日本建筑抗震淺析

1、日本建筑抗震淺析思路n1.結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)n2.結(jié)構(gòu)材料選擇n3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 一，結(jié)構(gòu)抗震技術(shù) 1.基礎(chǔ)隔震體系n過去日本人，在建筑房屋時(shí)，考慮的首要問題是房屋如何建的結(jié)實(shí)，發(fā)生地震時(shí)，房屋保持不倒是第一要?jiǎng)?wù)，這項(xiàng)技術(shù)叫做“耐震技術(shù)”。耐震，就是把結(jié)實(shí)的墻壁和地基牢固地連接起來(lái)，建筑物和地基成為一體。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，建筑物結(jié)實(shí)，抗震能力強(qiáng)，保持建筑物完好無(wú)損。但缺點(diǎn)也明顯，雖然能夠保住建筑物完好無(wú)損，但是由于震動(dòng)引起的屋內(nèi)家具傾倒，不僅物品遭到損壞，人員傷亡很大，人們的恐懼心理加劇等次生災(zāi)難不可避免。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震原理圖n 20世紀(jì)80年代后，尤其是1995年坂神大地震后，日本研究開發(fā)了“免

2、震建筑技術(shù)”，承建免震房屋的建筑公司如雨后春筍般崛起，已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。所謂“免震技術(shù)”就是，在建筑物和地基之間設(shè)置用柔和的材料制成的免震層，克服了“耐震”房屋的缺陷，即使發(fā)生地震，既可以保住房屋，也可以保住屋內(nèi)家具等物品，也能避免居民的精神上和肉體上的傷害。這種房屋成本低，技術(shù)可靠，據(jù)說建一所免震的個(gè)人住宅，只需投入一輛普通汽車的費(fèi)用。n隔震裝置 1.隔震器：具有很高的豎向以及水平承載能力。如疊層橡膠支座，滑動(dòng)支座。 2.阻尼器：提高隔震支座的阻尼。如彈塑性阻尼器，干摩擦阻尼器，粘彈性阻尼器。 3.復(fù)位裝置：防止結(jié)構(gòu)在微震風(fēng)載作用下影響使用，以及使建筑物在大震后的及時(shí)復(fù)位。回彈滑動(dòng)支座，螺旋彈

3、簧支座。 橋梁中使用的板式和鉛芯橡膠支座隔震層的設(shè)計(jì)n要求隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)的第一層以下的部位，橡膠隔震支座應(yīng)設(shè)置在受力較大的位置，間距不宜過大，規(guī)格數(shù)量應(yīng)根據(jù)豎向承載力，側(cè)向剛度，阻尼的要求通過計(jì)算來(lái)確定。并且應(yīng)該進(jìn)行豎向承載力的驗(yàn)算和罕遇地震的水平位移驗(yàn)算?；赘粽鸬膽?yīng)用n1994年建成的日本神戶西部郵政大廈，地上六層，塔樓兩層，高度38.35m,建筑面積46000。隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)和一層之間，是當(dāng)時(shí)日本最大規(guī)模的隔震建筑，該建筑建成后恰遇1995年1月17日的阪神大地震，在基礎(chǔ)，一層，六層進(jìn)行的地震觀察記錄表明上部結(jié)構(gòu)的最大加速度只有基礎(chǔ)的1/3到1/4，上部結(jié)構(gòu)沒有受損，隔震效果得到了證

4、實(shí)。n圖為應(yīng)用了隔震基礎(chǔ)的日本橫濱路標(biāo)塔大廈 n特點(diǎn)：n1) 該體系的豎向承載力大一般單個(gè)的隔震器豎向承載力設(shè)計(jì)值可達(dá)數(shù)千噸，極限承載力可達(dá)上萬(wàn)噸n2) 該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能，能在多次地震中自動(dòng)瞬時(shí)復(fù)位 n3) 隔震器的耐久性好，抵抗周期疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好 n4) 隔震效果明顯，其加速度反應(yīng)大大低于非隔震結(jié)構(gòu)，且理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合如日本東京一幢22.8 m高的鋼筋混凝土基礎(chǔ)隔震樓，在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級(jí)地震中，實(shí)測(cè)地面加速度為43.8cm/s2，而樓頂?shù)淖畲蠹铀俣葍H為11.9 cm/s2 n5) 與其它隔

