日本建筑的抗震结构与免震、制震结构

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日本建筑的抗震结构与免震、制震结构

法律快车官方整理更新时间： 2019-01-27 05:53:33 人浏览

导读：

建筑的质量和结构问题，在此次四川省汶川大地震中成为我们大家关注的焦点。与中国一衣带水的邻邦――日本，也是地震灾害频发的国家，他们对于建筑在免震和制震方面的研究和实践,会给我们很多的启发和借鉴。建筑，不但要有普通的抗震结构，而且还应该更高地追求免震和制

　　建筑的质量和结构问题，在此次四川省汶川大地震中成为我们大家关注的焦点。与中国一衣带水的邻邦――日本，也是地震灾害频发的国家，他们对于建筑在免震和制震方面的研究和实践,会给我们很多的启发和借鉴。建筑，不但要有普通的抗震结构，而且还应该更高地追求免震和制震。建筑结构只有巧妙地顺应自然、适应自然，我们才可能最大限度地降低自然灾害所带来的巨大损失。

　　日本建筑的抗震结构与免震、制震结构

　　和田章/日本东京工业大学教授、日本建筑学会结构专业委员会委员长

　　翻译：李大寅吴东航

　　此次四川省汶川大地震遭受了巨大的损失，谨向灾区人民表示诚挚的问候，企盼能够早日重建家园。抗震减灾不仅是中国今后需要考虑的课题，也是世界性的课题，祈愿通过大家共同的不懈努力，将灾难的损失降到最小。

　　抗震结构

　　日本是世界曲指可数的地震多发国家，而且每年秋天还受到强台风的袭击。在如此严酷的自然条件下，如何确保建筑结构的安全性是至关重要的。关于发生地震时建筑物的安全性，分为维持机能、保护财产、保证生命安全三个阶段来考虑。日本的抗震设计思想是对在建筑物的使用期间可能遭遇数次的中小地震，既要保证生命财产的安全，又要维持其可继续使用的功能。而对遭遇极少数罕见的大地震，则只考虑保证生命安全，不再追求维持其机能和财产价值。从1995年1月兵库县南部地震的受灾情况来看，1981年以后按上述设计思想建造的建筑物基本上满足了要求。但是，即使建筑物在大地震发生时能够保证生命安全，由于受灾严重，有一些建筑物失去了财产价值而不得不重建。另外还有较多的建筑物虽然没有遭到严重破坏，但由于失去了相应的功能而被迫停止使用。基于上述事实，人们开始认识到下面阐述的免震结构及制震结构的重要性。

　　抗震设计方法，大体可分为两类。一类是加强建筑物的刚度和强度的方法，即“强度抵抗型设计”。另一类为以增加建筑物的塑性变形性能来吸收和消耗地震输入能量的方法，即“延性效果设计”。前者仅被应用于数层的剪力墙混凝土结构，后者则在包括高层建筑在内的范围里得到广泛地使用。

　　抗震能力

　　评价建筑物抗震性能的方法是对建筑物的地震输入能量与吸收和消耗能量进行比较，后者大于前者，则可判断其具有抗震能力。因此，2005年6月28日，日本制订了能量守衡的结构设计规范。以前建成的一般楼房寄希望于通过结构体的塑性变形能力来吸收能量。按此想法，建筑物的刚度以及强度在垂直方向的分布合理，在设计时充分考虑平衡而不产生平面的扭曲变形的话，就可以将建筑物结构体的塑性变形平均分散，防止建筑物的倒塌。但是地震的性质千差万别，建筑物的刚度和强度在垂直方向的分布不可能对任一地震都是最适当的，因此，建筑物整体的塑性变形很难平均地分散，其变形总会集中于特定的层或特定的部位上，容易造成严重破坏。

　　免震结构和制震结构的最大特点在于不是通过建筑物本体来吸收地震产生的能量，而是通过各种阻尼器来吸收能量。这样，建筑物本体就没有发生塑性变形的必要。要实现上述想法，除了阻尼器以外还需要有在支撑建筑物重量的同时，在水平方向具有稳定的变形与回复能力的机构。免震结构是通过接下来要详述的叠层橡胶免震垫或滑移免震装置来实现;制震结构是通过支柱和梁制作的特殊构架来实现。

　　免震结构

　　免震结构是在建筑物的下部设置既能支撑建筑物本体重量，又具有在水平方向自由变形能力的免震层，将地震时产生的水平变形集中于这免震层。在免震层中，设置用于吸收和消耗地震输入能量的阻尼器(图1)。免震层和阻尼器总称为免震部件。免震用的叠层橡胶免震垫的直径约为60～150厘米、厚度为数毫米的橡胶和多层叠加的钢板在高温高压的环境中加硫熔接制成(图2)。其他还有利用滑移来免震的各种部件。阻尼器有通过钢材或铅的塑性变形吸收能量或通过摩擦吸收能量的位移型阻尼器，还有使用通过粘性物体或粘弹性物体来吸收能量的速度型阻尼器。

