浅谈日本建筑抗震技术

浅谈日本建筑抗震技术摘要：日本每年年发生有感地地震约1000多次，其中6级以上的地地震每年至少少发生1次。频繁的的地震灾害使使日本的抗震震技术快速发发展、完善，并并形成了比较较完整的技术术体系。本文文将介绍日本本建筑抗震技技术体系的各各个方面，希希望能为同样样是地震重灾灾国的我国，提提供借鉴，引引起更多研究究者的思考。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台网测定，北北京时间2011年1月3日4时20分，在智利利中部发生7.1级地震。这这是距离我们们最近的一次次大地震。地地震一直是伴伴随着人类文文明发展的重重大自然灾害害之一。日本本是世界公认认的地震重灾灾国，每年发发生有感地震震约1000多次，全球10%的地震均发发生在日本及及其周边地区区。其中6级以上的地地震每年至少少发生1次。[1]如图1、2所示。然而而，频繁的地地震灾害，却却使日本的抗抗震技术快速速发展、完善善，并形成了了比较完整的的技术体系。自1998年至2007年，日本共发生震级为6.0以上的地震199次，约占全球同等规模地震总数961的20.7%左右，但由其导致的灾害死亡人数仅占世界的9%(中国却占约30%)。由此可见，日本抗震技术体系的先进与完善。图1全球地震震分布图2日本周边发发生过的地震震1.日本的地理理概况日本位于亚欧大大陆东端，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.日本建筑抗抗震发展历史史由于日本地震多多发，很早日日本就对建筑筑的抗震性能能进行研究。早早在一百多年年前，1891年浓尾大地地震砖结构建建筑被毁严重重时，就开始始探讨采取什什么措施，来来抵御地震破破坏。20世纪初，日日本学者大森森房吉提出近近似分析地震震动影响的静静力计算法。日日本从美国引引进钢结构和和钢筋混凝土土结构技术后后，不久，日日本的钢结构构建筑创始人人、东京大学学教授佐野利利器于1914年发表了《家家屋抗震结构构论》。首先先提出了“抗震结构”的概念，并并创造性提出出了用“静态”的水平力，代代替“动态”的地震力的“度震法”，来进行建建筑结构的抗抗震计算，为为现代结构抗抗震的计算奠奠定了基础。1922年，佐佐野利器的学学生内藤多仲仲，发表的《框框架建筑抗震震结构论》中中，提出用剪剪力墙加强结结构抗震性能能的理论，从从而确立了“刚性抗震”理论在日本本的主导地位位。关东大地地震后，1924年，日本首首次在世界上上规定了建筑筑结构抗震设设计，必须要要考虑“水平设计震震度”。1951年河角广博博士发表《我我国地震烈度度的分布》，提提出按照“地域”与“基础地质构构造类别”来规定设计计震度。1953年日本在全全国设立SMAC型强震计观观测记录地震震，同年发表表“频谱解析法”，借助地震震记录进行抗抗震设计研究究，将日本抗抗震理论提升升了一大步。20世纪60年年代，东京大大学教授、结结构抗震专家家武藤清利用用计算机分析析地震观测数数据，提出了了利用建筑结结构的柔韧性性吸收地震力力的、以“振动论”为依据的动动态设计方法法，即所谓的的“柔性抗震结结构”理论，并以以此理论成功功设计了日本本第一座超高高层建筑“霞关大楼”。1981年新的的“抗震设计法”实施，其特特点是规定结结构设计，不不仅要考虑建建筑沿高度分分布的“水平剪力系系数”和建筑物的“振动周期”，而且还要要同时考虑多多发性中小地地震（地表加加速度8-1000gal）发生时的的允许应力与与大地震（地地表加速度300-4400gall）发生时的的结构安全性性。他彻底改改变了过去利利用静止的水水平力代替地地震力的做法法，引进了动动态的设计理理念，要求建建筑物在复杂杂的振动情况况下仍然要确确保安全。1998年《建建筑基准法》对对建筑结构设设计理念，从从原来的“型式规定型”调整为“性能设计型”。[2]3.