5、震體系相比，隔震器受地基不均勻沉降的影響并不十分明顯，且構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便，傳力方式簡(jiǎn)單明確n6）具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，降低基礎(chǔ)造價(jià)，施工工期短，適用于大部分建筑結(jié)構(gòu)。 “局部浮力”的抗震系統(tǒng) n日本開發(fā)了一種名為“局部浮力”的抗震系統(tǒng)，即在傳統(tǒng)抗震構(gòu)造基礎(chǔ)上借助于水的浮力支撐整個(gè)建筑物。 “局部浮力”系統(tǒng)在上層結(jié)構(gòu)與地基之間設(shè)置貯水槽，建筑物受到水的浮力支撐，水的浮力承擔(dān)建筑物大約一半重量，既減輕了地基的承重負(fù)荷，又可以把隔震橡膠小型化，降低支撐構(gòu)造部分的剛性，從而提高與地基間的絕緣性。地震發(fā)生時(shí)，由于浮力作用延長(zhǎng)了固有振蕩周期，即晃動(dòng)一次所需時(shí)間，建筑物晃動(dòng)的加速度得以降低。6到8層建筑物的

6、固有周期最大可以達(dá)到5秒以上。并且，在城市海灣沿岸等地層柔軟地帶也可以獲得較好抗震效果。此外，貯水槽內(nèi)貯存的水在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可用于滅火，地震發(fā)生后可作為臨時(shí)生活用水。這一系統(tǒng)成本并不算高。以8層樓醫(yī)院為例，成本比普通抗震系統(tǒng)高出大約2。 圖為采用了局部浮力的日本京王飯店2.耗能減震體系n耗能減震體系是在結(jié)構(gòu)物的某些部位采取一定的措施，以消耗地震傳給結(jié)構(gòu)的能量為目的的減震方法。n原理：能量觀點(diǎn)（地震傳給建筑的能量一定，通過耗能裝置的耗能來(lái)減小結(jié)構(gòu)的）損壞和動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)（增大結(jié)構(gòu)阻尼，減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)）結(jié)構(gòu)耗能裝置n耗能支撐（摩擦閘）n粘彈性阻尼器n質(zhì)量泵3.結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制調(diào)諧減震體系n指通過附加子結(jié)

7、構(gòu)改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，利用系統(tǒng)響應(yīng)所形成的勢(shì)能產(chǎn)生控制力，沒有外加動(dòng)力。分為兩類： 被動(dòng)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（ P-TMD）體系：是一個(gè)質(zhì)量體安裝在高聳結(jié)構(gòu)或高層建筑的頂部，可雙向滑動(dòng)，并且有雙向彈簧和雙向阻尼器，在地震來(lái)臨時(shí)子結(jié)構(gòu)在慣性作用向主體結(jié)構(gòu)施加反向作用力，并利用其阻尼消耗地震力，使原結(jié)構(gòu)的震動(dòng)反應(yīng)迅速減少。 工程實(shí)例：1986年，日本千葉港口瞭望塔。塔高125m，平面為菱形，邊長(zhǎng)12.1m。由于塔身細(xì)長(zhǎng)，所以采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，降低風(fēng)振影響減小地震反應(yīng)。 調(diào)頻液體阻尼器（TLD）體系：指利用制振水箱來(lái)達(dá)到減震的目的。在建筑物頂部裝上水箱，水在地震力的作用下向反方向運(yùn)動(dòng)從而抵消外力對(duì)建

