作用用卜的的轴向约约束，从从而提高高其延延性性，[4]如图4-6所示。图4碳纤维层层补强强图5钢板层补补强图6钢筋混凝凝土土层补强强3.2结构制震震震日本所谓制震，即即为减振。结结构制震是在在建筑物的内内部设置耗能能装置或者附附加子结构，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年京都都都大学的的小堀堀铎二教教授等等人开始始了“非线性运运动动研究”，提出在在高高层建筑筑物中中设置减减振装装置，以以抵消消摆动和和降低低地震破破坏力力的设想想。1960年，小堀堀铎铎二和南南井良良一郎发发表有有关“减振构造”的论文，首首首次使用“减振”的概念和和有有关“减振措施”的原理。目目目前，日日本使使用的减减振系系统分为为两大大类，即“主动式减减振振装置”和“被动式减减振振装置”。主动减振系统共共共有四种种，即即AMD（ActiivveMMasssDDammper）、HMD((HHybrriddMaasssDaampper)、AVS((AActiiveeVaariiablleStiifffnesss))、和AVD((AActiiveeVaariiablleDDampperr)。[2]AMD减振系统统统的设计计原理理是在建建筑物物的顶部部设置置一个大大约相相当于建建筑物物重量1%的“平衡锤”，通过计计算算机控制制其摇摇摆，来来抵消消地震和和强风风湍流所所引起起的振动动。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主动减振振系统统的控制制原理被动式减振装置置置主要是是设置置一些耗耗能的的部件，如如斜斜撑、钢钢板壁壁、钢镶镶合板板、或黏黏性体体等装置置，或或者是阻阻尼器器。被动式式减减震装置:(1)往复式减减减震:主要采用用低低屈服剪剪力钢钢板或无无粘结结预应力力减震震装置；；(2)摩擦式减减减震:青木式工工法法就是这这一方方法的代代表，在在日本具具有较较大影响响。该该工法是是在已已有房屋屋的外外侧设置置含有有摩擦减减震器器的减震震斜撑撑，采用用预应应力钢材材与已已有结构构结合合为一体体，通通过减震震器来来吸收地地震能能量。（3）增设金属属阻阻尼器。金金金属阻尼尼器的的耗能机机理是是通过金金属元元件的弹弹塑性性变形来来耗能能。设计计时最最好避免免局部部屈曲。金金属属阻尼器器屈服服形式有有以下下3种:1)轴向屈服型型阻阻尼器也称称称为屈曲曲约束束支撑BRB(buuuckllinng-rresstraainnedbrracees,,BRRB))用砂浆或或钢钢材等约约束构构件料覆覆盖在在支撑外外围，使使支撑杆杆件在在受压时时不出出现局部部屈曲曲和整体体屈曲曲，从而而得到到有效利利用。BRB作为支撑撑杆杆件在中中高层层建筑中中逐渐渐得到应应用。2)剪切屈服型型阻阻尼器常设设设置于建建筑结结构弯矩矩小、剪剪力大的的部位位，刚架架桥墩墩中或在在自立立式悬索索桥塔塔身。3)弯曲屈服型型阻阻尼器作为为为连接型型阻尼尼器多用用于连连接建筑筑物，但但也可以以设置置在桥梁梁的主主梁端部部，有有与弯矩矩相似似的钟形形、鼓鼓形、蜂蜂窝形形等梯形形棒或或均匀截截面棒棒。(4)粘性式减减减震。粘滞性阻尼器由由由缸体、活活塞塞和液体体构成成，活塞塞在缸缸体内往往复运运动，粘粘滞液液体从一一端流流向另一一端产产生阻尼尼力，阻阻碍结构构的振振动。它它是根根据流体体运动动，特别别是流流体通过过节流流孔时会会产生生粘滞阻阻力的的原理制制成的的，是一一种无无刚度、速速度度相关型型的阻阻尼器。（4）力臂式减减震震工法力臂式减震工法法法是日本本近年年来出现现的新新工法，该该工工法利用用设有有减震器器的肘肘结力臂臂式机机构来放放大结结构的层层间变变形从而而提高高耗能效效率，减减少地震震反应应。