日本建筑结构减震研究新进展

日本建筑结构减震研究新进展

1基础隔震板片结构体系日本是世界上最多的多地震国家。她进行了一系列振动、隔震、振动理论和实践的理论和实践研究，取得了显著的成就。本文将介绍日本在建筑结构抗震、减震研究方面取得的几项新进展:基础隔震板片结构(flatslabbase-isolatedbuilding)体系、纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器(vibration-controldamper)、无粘结钢支撑(steelunbondbrace)体系、跷摆振动控制(steppingvibrationcontrol)设计。基础隔震板片结构体系是一种新型隔震结构体系,是基础隔震装置和板片结构体系的有机结合,具有重量轻、抗震性能好、造价经济、使用功能良好等突出的优点。纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器是一种取得专利的新型减震阻尼器,采用了纳米结晶锌铝合金这种全世界首次研制成功的具有“常温高速超塑性”特性的合金材料。这种材料具有超常的变形能力,其伸长率可超过100%,而且具有自行恢复初始材料特性的能力,阻尼器也不易损坏,不需要更换,也不需要进行日常维护。无粘结钢支撑体系是一种比较新颖的减震支撑体系,它起源于日本,现在成为体现“损伤控制”设计概念较好的方案之一。按照这一设计概念,主要结构在弹性范围之内工作,仅由抗侧力体系中专门设置的部件提供结构延性和能量耗散。无粘结钢支撑就是这种专门设置的耗能部件,它在内核钢支撑和外包层(钢管、钢筋混凝土或钢管混凝土)之间形成无粘结滑移界面,防止内核钢支撑在压力作用下屈曲,具有良好的滞回耗能性能。这一技术在日本得到广泛认可,已经在一些建筑结构中得到应用。跷摆振动控制设计是一个新颖的减震设计概念,它的构造允许上部结构上下跷动(bobbing)松脱下部基础。静荷载或中小地震作用下,上部结构靠重力与下部基础保持接触。发生强烈地震时,上部结构就象跷跷板一样,某些部位松脱下部基础而腾空其余部位接触下部基础得到支承,松脱与接触交替发生。这样可以有效地耗散地震动能,阻止强烈振动在上部结构中传播,而且地震作用下结构周边不会产生竖向拔力,有效地防止上部结构和下部基础发生严重破坏。2片楼盖结构体系的优点基础隔震板片结构体系是一种新型隔震结构体系,是基础隔震装置和板片结构体系的有机结合,如图1所示。它采用基础隔震装置使整个建筑物的自振周期显著增大,使得建筑物在地震作用下的水平振动大大减小,从而增加建筑物的抗震能力。由于传递到上部结构的地震荷载显著减小,上部结构中可以不使用梁,而仅采用剪力墙、柱和大平板等构件来承载。基础隔震板片结构体系具有许多传统结构体系所无以比拟的优点,特别适用于中高层住宅建筑。(1)抗震性能好。首先,由于基础隔震板片结构体系采用大板片楼盖代替了传统的梁板结构,整个结构的重量大大减轻,对结构抗震十分有利。其次,采用基础隔震装置吸收地震能量,隔离地震对上部结构的影响,可以使上部结构在强烈地震时只产生很小的振动。(2)施工方便快捷。采用基础隔震板片结构体系,下部结构可以在现场安装,上部结构构件可以工业化生产,运到现场后拼装成整体,可以极大缩短工期,而且容易控制质量。(3)经济效果明显。在上部结构中不使用梁,这样建筑物的空间也会大大增加;结构的抗震性能好,将会降低地震作用下建筑物的破坏程度,从而整个结构的维护费用也将极大地减少,带来良好的经济效益。(4)使用功能良好。房间平面不受梁柱的限制,可以根据实际使用功能要求进行灵活布置。由于天花板不受横梁阻隔,房间内部视觉效果良好。由竹中工务店设计施工的神奈川相模原桥本地区分让公寓是在日本首次使用这种结构体系的高层住宅建筑,其中A楼(地上18层)和D楼(地上24层)采用了基础隔震板片结构体系,B楼(地上32层)和C楼(地上32层)采用其它基础隔震结构体系。2001年1月开始施工,预计2003年1月竣工。A楼和D楼的上部结构主要由柱、剪力墙和平板构成,在顶层和中间某些层中设置了加厚板以提高整体的安全度;下部使用了基础隔震装置,整个建筑物的自振周期增加到4～6s,从而使得建筑物在地震作用下的水平振动降到非隔震结构体系的1/3～1/4。