8、筑物的劇烈晃動(dòng)。 制振水箱有方形，圓形和U型。n工程實(shí)例：日本四國(guó)黃金塔樓，高144m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)22.34m，短軸15.4m，高度比例達(dá)到9。為了解決塔樓在強(qiáng)風(fēng)作用下的搖晃問題，在其頂部安裝了16臺(tái)2.5m0.45m1.0m的矩形不銹鋼水槽，水槽的尺寸的確定是根據(jù)塔樓的自振周期來(lái)確定的。并且為了加強(qiáng)水槽內(nèi)水的晃動(dòng)設(shè)置了多道絲網(wǎng)。1988年建成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明可以減小在強(qiáng)風(fēng)作用下晃動(dòng)的1/21/3. 4.結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制體系 指利用自動(dòng)控制原理，使用較小的附加質(zhì)量產(chǎn)生更好減震效果。 原理：震源傳感器處理器制動(dòng)器 工程實(shí)例：日本橫濱里程碑塔樓4.纏上“繃帶”的柱子 n日本發(fā)明的一種廉價(jià)的防震加固技術(shù)，以類

9、似安全帶的樹脂材料“繃帶”包裹建筑物內(nèi)支柱。由構(gòu)造品質(zhì)保證研究所開發(fā)的這種防震加固技術(shù)被稱為“SRF工藝”?？拐稹翱噹А辈捎脴渲w維編織制造，形狀類似安全帶。施工時(shí)，將抗震帶涂上黏合劑，包裹后固定在建筑物支柱上。n地震發(fā)生時(shí)，支柱即使出現(xiàn)內(nèi)部損傷也不會(huì)倒塌，這可以確保人員的生存空間。以一座每層有12間房屋的4層樓為例，通常加固工程需要花費(fèi) 5 000萬(wàn)到1億日元，采用這一技術(shù)后，僅需500萬(wàn)日元左右，如果是木質(zhì)建筑，僅需數(shù)十萬(wàn)日元。工程施工也相當(dāng)簡(jiǎn)單，構(gòu)造品質(zhì)保證，研究所此前已經(jīng)完成了250個(gè)此類項(xiàng)目，包括新干線高架橋、醫(yī)院以及約40棟學(xué)校建筑物等。 二，建筑材料的選擇n日本建筑在選材上也格外

10、講究，比如在歐洲、中國(guó)經(jīng)常被當(dāng)作主要建筑材料的磚瓦，現(xiàn)在在日本建筑上幾乎已經(jīng)找不到蹤影，而現(xiàn)在日本廣泛應(yīng)用的五彩繽紛的“瓦片”是由塑料制成的。1923年的關(guān)東大地震證明磚結(jié)構(gòu)房屋不抗震。從那以后開始，磚結(jié)構(gòu)建筑在日本幾乎不再被使用，取而代之的是輔以輕型墻面材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于木結(jié)構(gòu)的優(yōu)良抗震性能，在日本也被大量的應(yīng)用。為了提高傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力，日本普通的民宅采用了箱體設(shè)計(jì)地震發(fā)生時(shí)，房屋整體翻滾，不至于損毀。專業(yè)技術(shù)人員還會(huì)定期對(duì)民房進(jìn)行抗震加固等級(jí)評(píng)定，政府會(huì)酌情給予居民適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼鼓勵(lì)。鋼結(jié)構(gòu)也是抗震性能極佳的建筑結(jié)構(gòu)，因?yàn)殇摬氖撬苄圆牧?，在地震?lái)臨時(shí)能夠很好的吸收地震力，從而起到了抗震的作用。如圖所示，木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)房屋。鋼結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)被大量的運(yùn)用在居住建筑木結(jié)構(gòu)小型公寓樓n鋼結(jié)構(gòu)住宅三，嚴(yán)格的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求n日本建筑基準(zhǔn)法規(guī)定，日本的高層建筑必須能夠抵御里氏級(jí)以上的強(qiáng)烈地震。一個(gè)建筑工程為獲得開工許可，除了設(shè)計(jì)、施工圖紙等文件外，還必須提交建筑抗震報(bào)告建筑抗震報(bào)告書書。這一報(bào)告書主要內(nèi)容是，根據(jù)地震的不同強(qiáng)度，計(jì)算不同的建筑結(jié)構(gòu)在地震中的受力大小，進(jìn)而確定建筑的梁柱位置、承重以及施工中鋼筋、混凝土的規(guī)格和配比。日本法律還規(guī)定，只有一級(jí)建筑師以上的人才能有