里氏88级地震中隔减震建筑的调查与分析

里氏88级地震中隔减震建筑的调查与分析

免地震，中文意思是“隔震”。振动控制在中国是“衰减”。本次现场考察了仙台地区部分隔减震建筑物在3月11日日本东北地区太平洋近海地震中的受灾情况。1日本结构成因日本是世界公认的地震多发国,每年发生有感地震1000多次,全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。早在1995年1月的兵库县南部地震之后,日本就发现其在1981年之后按照抗震结构设计的建筑尽管能够保证生命安全,但由于受灾严重,较多的建筑因丧失了相应的功能而被停止使用,更有一些不得不进行推倒重建;而一些位于震中但采用了隔、减震技术的结构则受损相对较小。地震灾害的经验使日本的政府、科研设计单位和使用单位进一步认识到隔、减震技术的巨大优势,并开始大力推广这项技术。1.1日本隔震技术现状传统的结构抗震技术是通过增大构件截面、提高结构或构件的承载能力和变形能力等主要措施来改善结构本身的抗震性能。这种方法虽然对提高结构抵御震灾的能力发挥了较大的作用,但也存在结构安全性难以保证、适应性受到限制、经济性欠佳以及震后修复难度大等一系列的问题。因此,近30年来,科研人员对结构抗震新技术特别是隔震和减震技术进行了系统、深入的研究和应用[1―4]。结构减震是通过在结构中合理设置消能减震装置来有效地控制结构的振动响应,使得结构在地震作用下的各项反应值被控制在允许范围内。它不是采用加强结构的传统设计方法来提高结构的抗震能力,而是通过设置消能减震装置来控制结构在地震作用下的振动响应,从而有效地提高结构的抗震性能。据统计,截止2009年日本已有近1000座的减振建筑(图1)。目前,结构减震所采用的阻尼器主要有粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器、软钢阻尼器和约束屈曲支撑等。当前,在日本应用较多的是粘滞流体阻尼器和约束屈曲支撑阻尼器两种方法。另外,粘滞阻尼墙、软钢阻尼墙和软钢耗能柱等其他消能构件亦有一定的应用,如日本SUT-Building大厦、日建设计公司东京大楼等。隔震基本思想是将整个建筑物或其局部楼层坐落在隔震层上,通过隔震层的变形来吸收地震能量,控制上部结构地震作用效应和隔震部位的变形,从而减小结构的地震响应,提高建筑结构的抗震可靠性。随着人们对隔震技术认识的提高,隔震技术得到了越来越多的应用。在2006年11月份举行的第四届国际结构振动控制与隔震交流会举行期间,与会学者对当时各国的隔震结构数量进行了统计(图2),可见作为较早利用隔震技术的国家之一,日本目前拥有世界上最多的隔震建筑。进一步对日本隔震结构的年增加量(图3)进行分析可见,其数量的爆炸式的增长是自1995年1月的兵库县南部地震证实了隔震结构在地震作用时的优良表现之后,这其中大部分的隔震建筑为住宅和办公楼。近年来,日本每年新建隔震建筑稳步增加(图4),截止2009年其隔震建筑的总数已超过6000幢,其最高的隔震建筑高度达到177.4m、高宽比达到5.8∶1(位于大阪西梅田的一座超高层,地下1层,地上50层)。2地震中的衰减结构2.1结构震后的观察和分析东北大学隔震实验楼(图5),由清水建设建造,位于日本仙台的东北大学校内,建成于1986年。结构为三层钢筋混凝土框架结构,建筑面积417.14m2,由两栋相邻的具有相同结构特点的建筑组成,一栋采用橡胶隔震垫隔震,一栋采用普通抗震体系。此次311地震中,两栋建筑均未受到严重的破损,但是震后的观察(图6)发现,非隔震结构的墙上明显出现一些裂缝,而隔震结构则未出现任何裂缝[7―9]。在该建筑中及其周围布置了一些加速度测点,此次地震所获得的结果如图7和图8所示,可以发现:隔震结构顶部的加速度峰值相对非隔震结构减小了一半左右,设置隔震支座有效地降低了结构在地震作用下的响应;并且隔震结构的顶部加速度与其底部加速度接近,而非隔震结构顶部加速度相对其底部加速度放大了两倍多,说明隔震结构层间位移较小,且隔震结构保持一种整体平动的状态,提高了室内舒适度,降低了由于装潢、家具等附属内饰破坏造成的额外伤害。图9给出了结构y向地震响应的时域和频域分析图,比较发现,隔震结构顶部的加速度峰值及其反应谱比率均较大,说明了采用隔震措施能够有效地降低结构在地震作用下的响应。同时,由图10隔震层在各个方向的最大位移均为超过12cm,未达到破坏最大位移,震后的检查亦发现隔震支座基本保持完好。2.2阻尼器的试验研究东北工业大学10号馆(图11),位于仙台东北大学校园内,建成于2003年3月。占地637m2,总面积4240m2,地下一层,地上8层。