基础隔震板片结构体系具有重量轻、抗震性能好、造价经济、使用功能良好等突出的优点,有很大的推广空间。但是,这种结构体系在某些方面还有待完善,例如,一些关键节点的细部处理,连接方式的进一步完善,需要开展更多的试验研究。3阻燃锌铝合金阻尼器阻尼器是吸收地震能量抑制变形的装置。目前国际上广泛用于工程上的阻尼器有:钢棒阻尼器、铅阻尼器、摩擦阻尼器、油阻尼器、粘性阻尼器。纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器是一种新型减震阻尼器,由神户制钢所和竹中工务店合作研制开发,采用了神户制钢所研制的纳米结晶锌铝合金。这是全世界首次研制成功的具有“常温高速超塑性”特性的合金材料。振动控制阻尼器控制建筑物的大变形,消耗地震动能,使建筑物的振动迅速衰减。通常,振动控制阻尼器中金属材料采用超低屈服应力钢材。但是,由于地震引起钢材塑性变形,会导致钢材硬化、退化以及阻尼器外形改变,而且每次地震引起的变形不断累积,使得钢材硬化越来越严重,导致结构地震反应与设计严重不符。采用油阻尼器时,温度的改变会降低阻尼器性能,还需要经常检查是否发生漏油。此外,地震后,需要对这些阻尼器进行检查,如果损坏严重,需要及时更换。采用纳米结晶锌铝合金的振动控制阻尼器,能有效地解决上述问题。由于纳米结晶锌铝合金结晶极其微小,在常温下它具有超常的变形能力,这样就能在减震过程中有效地控制建筑的位移和变形。通常这种阻尼器中的锌铝合金做成300×300×10mm的板块,夹在两块钢板之间,再用钢框包裹,如图2、图3所示。锌铝合金振动控制阻尼器有以下主要优点:(1)能抵御强烈地震。由于这种新型锌铝合金的纳米结晶具有超塑性,其伸长率可超过100%,因此能够经受强烈地震的作用。(2)减震性能好。这种阻尼器设计使锌铝合金板块受剪,能充分发挥纳米结晶锌铝合金的特性,并且采用了嵌固锌铝合金板块的专利技术,使得阻尼器能很好地吸收地震能量,降低地震作用下结构的反应。(3)免维护。由于这种锌铝合金在塑性变形后具有自行恢复初始材料特性的能力,在设计允许的地震反复作用下,阻尼器也不会损坏,其减震性能不打任何折扣。因此,阻尼器不需要更换,也不需要进行日常维护,带来良好的经济效益。(4)使用寿命长,可再生利用。这种锌铝合金阻尼器使用寿命可以和建筑寿命一样长。锌铝合金可以再生利用,熔化后重新加工成锌铝合金板用于新阻尼器中。目前在实际工程中使用这种阻尼器的还很少,仅仅在竹中工务店和大林组合作建造的大阪近铁环球城旅馆中使用过,在这幢建筑物的25层和屋顶各设置了4个锌铝合金振动控制阻尼器。神户制钢所和竹中工务店目前正致力于这种新型阻尼器的市场推广,由于其突出的优点,相信会有越来越广阔的应用前景。4无粘结钢支撑的种类无粘结钢支撑体系是一种比较新颖的减震支撑体系。在内核钢支撑和外包钢管之间不粘接,或者在内核钢支撑和外包钢筋混凝土或钢管混凝土之间涂无粘结漆形成滑移界面,而且仅内核钢支撑与框架结构连接,以保证压力和拉力都只由内核钢支撑承受。滑移界面的材料和几何尺寸需要精心设计和施工,以允许内核钢和外包层之间相对滑动,同时约束内核钢支撑的横向变形,防止内核钢支撑在压力作用下发生整体屈曲和局部屈曲。因此,无粘结钢支撑又称为抑制屈曲支撑(bucklingrestrainedbrace)。无粘结钢支撑的截面形式很多,常见的几种如图4所示。典型无粘结钢支撑的基本部件如图5所示。无粘结钢支撑工作机理如图6所示。无粘结钢支撑的轴力-位移曲线如图7所示,内核钢支撑在拉力和压力作用下可以达到充分屈服,具有很好的延性,滞回曲线稳定饱满,其滞回特性明显优于普通钢支撑。无粘结钢支撑体系有以下主要优点:(1)抗震性能好。无粘结钢支撑是通过外包钢管或外包钢筋混凝土来约束支撑的横向变形,使得支撑体系在地震作用下的变形很小,这样即便在地震作用下,钢支撑体系也能在保持建筑物变形很小的情况下很好地发挥作用,建筑物的破坏将会大大减轻。外包层不会改变支撑的抗拉刚度,却能防止内核钢支撑在压力作用下屈曲,极大地提高支撑的抗压刚度和承载力,使得结构在抵抗地震反复荷载时具有良好的滞回性能。(2)适用范围广。无粘结钢支撑体系不仅可以用于新建建筑物中,还可用于已建建筑物的抗震加固改造中。而且由于无粘结钢支撑的类型很多,对于不同的结构体系可以选用不同的支撑形式。