工程管理与抗震

浅谈对日本工程抗震的认识摘要:受日本国际协力机构(JICA)资助,作者在日本建筑科学研究所(BRI),就工程抗震问题学习研修两个月。作者从日本工程抗震的设防水准、抗震设计方法、既有建筑的抗震鉴定和加固、隔震制震建筑、抗震构造做法、建筑科研体系以及抗震科普教育等方面入手,浅谈了对日本工程抗震的初步认识和体会,并就个别问题,对中日的异同作了简单对比。关键字：日本建筑法;设防水准;抗震设计;抗震科普教育1对大量的一般建筑而言,日本的抗震设防水平高于中国总体来看,日本现行建筑法规的地震动取值水准高于中国。下面以普通的RC框架结构为例,展开讨论。个人感觉日本规范总的抗震思路是:高地震力和较高延性要求并举,以期获得良好抗震性能。这一思路与美国、新西兰、欧洲规范都有区别,以上三国规范都允许地震力的取值水平与结构的延性性能匹配,即输入高地震力时延性要求可以适当放松,地震力取值较低时延性要求则应提高。应当指出的是美、新、欧和日本四国规范,都明确地反映出了地震力的取值高低应与结构的延性匹配这一自然规律,即应用了R-L关系(只是日本的地震力取值偏高),而目前中国的抗震规范的地震力取值算法还没有反映这一规律,这是我们应该改进的。日本全境几乎都处于大板块交界处(其设计规范中区域系数最大为1,最小为017,仅差1143倍),地震频发,建筑物面临着很高的地震风险,因此日本建筑抗震法规采用了高地震力和较高延性要求并举的做法,这样的结果必然导致建筑物的抗震成本较高,这与日本社会经济发展的水平也是相符的。中国的国情有别于日本,中国建筑物所面临的地震风险的特性也不同于日本。中国只有个别区域是处于大板块交界处的地震频发区(如中国的西南边境区域),大部分国土所面临的是欧亚板块内部的发震几率偏低、但震级不见得小的地震威胁。所以中国的抗震规范,地震风险最高区域(9度区)的地震力取值水平是最低区域(6度区)的8倍。在看到日本同行绘制的全日本活断层分布图和地震发生概率预测地图时,我不禁想起了在纪念汶川地震一周年大会上,中国工程院院士谢礼力教授给中国抗震界提出的一个很凄凉的问题：“下一个汶川在哪里?”。在研修期间,有两个问题不时的困扰着我们:一方面我们所面临的地震风险是否已经调查的比较清楚;另一方面,我们的建筑物抗震性能如何改进,以避免汶川地震中出现的/土木工程灾害0(地震引起的大部分人员和财产的损失都源于土木工程在地震中的破坏)。应该说日本同行在这两方面都给我们做出了很好的榜样。以1995年的阪神地震为例,在那么大的地震中(强震记录的PGA,水平向达到818ga,l竖向达到332gal),按日本新建筑法规(1981年)修建的建筑物几乎全都经受了考验,这说明以人类上世纪80、90年代的工程技术水平,就可以避免在地震中大量的人员损失。中国的建筑物抗震设防水准与其社会经济发展水平密切相关,随着经济的发展,我们的规范将逐步提高建筑物的抗震能力,但我认为就目前的现实情况,我们所采取的改进措施应是在广泛学习消化美国、新西兰、欧洲和日本优秀规范的基础上,提出的适合中国国情的措施。2日本抗震法规用两个地震作用水平来设计和验算的做法值得我们进一步了解、学习和借鉴日本抗震法规要求用两个档次地震作用水平对建筑物进行设计和验算,即水平1(Level1重现期约为50年)和水平2(Level2重现期约为500年)。下面仍然以60m以下的中等高度的RC框架为例,简要说明日本的抗震设计思路。(这一思路在1981年开始实施,日本称为NewSeismicDe-signMethod,按其设计的建筑物经受住了数次地震的考验(如阪神地震),因此日本抗震界对这套思路充满自信。)在水平1的地震作用下,要求结构处于弹性,采用了容许应力法对结构构件进行设计,此时采用的地震作用系数CO为012(对应我们小震反应谱的平台值Amax),此时的地震作用仅与建筑物所处地区有关(区域系数)。