日本建筑结结构抗震的技技术组成日本抗震技术经经历了上百年年的技术积累累、发展和创创新，形成了了一套较为完完整的发展道道路和技术体体系。日本的的结构抗震技技术体系主要要包括结构耐耐震，结构制制震，结构免免震，强震观观测等。3.1结构耐震震日本所谓的耐震震，顾名思义义，就是建筑筑物自身“忍耐”地震力作用用的能力，生生动地讲，就就是“硬碰硬”，“刚性抗震”。这是日本本早期的抗震震设计思想，为为最普通级别别。3.1.1结构构抗震设计方方法1981年6月月日本开始实实施的新抗震震设计法，其其最大特点是是是采用了考考虑结构动力力特性的两阶阶段设计法。基基本思想是:1)对于使用年年限中遭遇可可能性大的地地震(地表加速度度为80-1000ga1))采用许用应应力设计法。2)对于使用年年限中遭遇可可能性很小的的地震(地表加速度度为300-4400ga11)，采用水平平保有耐力设设计法验算结结构的极限承承载力。第一阶段设计中中采用的第i层设计剪力力采用下式计计算：（1）式中：为地震区区域系数，采采用建设省公公布的值；为为标准剪力系系数，第一阶阶段设计取值值0.2；为振动特性性系数，是考考虑结构振动动特性以及场场地特性的个个参数。由以以下公式计算算:1＜=1-0.2（/）2≤＜2（2）1.6/2＜根据场地类别山山表1确定。表1场地卓越越周期场地类型Tc/s第1类0.4第2类0.6第3类0.8由于场地基础仍仍然有很多待待研究的内容容，对于类别别不清的场地地一般保守地地定为第3类。作为第二阶段设设计法，对于于高度在31m以上60m以下的建筑筑物需要验算算结构的保有有水平耐力。验验算时所需要要的保有水平平耐力依据下下式计算:（4）其中：:第二阶阶段设计的层层间剪力；::结构特性系系数。:考虑偏心和刚刚性分布不均均匀时的形状状特性系数。验验算保有水平平耐力时标准准剪力系数==1.0。第二阶段设计法法中设定的入入力地震波加加速度为300-4400ga11，对应的建建筑物的地震震动力反应放放大信率为3-4倍。因此建建筑物的最大大反应加速度度为1.0g。[3]3.1.2结构构抗震加固为提高建筑物的的耐震能力，可可以对结构进进行加固。现现有的加固技技术主要是增增强结构各构构件的承载力力和变形能力力抵御地震作作用，吸收地地震能量。如如下为在建筑筑物两个方向向增设钢框架架。图3钢框架的的支撑方式还有增加建筑物物延性的加固固方法，主要要通过CFS材料或钢板板条包裹框架架柱，增加框框架柱在竖向向力作用卜的的轴向约束，从从而提高其延延性性，[4]如图4-6所示。图4碳纤维层层补强图5钢板层补强图6钢筋混凝土土层补强3.2结构制震震日本所谓制震，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年京都都大学的小堀堀铎二教授等等人开始了“非线性运动动研究”，提出在高高层建筑物中中设置减振装装置，以抵消消摆动和降低低地震破坏力力的设想。1960年，小堀铎铎二和南井良良一郎发表有有关“减振构造”的论文，首首次使用“减振”的概念和有有关“减振措施”的原理。目目前，日本使使用的减振系系统分为两大大类，即“主动式减振振装置”和“被动式减振振装置”。主动减振系统共共有四种，即即AMD（ActivveMasssDammper）、HMD(HHybriddMasssDampper)、AVS(AActiveeVariiableStifffness))、和AVD(AActiveeVariiableDDamperr)。[2]AMD减振系统统的设计原理理是在建筑物物的顶部设置置一个大约相相当于建筑物物重量1%的“平衡锤”，通过计算算机控制其摇摇摆，来抵消消地震和强风风湍流所引起起的振动。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主动减振振系统的控制制原理被动式减振装置置主要是设置置一些耗能的的部件，如斜斜撑、钢板壁壁、钢镶合板板、或黏性体体等装置，或或者是阻尼器器。