地下室采用钢筋混凝土结构,上部采用钢结构,考虑地震作用的影响,采用了油阻尼器进行地震响应控制。阻尼器布置如图12(a)所示,在平面基本保持刚度对称,采用倒人字形支撑进行阻尼器的安装(图12(b)),阻尼器的具体构造如图12(c)所示,此处采用了限位装置以保证阻尼器失效时的结构安全。在该结构初步建造完成,尚未进行室内外装修的情况下(图13(a)),对其开展了起震机(图13(b))加震试验。图14(a)和图14(b)分别给出了结构在起震弯矩为0.3kN·m时,顶层加速度响应随加载频率变化的共振曲线,结果表明在共振频率情况下,减振结构比原结构的响应峰值降低了约25%~50%,阻尼器能够有效的降低结构振动响应。图14(c)给出了加载频率为5.85Hz,起震弯矩为0.3kN·m时,8层长边方向某阻尼器的滞回曲线,可见该阻尼器滞回曲线饱满,耗能效果良好。通过预先设置的一些传感装置,在这次地震中,亦得到了该建筑的一些地震响应(表1)。从所得的加速度峰值响应数据来看,在3月9日较小的地震作用下,阻尼器发挥的作用相对4月7日较大地震时要小。进一步对其时程数据进行频域内的傅里叶反应谱比的分析(图15)发现,4月7日地震到来后结构特征周期变柔。在震后的现场观察发现,尽管阻尼器在地震来临时发挥了其应有的作用,但部分阻尼器及其节点在地震作用下发生破坏(图16),导致结构整体变柔,减震效果降低。2.3隔震措施的使用仙台森大厦(图17),1997年3月动工兴建,1999年3月竣工,为日本最早的超过60m的高层隔震建筑。地下2层,地上18层,塔高2层,檐高74.19m,最高处84.19m,成双轴对称的矩形平面形状,长边向47.13m,短边向41.17m。主体为钢筋混凝土结构,1层是商场,2层~18层为办公楼。该结构隔震层设置于首层和地下室之间,共使用了36个隔震支座(图18(a))。其中直径1000mm(RB1100)的叠层橡胶支座(图18(b))20个,布置于隔震层四周;直径1200mm(RB1200)的叠层橡胶支座6个,在隔震层两边和中间各布置两个;在中间轴力较大位置布置了10个直径1300mm(SLD1300)的弹性滑移支座(图18(c))。设计时确保滑移支座在设计风荷载作用下不会出现滑动,但在强震来袭时发生滑移,橡胶支座提供一定的刚度,同时采用阻尼器来消耗能量,控制隔震层的位移。采用了隔震后结构的地震响应比隔震前降低约20%,隔震支座受拉分析时,考虑了水平地震作用和竖向地震作用的共同作用,大震时,产生的隔震支座拉应力仅为0.13MPa,在隔震支座允许的弹性受拉范围之内。该结构还在隔震层设置了地震位移记录仪器(图19(a)),用于观测地震发生时,隔震层的相对位移。该记录仪在2003年准确地记录了5月26日宫城县发生地震时隔震层的位移(图19(b)),向人们展示了隔震用于高层建筑中的有效性。同时,还有一些局部的隔震构造措施,如柔性管道、隔震沟(盖板)等(图20)亦是确保隔震建筑在地震中发挥作用的重要措施。2.4分散板内冷并压且以混凝土结构显色,见表1这里介绍两栋公共住宅楼在此次地震中的表现。一栋是仙台某住宅楼(图21(a)),该住宅位于日本仙台,采用基础隔震技术。在地震后,23楼放置于桌面的葡萄酒未倒(图21(b)),说明结构在地震整体晃动较小,舒适度较高。另一栋住宅(图22)位于江东区,地面12层,上部为钢筋混凝土结构,采用基础隔震,隔震层采用了铅芯橡胶支座、天然橡胶支座、摩擦阻尼器和油阻尼器共同组成。该结构在隔震层底部、1层楼面和12层楼面设置了加速度监测装置(图23(a)),在此次地震中得到的数据(图23(b))显示,隔震系统在此次地震中隔离了传往上部结构的地震能量,保护了上部主体结构不受损害。3日本隔、震技术在大震后设计的体会现场考察了仙台地区在3月11日日本东北地区太平洋近海地震中的地震灾害情况,重点对隔、减震建筑在此次里氏8.8级大地震中的表现进行了调研。学习了日本近20年来在隔、减震结构的研究、设计、施工与维护等方面的宝贵经验,关注了隔、减震结构在此次百年一遇的大地震中的表现。通过现场调查、搜集资料、学习研究,可得到以下主要结论和体会:(1)隔、减震技术对提高建筑物的抗震能力具有重要作用。日本采用隔、减震技术的建筑物在设计、建造和维护等方面所采取的一些方法和措施值得我们学习,同时,他们在此次地震中所获得的一些经验和教训亦值得我们借鉴。(2)隔震技术可以用于较柔的长周期结构。高层建筑的特征周期往往超过3s,隔震后其特征周期达到5s以上,研究表明,高层建筑采用基础隔震技术可有效地提高其在大震下的安全性和使用性。隔震设计时需考虑隔震装置的抗拉性能、上部结构的抗倾覆性能和在风荷载作用下隔震层的变形。(3)隔、减震结构的构造