日本建筑抗震技术设计及发展

日本建筑抗震技术设计及发展

摘要：日本每年发生有感地震约1000多次，其中6级以上的地震每年至少发生1次。频繁的地震灾害使日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。本文将介绍日本建筑抗震技术体系的各个方面，希望能为同样是地震重灾国的我国，提供借鉴，引起更多研究者的思考。

0引言

据我国国家地震台网测定，北京时间2011年1月3日4时20分，在智利中部发生7.1级地震。这是距离我们最近的一次大地震。地震一直是伴随着人类文明发展的重大自然灾害之一。日本是世界公认的地震重灾国，每年发生有感地震约1000多次，全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。其中6级以上的地震每年至少发生1次。[1]如图1、2所示。然而，频繁的地震灾害，却使日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。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 全球地震分布图2 日本周边发生过的地震

1.日本的地理概况

日本位于亚欧大陆东端，陆地面积377880平方公里。由于日本列岛正好位于亚欧板块与太平洋板块交界处，按照地质板块学说，太平洋板块比较薄，密度比较大，而位置相对低一些。当太平洋板块向西呈水平移动时，它就会俯冲到相邻的亚欧板块之下。于是，当亚欧板块与太平洋板块发生碰撞、挤压时，两大板块交界处的岩层便出现变形、断裂等运动，从而产生火山爆发、地震等。

2.日本建筑抗震发展历史

由于日本地震多发，很早日本就对建筑的抗震性能进行研究。早在一百多年前，1891年浓尾大地震砖结构建筑被毁严重时，就开始探讨采取什么措施，来抵御地震破坏。

20世纪初，日本学者大森房吉提出近似分析地震动影响的静力计算法。日本从美国引进钢结构和钢筋混凝土结构技术后，不久，日本的钢结构建筑创始人、东京大学教授佐野利器于1914年发表了《家屋抗震结构论》。首先提出了“抗震结构”的概念，并创造性提出了用“静态”的水平力，代替“动态”的地震力的“度震法”，来进行建筑结构的抗震计算，为现代结构抗震的计算奠定了基础。

1922年，佐野利器的学生内藤多仲，发表的《框架建筑抗震结构论》中，提出用剪

力墙加强结构抗震性能的理论，从而确立了“刚性抗震”理论在日本的主导地位。关东大地震后，1924年，日本首次在世界上规定了建筑结构抗震设计，必须要考虑“水平设计震度”。1951年河角广博士发表《我国地震烈度的分布》，提出按照“地域”与“基础地质构造类别”来规定设计震度。1953年日本在全国设立SMAC 型强震计观测记录地震，同年发表“频谱解析法”，借助地震记录进行抗震设计研究，将日本抗震理论提升了一大步。

20世纪60年代，东京大学教授、结构抗震专家武藤清利用计算机分析地震观测数据，提出了利用建筑结构的柔韧性吸收地震力的、以“振动论”为依据的动态设计方法，即所谓的“柔性抗震结构”理论，并以此理论成功设计了日本第一座超高层建筑“霞关大楼”。

1981年新的“抗震设计法”实施，其特点是规定结构设计，不仅要考虑建筑沿高度分布的“水平剪力系数”和建筑物的“振动周期”，而且还要同时考虑多发性中小地震（地表加速度8-100gal ）发生时的允许应力与大地震（地表加速度300-400gal ）发生时的结构安全性。他彻底改变了过去利用静止的水平力代替地震力的做法，引进了动态的设计理念，要求建筑物在复杂的振动情况下仍然要确保安全。

1998年《建筑基准法》对建筑结构设计理念，从原来的“型式规定型”调整为“性能设计型”。[2]

3.日本建筑结构抗震的技术组成

日本抗震技术经历了上百年的技术积累、发展和创新，形成了一套较为完整的发展道路和技术体系。日本的结构抗震技术体系主要包括结构耐震，结构制震，结构免震，强震观测等。

3.1结构耐震

日本所谓的耐震，顾名思义，就是建筑物自身“忍耐”地震力作用的能力，生动地讲，就是“硬碰硬”，“刚性抗震”。这是日本早期的抗震设计思想，为最普通级别。

3.1.1结构抗震设计方法

1981年6月日本开始实施的新抗震设计法，其最大特点是是采用了考虑结构动力特性的两阶段设计法。基本思想是:1)对于使用年限中遭遇可能性大的地震(地表加速度为80-100ga1)采用许用应力设计法。2)对于使用年限中遭遇可能性很小的地震(地表加速度为300-400ga1)，采用水平保有耐力设计法验算结构的极限承载力。

第一阶段设计中采用的第i 层设计剪力采用下式计算：

∑=i o i t W C A ZR Q i （1）

式中：Z 为地震区域系数，采用建设省公布的值；o C 为标准剪力系数，第一阶段设计取值0.2；t R 为振动特性系数，是考虑结构振动特性以及场地特性的个参数。由以下公式计算:

1 T ＜c T

t R = 1-0.2（T /c T ）2 c T ≤T ＜2c T （2）

1.6c T /T 2c T ＜T

c T 根据场地类别山表1确定。 表1 场地卓越周期

场地类型 Tc/s

第1类 0.4

第2类 0.6

第3类 0.8

由于场地基础仍然有很多待研究的内容，对于类别不清的场地一般保守地定为第3类。

作为第二阶段设计法，对于高度在31m 以上60m 以下的建筑物需要验算结构的保有水平耐力。验算时所需要的保有水平耐力依据下式计算:

udi esi si uni Q F D Q （4）

其中：udi Q :第二阶段设计的层间剪力；si D :结构特性系数。

esi F :考虑偏心和刚性分布不均匀时的形状特性系数。验算保有水平耐力时标准剪力系数o C =1.0。

第二阶段设计法中设定的入力地震波加速度为300-400ga1，对应的建筑物的地震动力反应放大信率为3-4倍。因此建筑物的最大反应加速度为1.0g 。[3] 3.1.2结构抗震加固

为提高建筑物的耐震能力，可以对结构进行加固。现有的加固技术主要是增强结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。如下为在建筑物两个方向增设钢框架。

图3 钢框架的支撑方式

还有增加建筑物延性的加固方法，主要通过CFS 材料或钢板条包裹框架柱，增加框架柱在竖向力作用卜的轴向约束，从而提高其延性性，[4]如图4-6所示。

图4 碳纤维层补强图5 钢板层补强图6 钢筋混凝土层补强

3.2结构制震

日本所谓制震，即为减振。结构制震是在建筑物的内部设置耗能装置或者附加子结构，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年京都大学的小堀铎二教授等人开始了“非线性运动研究”，提出在高层建筑物中设置减振装置，以抵消摆动和降低地震破坏力的设想。1960年，小堀铎二和南井良一郎发表有关“减振构造”的论文，首次使用“减振”的概念和有关“减振措施”的原理。目前，日本使用的减振系统分为两大类，即“主动式减振装置”和“被动式减振装置”。

主动减振系统共有四种，即AMD（Active Mass Damper）、HMD(Hybrid Mass Damper)、AVS(Active Variable Stiffness)、和AVD(Active Variable Damper)。[2] AMD减振系统的设计原理是在建筑物的顶部设置一个大约相当于建筑物重量1%的“平衡锤”，通过计算机控制其摇摆，来抵消地震和强风湍流所引起的振动。

图7 主动减振系统的控制原理

被动式减振装置主要是设置一些耗能的部件，如斜撑、钢板壁、钢镶合板、或黏性体等装置，或者是阻尼器。被动式减震装置:

(1)往复式减震:主要采用低屈服剪力钢板或无粘结预应力减震装置；

(2)摩擦式减震:青木式工法就是这一方法的代表，在日本具有较大影响。该工法是在已有房屋的外侧设置含有摩擦减震器的减震斜撑，采用预应力钢材与已有结构结合为一体，通过减震器来吸收地震能量。

（3）增设金属阻尼器。金属阻尼器的耗能机理是通过金属元件的弹塑性变形来耗能。设计时最好避免局部屈曲。金属阻尼器屈服形式有以下3种:

1)轴向屈服型阻尼器也称为屈曲约束支撑

BRB( buckling-restrained braces, BRB)用砂浆或钢材等约束构件料覆盖在支撑外围，使支撑杆件在受压时不出现局部屈曲和整体屈曲，从而得到有效利用。BRB作为支撑杆件在中高层建筑中逐渐得到应用。

2)剪切屈服型阻尼器常设置于建筑结构弯矩小、剪力大的部位，刚架桥墩中或在自立式悬索桥塔身。

3)弯曲屈服型阻尼器作为连接型阻尼器多用于连接建筑物，但也可以设置在桥梁的主梁端部，有与弯矩相似的钟形、鼓形、蜂窝形等梯形棒或均匀截面棒。

(4)粘性式减震。

粘滞性阻尼器由缸体、活塞和液体构成，活塞在缸体内往复运动，粘滞液体从一端流向另一端产生阻尼力，阻碍结构的振动。它是根据流体运动，特别是流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理制成的，是一种无刚度、速度相关型的阻尼器。

（4）力臂式减震工法

力臂式减震工法是日本近年来出现的新工法，该工法利用设有减震器的肘结力臂式机构来放大结构的层间变形从而提高耗能效率，减少地震反应。

（5）制震顶棚系统

制震顶棚系统也是日本近年来开发的一种结构抗震新方法。该方法是在顶棚和墙之期间设置制震设备来减少地震时顶棚的振动，从而提高顶棚的耐震性能的系统。制震设备均匀的布置在顶棚外四周的墙壁上。[5]

此外，日本在制震方面还有一些新的研究成果。

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口

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。[6]

3.3.结构免震

日本结构免震，另种说法为隔震。结构免震是通过某种装置，将地震动与结构隔开，该装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，吸收和消耗地震输入能量，以达到减小结构振动的目的，免受地震破坏。