（5）制震顶棚棚系系统制震顶棚系统也也也是日本本近年年来开发发的一一种结构构抗震震新方法法。该该方法是是在顶顶棚和墙墙之期期间设置置制震震设备来来减少少地震时时顶棚棚的振动动，从从而提高高顶棚棚的耐震震性能能的系统统。制制震设备备均匀匀的布置置在顶顶棚外四四周的的墙壁上上。[5]此外，日本在制制制震方面面还有有一些新新的研研究成果果。纳米结晶锌铝合合合金振动动控制制阻尼器器是一一种取得得专利利的新型型减震震阻尼器器，采采用了纳纳米结结晶锌铝铝合金金这种全全世界界首次研研制成成功的具具有“常温高速速超超塑性”特性的合合金金材料。这这种种材料具具有超超常的变变形能能力，其其伸长长率可超超过100%，而且具具有有自行恢恢复初初始材料料特性性的能力力，阻阻尼器也也不易易损坏，不不需需要更换换，也也不需要要进行行日常维维护口口跷摆振动控制设设设计是一一个新新颖的减减震设设计概念念，它它的构造造允许许上部结结构上上下跷动(bobbbingg)松脱下部部基基础。静静荷载载或中小小地震震作用下下，上上部结构构靠重重力与下下部基基础保持持接触触。发生生强烈烈地震时时，上上部结构构就象象跷跷板板一样样，某些些部位位松脱下下部基基础而腾腾空其其余部位位接触触下部基基础得得到支承承，松松脱与接接触交交替发生生这样样可以有有效地地耗散地地震动动能，阻阻止强强烈振动动在上上部结构构中传传播，而而且地地震作用用下结结构周边边不会会产生竖竖向拔拔力，有有效地地防止上上部结结构和下下部基基础发生生严重重破坏。[6]3.3.结构免免免震日本结构免震，另另种说法为隔隔震。结构免免震是通过某某种装置，将将地震动与结结构隔开，该该装置既能支支撑建筑物本本体重量，又又具有在水平平方向自由变变形能力，吸收和消耗耗地震输入能能量，以达到减小小结构振动的的目的，免受受地震破坏。将建筑物与基础础础隔离来来减少少地震灾灾害的的方法在在日本本叫以追追溯到到1920年山下兴兴家家提案的的结构构形式。1924年鬼头健健三三郎做过过在柱柱断设置置球状状吸收地地震力力装置的的试验验。进入20世纪80年代时程程分分析法的的应用用使得隔隔震设设计成为为可能能。到了1996年日本采采用用隔震设设计的的建筑数数口达达到了230栋。2004年隔震结结构构的数量量达到到了1000栋以上。3.3.1隔震震震设计隔震结构的抗震震震性能依依赖于于隔震层层的设设计，日日本的的隔震层层设置置位置主主要有有：（1）基础隔震震：：这是在日日日本使用用比较较广泛的的一种种隔震技技术，主主要是在在基础础和结构构之间间，安装装橡胶胶弹性垫垫或者者摩擦滑滑动承承重座等等缓冲冲装置。（2）中间层隔隔震震：对超高高高层结构构，现现有基础础隔震震难以有有效实实施，通通常采采用中间间层隔隔震的形形式。中中间层隔隔震主主要不是是针对对隔震层层上部部构造而而是为为了降低低由上上部构造造传递递到下部部构造造的惯性性力。现现在日本本已经经开始采采用由由计算机机控制制的半主主动隔隔震体系系，由由于其采采用了了隔震和和减震震结合的的手法法，该设设计得得到了日日本隔隔震构造造协会会的特别别技术术奖。（3）人工场地地隔隔震：采用用用该设计计方法法可以降降低基基础上结结构的的层间变变形和和加速度度。东东京目白白花园园建筑群群采用用了人工工场地地隔震，3栋11层建筑建建造造在长200m，而积约约为60000mm2的人工场场地地隔震基基础上上。图8人工场地地隔震震（4）大空间结结构构的隔震：：：为了缓缓解温温度荷载载，同同时减少少喷性性力而采采用大大空间结结构的的顶部隔隔震。