日本建筑抗震浅析

日本建筑抗震浅析
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思路
1.结构抗震技术 2.结构材料选择 3.建筑结构设计规范
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一，结构抗震技术
1.基础隔震体系 过去日本人，在建筑房屋时，考虑的首要问题是
房屋如何建的结实，发生地震时，房屋保持不倒 是第一要务，这项技术叫做“耐震技术”。耐震， 就是把结实的墙壁和地基牢固地连接起来，建筑 物和地基成为一体。这项技术的优点是，建筑物 结实，抗震能力强，保持建筑物完好无损。但缺 点也明显，虽然能够保住建筑物完好无损，但是 由于震动引起的屋内家具倾倒，不仅物品遭到损 坏，人员伤亡很大，人们的恐惧心理加剧等次生 灾难不可避免。
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工程实例：1986年，日本千叶港口瞭望塔。塔高 125m，平面为菱形，边长12.1m。由于塔身细长， 所以采用调频质量阻尼器，降低风振影响减小地 震反应。
调频液体阻尼器（TLD）体系：指利用制振水箱 来达到减震的目的。在建筑物顶部装上水箱，水 在地震力的作用下向反方向运动从而抵消外力对 建筑物的剧烈晃动。 制振水箱有方形，圆形和U型。
塔楼两层，高度38.35m,建筑面积46000㎡。隔震
层设置在基础和一层之间，是当时日本最大规模 的隔震建筑，该建筑建成后恰遇1995年1月17日 的阪神大地震，在基础，一层，六层进行的地震 观察记录表明上部结构的最大加速度只有基础的 1/3到1/4，上部结构没有受损，隔震效果得到了 证实。
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图为应用了隔震基础 的日本横滨路标塔大 厦
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工程实例：日本四国黄金塔楼，高144m，长轴长 22.34m，短轴15.4m，高度比例达到9。为了解 决塔楼在强风作用下的摇晃问题，在其顶部安装
了16台2.5m×0.45m×1.0m的矩形不锈钢水 槽，水槽的尺寸的确定是根据塔楼的自振 周期来确定的。并且为了加强水槽内水的 晃动设置了多道丝网。1988年建成后进行 实验表明可以减小在强风作用下晃动的 1/2~1/3.
5) 与其它隔震体系相比，隔震器受地基不均匀沉 降的影响并不十分明显，且构造简单、安装方便， 传力方式简单明确．
6）具有良好的经济效益，降低基础造价，施工工 期短，适用于大部分建筑结构。
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“局部浮力”的抗震系统
日本开发了一种名为“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，建筑物 受到水的浮力支撑，水的浮力承担建筑物大约一半重量， 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，由于浮力作用延长了固有振荡周期，即晃动一 次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。6到8层建筑 物的固有周期最大可以达到5秒以上。并且，在城市海湾 沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗震效果。此外，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 院为例，成本比普通抗震系统高出大约2％。
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20世纪80年代后，尤其是 1995年坂神大地震后，日本研 究开发了“免震建筑技术”， 承建免震房屋的建筑公司如雨 后春笋般崛起，已经商业化运 营。所谓“免震技术”就是， 在建筑物和地基之间设置用柔 和的材料制成的免震层，克服 了“耐震”房屋的缺陷，即使 发生地震，既可以保住房屋， 也可以保住屋内家具等物品， 也能避免居民的精神上和肉体 上的伤害。这种房屋成本低， 技术可靠，据说建一所免震的 个人住宅，只需投入一辆普通 汽车的费用。
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图 本为 京采 王用 饭了 店局
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2.耗能减震体系
耗能减震体系是在结构物的某些部位采取一定的 措施，以消耗地震传给结构的能量为目的的减震 方法。
原理：能量观点（地震传给建筑的能量一定，通 过耗能装置的耗能来减小结构的）损坏和动力学 观点（增大结构阻尼，减小结构的动力反应）
结构基础隔震原理图
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隔震装置 1.隔震器：具有很高的竖向以及水平承载能力。如叠层橡 胶支座，滑动支座。 2.阻尼器：提高隔震支座的阻尼。如弹塑性阻尼器，干摩 擦阻尼器，粘弹性阻尼器。 3.复位装置：防止结构在微震风载作用下影响使用，以及 使建筑物在大震后的及时复位。回弹滑动支座，螺旋弹簧 支座。
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4.结构主动控制体系
指利用自动控制原理，使用较 小的附加质量产生更好减震效 果。
原理：震源→传感器→处理 器→制动器 工程实例：日本横滨里程 碑塔楼
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结构耗能装置 耗能支撑（摩擦闸） 粘弹性阻尼器 质量泵
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3.结构被动控制调谐减震体系
指通过附加子结构改变结构体系的动力特性，利 用系统响应所形成的势能产生控制力，没有外加 动力。分为两类：
被动调频质量阻尼器（ P-TMD）体系：是一个质 量体安装在高耸结构或高层建筑的顶部，可双向 滑动，并且有双向弹簧和双向阻尼器，在地震来 临时子结构在惯性作用向主体结构施加反向作用 力，并利用其阻尼消耗地震力，使原结构的震动 反应迅速减少。
桥梁中使用的板式和铅芯橡胶支座
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隔震层的设计
要求隔震层设置在结构的第一层以下的部位，橡 胶隔震支座应设置在受力较大的位置，间距不宜 过大，规格数量应根据竖向承载力，侧向刚度， 阻尼的要求通过计算来确定。并且应该进行竖向 承载力的验算和罕遇地震的水平位移验算。
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基底隔震的应用
1994年建成的日本神户西部邮政大厦，地上六层，
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特点：
1) 该体系的竖向承载力大．一般单个的隔震器竖 向承载力设计值可达数千吨，极限承载力可达上 万吨．
2) 该体系的隔震层具有稳定的弹性复位功能，能 在多次地震中自动瞬时复位．
3) 隔震器的耐久性好，抵抗周期疲劳性能、抗热 空气老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均较 好．
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4) 隔震效果明显，其加速度反应大大低于非隔震 结构，且理论分析结果与实验结果比较吻合．如 日本东京一幢22.8 m高的钢筋混凝土基础隔震楼， 在1987年12月17日千叶近海发生的6.7级地震中， 实测地面加速度为43.8cm/s2，而楼顶的最大加速 度仅为11.9 cm/s2．