将建筑物与基础隔离来减少地震灾害的方法在日本叫以追溯到1920年山下兴家提案的结构形式。1924年鬼头健三郎做过在柱断设置球状吸收地震力装置的试验。进入20世纪80年代时程分析法的应用使得隔震设计成为可能。到了1996年日本采用隔震设计的建筑数口达到了230栋。2004年隔震结构的数量达到了1000栋以上。

3.3.1隔震设计

隔震结构的抗震性能依赖于隔震层的设计，日本的隔震层设置位置主要有：

（1）基础隔震：这是在日本使用比较广泛的一种隔震技术，主要是在基础和结构之间，安装橡胶弹性垫或者摩擦滑动承重座等缓冲装置。

（2）中间层隔震：对超高层结构，现有基础隔震难以有效实施，通常采用中间层隔震的形式。中间层隔震主要不是针对隔震层上部构造而是为了降低由上部构造传递到下部构造的惯性力。现在日本已经开始采用由计算机控制的半主动隔震体系，由于其采用了隔震和减震结合的手法，该设计得到了日本隔震构造协会的特别技术奖。

（3）人工场地隔震：采用该设计方法可以降低基础上结构的层间变形和加速度。东京目白花园建筑群采用了人工场地隔震，3栋11层建筑建造在长200m，而积约为6000m2的人工场地隔震基础上。

图8 人工场地隔震

（4）大空间结构的隔震：为了缓解温度荷载，同时减少喷性力而采用大空间结构的顶部隔震。

（5）塔顶隔震：2000年12月竣工的清水建设技术研究所的安全安震馆采用了塔顶隔震设计。[2]

图9 塔顶隔震

3.3.2常用隔震装置

（1）橡胶支座隔震：包括钢板叠层橡胶支座、石墨橡胶支座、铅芯橡胶支座。普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用。阻尼器有铅阻尼器、钢棒阻尼器、油阻尼器和多功能阻尼器等类型（设计中，一般都采用多种类型隔震支座和阻尼器协同工作，以求达到最佳隔震效果）。

（2）滚子隔震：包括滚轴隔震、滚珠隔震。

（3）滑动支座隔震：在上部结构与基础之间设置可以滑动的滑板。

（4）摇摆支座隔震：由日本提出的一种摇摆支座隔震方案。

（5）日本清水建设公司开发了一种名为“局部浮力”的抗震系统，即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。局部浮力系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，水的浮力承担建筑物大约一半重量。这样既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。这一系统成本并不算高，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.日本强震观测

日本抗震技术的发展，离不开第一时间对地震信息的收集，日本对地震的观测研究起步也很早，最早可以追溯到1923年关东地震时的强震观测。之后，随着强震计的发展，如石本加速度计（短周期地震计），SMAC型强震计，日本气象厅的87型强震计，90型烈度计，日本的强震观测越来越精确、科学和广泛，最后在全国范围内，形成地震观测网。

目前，日本的地震观测组织主要有以下三个：

（1）日本气象厅(JMA)。负责监测整个日本的地震活动。发生地震时，立即确定震源，报告海啸预报和其它地震信息。

（2）国家防灾科学技术研究所(NIED)。其管理着两个观测网，K网：部署在全国约1000个地点的强震仪网络；Hi网：部署在全国约800个地点的高灵敏度地震仪网络。

（3）地震预测联络会（国土地理院）。

4.世界最大级震动台—日本三维震动破裂实验设施

对于地震和抗震技术的研究，模拟地震动的试验设备异常重要。日本防灾科学研究所推进的“守护地球”计划，在兵库县三木市建设了世界最大级震动台—日本三维震动破裂实验设施，为日本抗震技术研究发挥了重大作用。

该振动台是一个15mx20mx5.5m、台重（质量）约800t的巨大装置。在这个振动台上可最大搭载质量1200t的构造物(例如6层钢筋混凝土建筑物)。振动台设置了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台的加振机装置。它在水平方向可以加上位移±100cm、水平速度200cm/s、水平加速度0.9g；在垂直方向加上位移

±50 cm、垂直速度70cm/s、垂直加速度1.5g，以使其产生超过引发阪神大震灾的兵库县南部地震的地震动。

图10 三维震动破裂试验

从2005年开始应用“守护地球”进行实验研究以来，这个实验设施所具有的地震防灾方面不可缺少的构造物的安全性与机能性己被实际验证。[8]

5结束语

日本的地理构造，造成了日本地震的多发，而地震的多发，促使了日本建筑抗震技术的较早，较快，较完善的发展，形成了一套比较完备的技术体系。而在良好的管理体制下，运行这个技术体系，从而确保了日本虽然地震多发，但伤亡很小。2008年5月12日的汶川8级地震，死亡6万多人，失踪1万八千多人，是日本1995年阪神地震6500的死亡人数的10倍多，这样惨痛的教训不能不让我们觉醒，努力提高我国的抗震技术水平，完善抗震技术体系和组织制度。