（5）塔顶隔震震：：2000年12月竣工的的清清水建设设技术术研究所所的安安全安震震馆采采用了塔塔顶隔隔震设计计。[2]图9塔顶隔震震3.3.2常用用用隔震装装置（1）橡胶支座座隔隔震：包括括括钢板叠叠层橡橡胶支座座、石石墨橡胶胶支座座、铅芯芯橡胶胶支座。普普通通叠层橡橡胶支支座内阻阻尼较较小，常常需配配合阻尼尼器一一起使用用。阻阻尼器有有铅阻阻尼器、钢钢棒棒阻尼器器、油油阻尼器器和多多功能阻阻尼器器等类型型（设设计中，一一般般都采用用多种种类型隔隔震支支座和阻阻尼器器协同工工作，以以求达到到最佳佳隔震效效果）。（2）滚子隔震震：：包括滚轴轴轴隔震、滚滚珠珠隔震。（3）滑动支座座隔隔震：在上上上部结构构与基基础之间间设置置可以滑滑动的的滑板。（4）摇摆支座座隔隔震：由日日日本提出出的一一种摇摆摆支座座隔震方方案。（5）日本清水水建建设公司开开开发了一一种名名为“局部浮力”的抗震系系统统，即在在传统统抗震构构造基基础上借借助于于水的浮浮力支支撑整个个建筑筑物。局局部浮浮力系统统在上上层结构构与地地基之间间设置置贮水槽槽，水水的浮力力承担担建筑物物大约约一半重重量。这这样既减减轻了了地基的的承重重负荷，又又可可以把隔隔震橡橡胶小型型化，降降低支撑撑构造造部分的的刚性性，从而而提高高与地基基间的的绝缘性性。地地震发生生时，贮贮水槽内内贮存存的水在在发生生火灾时时可用用于灭火火，地地震发生生后可可作为临临时生生活用水水。这这一系统统成本本并不算算高，以8层楼医院院建筑为例例，成本比比普通抗震震系统仅高高出大约2%。[7]3.4.日本强强强震观测测日本抗震技术的的的发展，离离不不开第一一时间间对地震震信息息的收集集，日日本对地地震的的观测研研究起起步也很很早，最最早可以以追溯溯到1923年关东地地震震时的强强震观观测。之之后，随随着强震震计的的发展，如如石石本加速速度计计（短周周期地地震计），SMAC型强震计计，日日本气象象厅的的87型强震计计，90型烈度计计，日日本的强强震观观测越来来越精精确、科科学和和广泛，最最后后在全国国范围围内，形形成地地震观测测网。目前，日本的地地地震观测测组织织主要有有以下下三个：：（1）日本气象象厅厅(JMAA)。负责监监测测整个日日本的的地震活活动。发发生地震震时，立立即确定定震源源，报告告海啸啸预报和和其它它地震信信息。（2）国家防灾灾科科学技术研研研究所(NIEDD)。其管理理着着两个观观测网网，K网：部署署在在全国约1000个地点的的强强震仪网网络；；Hi网：部署署在在全国约800个地点的的高高灵敏度度地震震仪网络络。（3）地震预测测联联络会（国国国土地理理院）。4.世界最大级级震震动台—日本三维维震震动破裂裂实验验设施对于地震和抗震震震技术的的研究究，模拟拟地震震动的试试验设设备异常常重要要。日本本防灾灾科学研研究所所推进的“守护地球”计划，在在兵兵库县三三木市市建设了了世界界最大级级震动动台—日本三维维震震动破裂裂实验验设施，为为日日本抗震震技术术研究发发挥了了重大作作用。该振动台是一个个个15mxx220mxx5..5m、台重（质质质量）约800t的巨大装装置置。在这这个振振动台上上可最最大搭载载质量量12000t的构造物(例如6层钢筋混混凝凝土建筑筑物)。振动台台设设置了1个水平X方向5台、水平Y方向5台、垂直Z方向14台共24台的加振振机机装置。它它在在水平方方向可可以加上上位移移±1000ccm、水平速速度200ccmm/s、水平加加速速度0.9g；在垂直直方方向加上上位移移±50ccm、垂直速速度70cmm//s、垂直加加速速度1.5g，以使其其产产生超过过引发发阪神大大震灾灾的兵库库县南南部地震震的地地震动。图10三维震震震动破裂试试验