被动式减减震装置:(1)往复式减减震:主要采用低低屈服剪力钢钢板或无粘结结预应力减震震装置；(2)摩擦式减减震:青木式工法法就是这一方方法的代表，在在日本具有较较大影响。该该工法是在已已有房屋的外外侧设置含有有摩擦减震器器的减震斜撑撑，采用预应应力钢材与已已有结构结合合为一体，通通过减震器来来吸收地震能能量。（3）增设金属属阻尼器。金金属阻尼器的的耗能机理是是通过金属元元件的弹塑性性变形来耗能能。设计时最最好避免局部部屈曲。金属属阻尼器屈服服形式有以下下3种:1)轴向屈服型型阻尼器也称称为屈曲约束束支撑BRB(buucklinng-resstrainnedbrraces,,BRB))用砂浆或钢钢材等约束构构件料覆盖在在支撑外围，使使支撑杆件在在受压时不出出现局部屈曲曲和整体屈曲曲，从而得到到有效利用。BRB作为支撑杆杆件在中高层层建筑中逐渐渐得到应用。2)剪切屈服型型阻尼器常设设置于建筑结结构弯矩小、剪剪力大的部位位，刚架桥墩墩中或在自立立式悬索桥塔塔身。3)弯曲屈服型型阻尼器作为为连接型阻尼尼器多用于连连接建筑物，但但也可以设置置在桥梁的主主梁端部，有有与弯矩相似似的钟形、鼓鼓形、蜂窝形形等梯形棒或或均匀截面棒棒。(4)粘性式减减震。粘滞性阻尼器由由缸体、活塞塞和液体构成成，活塞在缸缸体内往复运运动，粘滞液液体从一端流流向另一端产产生阻尼力，阻阻碍结构的振振动。它是根根据流体运动动，特别是流流体通过节流流孔时会产生生粘滞阻力的的原理制成的的，是一种无无刚度、速度度相关型的阻阻尼器。（4）力臂式减减震工法力臂式减震工法法是日本近年年来出现的新新工法，该工工法利用设有有减震器的肘肘结力臂式机机构来放大结结构的层间变变形从而提高高耗能效率，减减少地震反应应。（5）制震顶棚棚系统制震顶棚系统也也是日本近年年来开发的一一种结构抗震震新方法。该该方法是在顶顶棚和墙之期期间设置制震震设备来减少少地震时顶棚棚的振动，从从而提高顶棚棚的耐震性能能的系统。制制震设备均匀匀的布置在顶顶棚外四周的的墙壁上。[5]此外，日本在制制震方面还有有一些新的研研究成果。纳米结晶锌铝合合金振动控制制阻尼器是一一种取得专利利的新型减震震阻尼器，采采用了纳米结结晶锌铝合金金这种全世界界首次研制成成功的具有“常温高速超超塑性”特性的合金金材料。这种种材料具有超超常的变形能能力，其伸长长率可超过100%，而且具有有自行恢复初初始材料特性性的能力，阻阻尼器也不易易损坏，不需需要更换，也也不需要进行行日常维护口口跷摆振动控制设设计是一个新新颖的减震设设计概念，它它的构造允许许上部结构上上下跷动(bobbbing)松脱下部基基础。静荷载载或中小地震震作用下，上上部结构靠重重力与下部基基础保持接触触。发生强烈烈地震时，上上部结构就象象跷跷板一样样，某些部位位松脱下部基基础而腾空其其余部位接触触下部基础得得到支承，松松脱与接触交交替发生这样样可以有效地地耗散地震动动能，阻止强强烈振动在上上部结构中传传播，而且地地震作用下结结构周边不会会产生竖向拔拔力，有效地地防止上部结结构和下部基基础发生严重重破坏。[6]3.3.结构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。将建筑物与基础础隔离来减少少地震灾害的的方法在日本本叫以追溯到到1920年山下兴家家提案的结构构形式。1924年鬼头健三三郎做过在柱柱断设置球状状吸收地震力力装置的试验验。进入20世纪80年代时程分分析法的应用用使得隔震设设计成为可能能。到了1996年日本采用用隔震设计的的建筑数口达达到了230栋。2004年隔震结构构的数量达到到了1000栋以上。3.3.1隔震震设计隔震结构的抗震震性能依赖于于隔震层的设设计，日本的的隔震层设置置位置主要有有：（1）基础隔震震：这是在日日本使用比较较广泛的一种种隔震技术，主主要是在基础础和结构之间间，安装橡胶胶弹性垫或者者摩擦滑动承承重座等缓冲冲装置。（2）中间层隔隔震：对超高高层结构，现现有基础隔震震难以有效实实施，通常采采用中间层隔隔震的形式。