日本建筑抗震浅析

日本建筑抗震浅析思路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。结构基础隔震原理图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。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。桥梁中使用的板式和铅芯橡胶支座隔震层的设计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。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，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。图为应用了隔震基础的日本横滨路标塔大厦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．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22.8m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11.9cm/s2．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。“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％。图为采用了局部浮力的日本京王饭店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）结构耗能装置耗能支撑（摩擦闸）粘弹性阻尼器质量泵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。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。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1/2~1/3.4.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4.缠上“绷带”的柱子日本发明的一种廉价的防震加固技术，以类似安全带的树脂材料“绷带”包裹建筑物内支柱。由构造品质保证研究所开发的这种防震加固技术被称为“SRF工艺”。抗震“绷带”采用树脂纤维编织制造，形状类似安全带。施工时，将抗震带涂上黏合剂，包裹后固定在建筑物支柱上。地震发生时，支柱即使出现内部损伤也不会倒塌，这可以确保人员的生存空间。以一座每层有12间房屋的4层楼为例，通常加固工程需要花费5000万到1亿日元，采用这一技术后，仅需500万日元左右，如果是木质建筑，仅需数十万日元。工程施工也相当简单，构造品质保证，研究所此前已经完成了250个此类项目，包括新干线高架桥、医院以及约40栋学校建筑物等。二，建筑材料的选择日本建筑在选材上也格外讲究，比如在欧洲、中国经常被当作主要建筑材料的砖瓦，现在在日本建筑上几乎已经找不到踪影，而现在日本广泛应用的五彩缤纷的“瓦片”是由塑料制成的。1923年的关东大地震证明砖结构房屋不抗震。从那以后开始，砖结构建筑在日本几乎不再被使用，取而代之的是辅以轻型墙面材料的钢筋混凝土结构。由于木结构的优良抗震性能，在日本也被大量的应用。为了提高传统木结构建筑的抗震能力，日本普通的民宅采用了箱体设计——地震发生时，房屋整体翻滚，不至于损毁。专业技术人员还会定期对民房进行抗震加固等级评定，政府会酌情给予居民适当的补贴鼓励。钢结构也是抗震性能极佳的建筑结构，因为钢材是塑性材料，在地震来临时能够很好的吸收地震力，从而起到了抗震的作用。如图所示，木结构和钢结构房屋。钢结构以及木结构被大量的运用在居住建筑•木结构小型公寓楼钢结构住宅三，严格的建筑结构设计要求日本《建筑基准法》规定，日本的高层建筑必须能够抵御里氏７级以上的强烈地震。一个建筑工程为获得开工许可，除了设计、施工图纸等文件外，还必须提交建筑抗震报告书。这一报告书主要内容是，根据地震的不同强度，计算不同的建筑结构在地震中的受力大小，进而确定建筑的梁柱位置、承重以及施工中钢筋、混凝土的规格和配比。日本法律还规定，只有一级建筑师以上的人才能有资格编制抗震报告书，而且，报告书中的相关计算必须要使用国土交通省认可的专用程序。普通的一个８、９层公寓楼，其抗震报告书动辄厚达两三百页。建筑抗震报告书必须经过相关部门或人员的检查，确认无误后才能开工。在日本许多高层公寓开始销售不久即告罄。一个重要因素是这些高层公寓多半与高层写字楼作了同等水平的抗震设计。谢谢大家观赏~愿祖国的建筑业明天更美好~！