在对应水平1地震的第一阶段设计时,还需对结构竖向刚度的均匀性、刚心的偏心率进行适当控制,并按1/200(宽松时可到1/120)的限制对层间侧移进行控制。在对应水平2地震的第二阶段设计时,地震作用系数CO为110,但需要考虑结构(层)的延性性能将地震力降至验算水平,同时验算水平的地震力取值大小还与结构的规则性有关,即不规则的结构地震力取值要提高。按此确定的地震力(层剪力)应小于结构在预期的塑性变形状态下所具有的层的抗剪能力(日本将此法称为为保有水平耐力验算)。水准2是水准1的5倍,应是大震的水准,但考虑在此水准的地震作用下结构已进入塑性阶段,结构受到的地震力将低于弹性方法算得的力,需要用与结构构件延性相关的系数,将地震作用往下降3倍左右(相当于中震水平),在此水准下验算楼层的/保有水平耐力0。这套方法是基于上世纪80年代的科研水平建立起来的一种近似的设计方法,但确实通过计算的手段考察了结构在较大地震作用下的/保有耐力0。还需指出的是,日本抗震法规紧跟抗震理论的发展,在总结阪神地震震害经验之后,于2000年局部修订了抗震法规。在修订后的法规补充了基于性能的设计方法,即响应和限制能力法(ResponseandLimitedCapacityMethod),允许工程师用PUSH-OVER或弹塑性时程分析的手段来检查建筑物在各水准地震作用下的结构性态。这一方法写入法规后,也有利于工程师进行隔震、制震结构的分析设计,我认为,这是近年来,日本隔震、制震建筑的应用数量不断增多的原因之一。反思目前中国的抗震设计,我们提出的抗震目标/小震不坏、中震可修、大震不倒0极其合理,但为实现这一目标所采用的设计方法或手段尚显不足。如何通过一些定量的计算或设计来确保建筑物达到中震和大震下的预期性态,是我们应该重点反思、总结的问题。目前国内的一些复杂结构所采用的所谓的中震弹性、中震不屈服的计算方法在理论上是否经得起推敲、是否合理,也值得我们反思。一个国家抗震设计体系的形成受到诸多因素的影响,如抗震设计的发展历程、社会经济发展水平等。日本结合自己的国情和抗震设计的历史(我认为,目前日本在第一阶段设计时采用的容许应力法,就是其最初使用的震度法的延续),并根据目前人类对抗震问题的认知水平,形成了一套与自然规律基本相符的抗震设计体系,这一设计体系的成果已经经受了数次地震的考验。因此,日本的不少做法值得我们认真学习和借鉴。3既有建筑的抗震鉴定和加固对即存建筑的抗震鉴定和加固日本已形成一套完整的法规体系。我认为中国照搬此体系是不可能、不科学的。但日本同行在制定这套体系时的一些做法,值得我们学习。比如日本抗震界费了很大的精力,调查、研究了常用的配筋条件下RC结构的受力变形性能,在此基础之上,建立了一套简单实用的楼层变形角)))楼层剪力相关关系的验算公式,确保在对既有建筑抗震性能进行评估时,做到延性能力和楼层抗剪强度兼顾。反观我们的抗震鉴定和加固,应该说要做的基础性工作还很多。4隔震、制震结构在日本的广泛应用日本隔震、制震结构广泛应用的现状,给此类结构在中国的发展、推广树立了很好的借鉴对象。本次研修看到的隔震、制震建筑,尤其是高层隔震建筑和中间层隔震建筑,给我留下了很深的影响。比如我们以前认为高层建筑不太适合采用隔震支座,但日本工程师已将此用于实际工程,这说明只要通过细致地分析,认真考察结构在各水准地震作用下的性态后,结构工程师也可以不断创新。对隔震、制震结构,日本工程师几乎均采用push-over或时程分析的方法来考察其抗震性态,而国内不少设计院仍采用的振型分解反应谱法来分析这些包含有耗能元件的结构,这样做的合理性值得推敲。5通过现场参观了解到的,日本建筑工程中采用的一些做法、材料等值得我们借鉴隔墙,日本多采用轻质材料的墙板,一方面减轻了自重,另一方面,轻质墙板对结构的变形能力、刚度等整体性能影响较小,更有利于工程师准确把握结构在各种作用下的性态。