　　在日本，现在形式的免震结构在20世纪80年代开始应用建筑物，已有20多年的历史。上部结构作为刚体的一个质，这一质点仅靠叠层橡胶来支撑，没有阻尼器时的固有周期称为免震周期。初期的免震结构的免震周期仅有2秒左右，最近已经出现了免震周期超过4秒的长周期免震建筑物了。免震周期越长作用于上部结构的水平力就越小，但免震层发生的位移越大。通过在免震层设置适量的阻尼器，就可以在一定程度上减小免震层的位移，并可以进一步减小作用于上部结构产生的水平力和加速度。

　　如前所述，作用于上部结构的水平力可以极大地减少，其以3～4秒的周期左右交替缓慢地作用。因此，上部结构如果对这水平力允许产生塑性变形的话，变形量将会很大。所以，对上部结构的设计，以采用弹性范围的容许应力度设计为宜。这时考虑的水平力的剪力系数为0.10～0.15。

　　免震结构广泛用于新建的医院、计算机中心、集合住宅等，最近该技术也应用高至100米以上的超高层建筑物，小至别墅型住宅等，使用范围不断得到扩大。而且还应用于对1981年以前按旧建筑基准法建造的旧楼房的加固。还有对于昭和初期(1930年左右)建筑物，首先将其基础进行改造加固，然后设置免震层，这样旧建筑经过改造后就成为具有免震性能的建筑物了。具有代表性的例子是位于东京上野的国立西洋美术馆(见图3)，大阪中岛的中岛公会堂，以及首相官邸、外务省等。

　　制震结构

　　制震结构是在建筑物的内部设置阻尼器，这些阻尼器随着建筑物的变形和运动速度而发挥其衰减作用。这些阻尼器多种多样，有已经被使用的，也有还未被用上的。有以大地震为对象的，也有以抗中小地震和强风以及提高居住性等为目的。

　　质量共振阻尼器以高层建筑物为对象，在建筑物的顶部设置与建筑物的固有震动周期完全相同的“质量阻尼”系统，该系统与建筑物本体产生共振来减轻本体的振动的方法被广泛应用。这种阻尼器称为质量共振阻尼器(或称协调质量阻尼器)，此种方式被称为被动式，虽然有较高的稳定性，但减控效果不佳。为弥补这一不足，设置了通过计算机和油压或电动对其进行控制的主动式阻尼器(图4)。还有与质量共振阻尼器具有相同性质的，利用装入容器中的液体振动的方法，称为液体阻尼器，用于减控塔状建筑物由于强风产生的振动。“制震结构”也有被称为“减震结构”，人们期待着它对地震也起作用。将来可能会成为实用技术，但目前只是对中小地震有效，对大地震来说其震动超过装置本身的容量极限，大地震时现在多采用将装置固定的方法。然而，用于减控由强风而引起的长时间、中振幅的振动的话，该结构非常有效。因此它被设置在许多超高层建筑上，固称其为“制震结构”。

　　其他的主动减控方式其他主动减控振动的方式有调整建筑物刚度，以及调整衰减等，也有应用于建筑的实例。

　　被动型阻尼器在建筑物的各层设置多种吸收能量的部件，如斜撑、钢板壁、钢镶合板、或黏性体等装置。通过设计有效利用上述装置的作用，由支柱、梁构成的框架在弹性范围的变形来吸收地震带来的能量，就可以使框架免于塑性化。在地震后，检查上述装置，发现问题进行更换，可以减少震后的维修费用。与免震结构相同，制震结构是一向可以应用于维持建筑物功能的新技术。具有代表性的应用实例有东京霞关的第2合同厅舍大楼、大阪中岛的国际会议中心等。

　　展望

　　本文在和抗震结构比较的同时，阐述了免震结构、制震结构的特点。兵库县南部地震使人们认识到免震结构的好处，不仅是民间，公共机关的规划中也有很多建筑物采用了免震结构。日本的代表性建筑不断采用免震结构进行建设。即便如此，据统计日本目前实际使用免震结构的房屋仅占每年施工面积的1%，希望今后这一比例达到5%、10%并不断增加。

　　对制震结构，从中高层到高层建筑有许多提案，适用于各种建筑的方法得以实用化。与以往承受损伤框架本身为代价的抗震结构相比，上述的新方法将有更大的发展空间。

　　注释

　　1. 免震：英文是Seismic Base Isolation，日文是免震;中文也称为隔震

　　2. 制震：英文是SeismicVibration Control，日文是制振;中文也称为减振

　　3. 在本文撰写和翻译过程中，得到日本东京大学研究生院、开创新领域科学研究科清家刚准教授和日本KRI株式会社李大寅博士、吴建筑事务所吴东航博士等的大力支持，在此谨表诚挚的感谢。

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