墙板型钢板无粘结支撑(图4a)适用于分隔墙较多的旅馆建筑中,独立构件型钢板无粘结支撑(图4b)适用于分隔墙较少的办公楼中。H型钢无粘结支撑(图4c,4d,4e)适用于刚度和强度要求较高的中高层建筑中,也可用于墙体较少的停车库建筑中。无粘结钢支撑体系在实际工程中应用的前景极为广阔。无粘结钢支撑体系已经在日本一些新建建筑和已建建筑抗震加固改造工程中得到应用。例如,横浜伊势佐木町华盛顿旅馆(高度72m)中采用了平板钢无粘结支撑体体系,塔库马本部办公大楼(高度43m)中采用了H型钢无粘结支撑体系,广岛绿色大厦(地下2层、地上9层)抗震加固工程中采用了H型钢无粘结支撑体系。这一技术已推广到美国,用于对现有建筑物进行抗震加固。例如,盐湖城瓦雷斯.本内特联邦大楼抗震加固工程中采用了十字形钢无粘结支撑体系。5检波场开放设计以保障结构基础与基础厚度为核心的设计方法在我国规跷摆振动控制设计是一个新颖的减震设计概念。竹中工务店和东京工业大学合作研究,在结构抗震设计中引入了跷摆振动控制概念,与传统结构抗震设计概念大不相同。传统建筑结构中,上部结构紧固在下部基础(桩基)上,发生地震时,上部结构不能上下跷动松脱下部基础(图8a)。而跷摆振动控制方法允许上部结构上下跷动松脱下部基础,这样可以耗散地震动能,阻止强烈振动在上部结构中传播,而且地震作用下结构周边不会产生竖向拔力,有效地防止上部结构和下部基础发生严重破坏(图8b,图9)。跷摆振动控制方法的提出,受到1995年阪神大地震震害调查结果的启发。那次调查发现,有些结构发生“跷动”,减轻了建筑物的损坏。进一步进行试验和理论研究,表明“跷动”确实能够降低建筑物中的地震力。跷摆振动控制设计有两种方法:一种是整个上部结构与下部基础在竖向不紧固;另一种是结构中地震力较大的柱、竖向连续墙、支撑等部分构件与下部基础不紧固(如图10)。前一种方法适用于高宽比较大的建筑物在强烈地震作用下会产生很大竖向拔力的情形。跷摆振动控制设计概念有许多优点:(1)抗震性能好。跷摆振动控制设计允许建筑物中可能产生较大竖向拔力的部件上下跷动,这样可以耗散地震能量,使建筑物的抗震能力大大改善,而且可以防止结构和基础发生严重破坏。(2)基础构造简化。与传统设计思路相比,跷摆振动控制设计中不需要使用锚栓来固定上部结构,也不需要采用厚基础来锚固锚栓,从而大大减轻基础重量、减少所需附件,这样基础构造可以在很大程度上简化。(3)经济效果明显。采用跷摆振动控制设计概念,不但可以简化基础构造,上部结构用于抵抗地震的构件数量也可以大大减少,这必将减少工程造价。此外,建设工期可以缩短,这也将带来良好的经济效益。竹中工务店在横滨松下通信工业佐江户工厂研究大楼(地上7层)中应用了这项技术,在地震作用下竖向拔力最大的12个柱脚桩顶采用了“插销连接”构造(图10)。竹中工务店正在大力推广这项技术的应用范围。6无粘结钢阻尼器以上介绍了日本在建筑结构隔震、减震研究方面取得的几项新进展。基础隔震板片结构体系是一种新型隔震结构体系,纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器是一种新型减震阻尼器,无粘结钢支撑体系是一种比较新颖的减震支撑体系,跷摆振动控制设计是一个新颖的减震设计概念。这些新体系、新技术、新概念具有许多优点,值得我们重视,进行更深入的理论和应用研究,在今后的建筑结构隔震、减震设计中推广应用。我国采用不同隔震技术建成的建筑结构有砂粒滑移层(砂垫层)隔震房屋、石墨砂浆滑移层(加钢棒消能)隔震房屋、滑移块隔震房屋、聚四氟乙烯滑移板隔震房屋、夹层橡胶垫隔震房屋、无粘结叠层橡胶垫隔震房屋等,结构类型有砖混、钢筋混凝土框架,尚无基础隔震板片结构应用实例。这种结构体系在关键节点的细部处理、连接方式等方面还需进一步完善。纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器应用了纳米技术,技术含量较高。日本公司正致力于这种新型阻尼器的市场推广,相信会在我国建筑结构减震工程中得到应用。无粘结钢支撑体系技术上比较容易实现,设计中需要注意选择合适的支撑刚度与结构层间刚度之比,也要保证内核钢支撑在拉力和压力作用下可以达到充分屈服,施工中要做到允许内核钢和外包层之间相对滑动。无粘结钢支撑体系体现的“损伤控制”设计概念有可能