楼梯,日本多采用钢制楼梯(即使是在RC结构中),并且钢楼梯与主体结构多采用铰接,这样一方面保证了楼梯自身的强度,确保了逃生通道的自身安全,另一方面,楼梯与主体结构之间也有一定变形能力。日本的建筑,多采用/交钥匙工程0,无需业主二次装修,避免了因二次装修给建筑结构带来的不利影响。预制装配构件广泛采用,例如参观的一个工地,预制装配的RC结构用于修建一个150m的高层建筑。又如,住宅的卫生间几乎均采用了预制装配式整体卫生间。高强度材料的广泛应用,在参观的一个预制装配的RC高层结构中,其预制柱的砼强度达到200MPa,箍筋强度达到1250MPa。6日本土木工程科研体系完整,企业的科研创新能力较强两个月的进修为我们提供了近距离了解日本土木工程科研现况的机会。总体来看其科研体系已经形成由高校、独立行政法人(相当于中国事业编制的科研单位)和大型企业组成的完整机构。根据我目前接触到信息,日本的土木科研更倾向于与实际工程紧密相关的一些应用性很强的课题,很多课题的成果直接就可用于量大面广的实际工程。尤其值得注意的是日本大型企业的科研能力堪称一流,切实地体现和落实了科学技术是第一生产力的理念。如清水建设的技术研究所自己就拥有振动台、风洞等实验室。相比之下,我国的土木工程科研工作还有不少值得改进的地方。必须承认我们目前的科研投入还很少,但如何用好这些有限的资源?对于实用性很强的应用学科)))土木工程,我们的科研重点应在何处?是否课题越显得高深玄乎越容易申请到经费?如何改进提高我们大型企业的科研能力,切实增强企业的竞争力?所有这些问题,都是我们值得思考总结的。7日本的抗震防灾知识的普及教育值得我们学习在这一点上,我认为中国应该认真借鉴日本的做法,力争早日建立起政府为主导、专业人员积极投入、学校教育为中心的抗震防灾知识的普及体系。通过抗震防灾知识的普及,一方面可以切实的降低各种自然灾害的损失,另一方面也有利于减小提高土木工程抗震能力时所遇到的阻力。比如,日本的民众在了解了一些抗震防灾知识后,就会自然地想到自己的房屋安全吗?能抵御多大的地震?8结语以上总结,仅仅是个人就日本工程抗震的初步认识和体会。总体来说,我国结构工程领域,近年来仍处于跟踪国际发展的状态[6],所以消化、吸收已有的科研成果和设计方法,将成为我们改善抗震设计、提高工程抗震能力的重要途径之一。本文的初浅综述仅仅是研究发达国家规范和做法的开始,希望能起到抛砖引玉的作用。参考文献:[1]ShunsukeOtani“JapaneseDevelopmentofEarthquakeResistantBuildingDesign”,ISEE2000,atUniversityofMontenegro,Montenegro,2000.[2]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.[3]ShunsukeOtani”NewSeismicDesignProvisionsinJapan”,theUzumeriSymposiumduringthe2000FallACIAnnualConventioninToronto,October16,2000,inToronto,Canada.[4]小谷俊介.日本基于性能结构抗震设计方法的发展[J].建筑结构,2000,(6).[5]白绍良,李刚强,李英民,韦锋.从R-L-T关系研究成果看我国钢筋混凝土建筑结构的抗震控制措施[J].地震工程与工程振动.2006,26(5):144-151.[6]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部,科学发展战略研究报告2006~2010(土木工程卷)[R].科学出版社,2006.