中中间层隔震主主要不是针对对隔震层上部部构造而是为为了降低由上上部构造传递递到下部构造造的惯性力。现现在日本已经经开始采用由由计算机控制制的半主动隔隔震体系，由由于其采用了了隔震和减震震结合的手法法，该设计得得到了日本隔隔震构造协会会的特别技术术奖。（3）人工场地地隔震：采用用该设计方法法可以降低基基础上结构的的层间变形和和加速度。东东京目白花园园建筑群采用用了人工场地地隔震，3栋11层建筑建造造在长200m，而积约为6000mm2的人工场地地隔震基础上上。图8人工场地地隔震（4）大空间结结构的隔震：：为了缓解温温度荷载，同同时减少喷性性力而采用大大空间结构的的顶部隔震。（5）塔顶隔震震：2000年12月竣工的清清水建设技术术研究所的安安全安震馆采采用了塔顶隔隔震设计。[2]图9塔顶隔震震3.3.2常用用隔震装置（1）橡胶支座座隔震：包括括钢板叠层橡橡胶支座、石石墨橡胶支座座、铅芯橡胶胶支座。普通通叠层橡胶支支座内阻尼较较小，常需配配合阻尼器一一起使用。阻阻尼器有铅阻阻尼器、钢棒棒阻尼器、油油阻尼器和多多功能阻尼器器等类型（设设计中，一般般都采用多种种类型隔震支支座和阻尼器器协同工作，以以求达到最佳佳隔震效果）。（2）滚子隔震震：包括滚轴轴隔震、滚珠珠隔震。（3）滑动支座座隔震：在上上部结构与基基础之间设置置可以滑动的的滑板。（4）摇摆支座座隔震：由日日本提出的一一种摇摆支座座隔震方案。（5）日本清水水建设公司开开发了一种名名为“局部浮力”的抗震系统统，即在传统统抗震构造基基础上借助于于水的浮力支支撑整个建筑筑物。局部浮浮力系统在上上层结构与地地基之间设置置贮水槽，水水的浮力承担担建筑物大约约一半重量。这这样既减轻了了地基的承重重负荷，又可可以把隔震橡橡胶小型化，降降低支撑构造造部分的刚性性，从而提高高与地基间的的绝缘性。地地震发生时，贮贮水槽内贮存存的水在发生生火灾时可用用于灭火，地地震发生后可可作为临时生生活用水。这这一系统成本本并不算高，以8层楼医院建筑为例，成本比普通抗震系统仅高出大约2%。[7]3.4.日本强强震观测日本抗震技术的的发展，离不不开第一时间间对地震信息息的收集，日日本对地震的的观测研究起起步也很早，最最早可以追溯溯到1923年关东地震震时的强震观观测。之后，随随着强震计的的发展，如石石本加速度计计（短周期地地震计），SMAC型强震计，日日本气象厅的的87型强震计，90型烈度计，日日本的强震观观测越来越精精确、科学和和广泛，最后后在全国范围围内，形成地地震观测网。目前，日本的地地震观测组织织主要有以下下三个：（1）日本气象象厅(JMA)。负责监测测整个日本的的地震活动。发发生地震时，立立即确定震源源，报告海啸啸预报和其它它地震信息。（2）国家防灾灾科学技术研研究所(NIEDD)。其管理着着两个观测网网，K网：部署在在全国约1000个地点的强强震仪网络；；Hi网：部署在在全国约800个地点的高高灵敏度地震震仪网络。（3）地震预测测联络会（国国土地理院）。4.世界最大级级震动台—日本三维震震动破裂实验验设施对于地震和抗震震技术的研究究，模拟地震震动的试验设设备异常重要要。日本防灾灾科学研究所所推进的“守护地球”计划，在兵兵库县三木市市建设了世界界最大级震动动台—日本三维震震动破裂实验验设施，为日日本抗震技术术研究发挥了了重大作用。该振动台是一个个15mx220mx5..5m、台重（质质量）约800t的巨大装置置。在这个振振动台上可最最大搭载质量量1200t的构造物(例如6层钢筋混凝凝土建筑物)。振动台设设置了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台的加振机机装置。它在在水平方向可可以加上位移移±100ccm、水平速度200cmm/s、水平加速速度0.9g；在垂直方方向加上位移移±50ccm、垂直速度70cm//s、垂直加速速度1.5g，以使其产产生超过引发发阪神大震灾灾的兵库县南南部地震的地地震动。图1