日本抗震设计启示

日本高层建筑结构设计的几点启示华东建筑设计研究院有限公司周建龙日本抗震设计规范的发展历史日本抗震设计规范的内容及特点日本高层建筑结构设计方法的几点启示高层建筑结构计算分析方面的要求日本抗震设计规范的发展史1916年佐野利博士提出震度法概念1923年关东大地震，砖石结构破坏严重，混凝土结构抗震被认可1924年震度法被正式采用，K=0.1采用容许应力度1950年实施建筑基本法K=0.21971年修订建筑基本法实施（规定柱箍筋间距）日本抗震设计规范的发展史1978年，宫城县地震。提出考虑强度、延性、非线性地震反应之间关系因素的设计要求。1981年颁布新抗震设计法，提出二次设计的要求（小震不坏，大震不倒），并提出保有耐力的设计计算法1995年对直下式地震影响有新的认识2000年增加基于性能的抗震设计法2005年补充基于能量平衡的抗震设计法日本抗震设计规范的内容及特点一次设计----截面、配筋确定二次设计----大震下承载力、变形验算DS考虑延性的结构特征系数（0.3~0.55）日本抗震规范的特点设计理念为小震不坏，大震不倒，必须进行二次设计，特别对大震下的承载力验算有明确的规定，而中国规范对一般建筑仅进行小震计算，大震不倒依靠抗震措施保证。日本的小震及大震水准大致在我国设防烈度8度和8度半之间，地区差别较小。。日本抗震规范的特点以实用为主，结构概念清楚，手算也可进行分析强调强度、刚度、结构延性的平衡，要求区分结构破坏的形式，在每次输入结构的能量不变的情况下，选择合适的刚度和强度。是多次地震经验的总结，结合了多次地震经验，不断进行改进。对设计人员抗震概念要求较高，对所设计的结构的受力及破坏机制充分了解，区分各类构件的破坏形式。日本高层建筑结构设计方法的几点启示各种结构体系的适用范围不作限制。仅需满足两阶段设计的各项指标，框架结构也可做至150米以上，但是60米以上的超高层建筑必须通过审查（比较严格）一、结构体系一、结构体系中低层建筑采用框架剪力墙及剪力墙结构，且剪力墙一般采用均为带边框的剪力墙。保证中低层建筑有较大的抗侧刚度及承载力，减小变形，减小了上部楼层的地震加速度的增幅，用强度和刚度抵抗地震力，对结构延性的要求可予降低。一、结构体系日本的高层和超高层结构设计多采用延性好的结构，例如纯框架结构（或框架-支撑）组成较为柔性的高层建筑结构，配合隔震、减震的手段，耗散和吸收地震能量，保证主体结构处于基本弹性的状态，满足确定的抗震性能目标。在高层和超高层结构设计中，一般刚度比较小，结构层间位移比较大。如果为了满足变形要求盲目加大结构的刚度，势必会增加材料的用量，增加了结构自重，地震的反应也会随之加大，容易形成恶性循环。强度、刚度、延性二、隔震及减震技术的广泛应用日本的房屋抗震设计理念已从单纯由结构抗震逐步转向隔震、利用耗能构件减震的轨道上来，大大提高了房屋结构抗震的安全性和可靠性。一些重要的建筑和几乎100%的超高层建筑多采用了消能减震或隔震技术。耐震構造+床免震耐震構造免震構造制震構造耐震構造+制振構造隔震及减震技术应用范围广泛采用隔震及消能减震技术的建筑数量增加迅速，一些重要的建筑和几乎100%的超高层建筑多采用消能减震或隔震技术。基础隔震，首层隔震、层间隔震在高层建筑结构中均有应用。隔震及消能减震技术的联合应用，各种隔震及消能减震产品不断增加。采用隔震及消能减震技术多采用杆系结构，受力明确明确的耗能机制实际发生地震较设防地震的烈度要高传统抗震结构的耗能机制涉及到的构件众多，计算分析及设计手段有很大误差，很难保证耗能机制的实现采用消能减震或隔震技术的结构，通过特定消能构件的耗能，保证其他主体结构处于弹性或很小塑性的状态，确保结构的安全。地下2层、地上52层总高189.2m混凝土强度FC160预制R.C.框架结构6～22层每层内天井设置8个LYP制震柱(软钢阻尼器）fy=100MPa大震下层间位移角1/125东京东池袋四丁目住宅办公楼（大成建设工地）LYP制震柱高宽比小于4地下5层地上27层总建筑面积：10万m2,总高度147m结构类型：地下结构：型钢梁＋CFT(钢管混凝土柱)地上结构：SRC+RC+S框架＋消能支撑基础：桩基础，逆作法施工层间变形角：1/125一～四层部分通高，五层为转换层新饭野新建消能减震工程粘性阻尼墙每个提供3000KNLYP防屈曲支撑Fy=100MPa)每个提供3000KN大阪西本町一丁目隔震工程（竹中工务店）总建筑面积41569m2，地下三层、地上二十九层，总高度133.05m结构类型：一～四层为SRC巨型框架+上部外围RC预制框架梁柱＋RC核心筒+S梁+基础隔震结构（积层橡胶支座+中间布置滑动支座）基础形式：桩基础平面尺寸：38mX38m，内部无柱外围密柱，间距3.2m，梁高1m，预制梁柱混凝土均为FC60预制梁柱钢筋插入钢套筒内，再灌浆隔震层概要：B1层柱头设置铅芯橡胶支座，电梯井筒采用滑动支座，配合油阻尼器消耗地震输入能量地震作用下，隔震层位移为40~50cm，周期为5秒底部SRC结构及转换层基础隔震层基础隔震支座与阻尼器外围预制RC框架梁柱及注浆孔36/3层,170米外柱：粘滞阻尼器顶部：铅阻尼器顶部：TMD日本结构设计中对平面刚度偏心及竖向构件承载力及刚度的连续性（如底层挑空）要求没有中国规范那么严格，更多的是采用时程分析的方法，考察结构及构件的性能，采用隔震结构时，上部结构的布置要求更为宽松。因为采用隔震及减震后自然形成了抗震的多道防线，减震及隔震构件的变形耗能保证了其他结构构件可处于弹性或非常安全的状态。三、灵活的结构布置建筑面积为27212m2，高度134m，地下三层、地上二十六层结构类型：RC剪力墙和型钢梁＋巨型桁架＋半主动隔震黏弹性阻尼器剪切梁半主动隔震隔震与设计建筑设计开始于隔震建筑的地基半主动隔震系统被动液压阻尼器(X方向6个，Y方向6个)可调液压阻尼器(X方向6个，Y方向6个)橡胶支座(共55个)橡胶支座液压阻尼器▽地下1楼▽地下2楼▽地下3楼▽17楼▽26楼▽3楼▽10楼总建筑面积141476m2，地上层数为三十四层，总高度182.48m，地下室深度为-32.8m，功能：事务所、商场、剧场、展厅预制装配式高层建筑在日本得到广泛应用，预制结构相关施工技术非常成熟，高层建筑的逆作法施工也很普遍，代表环保、高效、经济、质量可控的现代绿色设计施工趋势。四、预制装配式结构的广泛应用5、高强混凝土及高强度钢筋的研制成功促进和扩大了混凝土结构在超高层建筑物的应用，C200的高强混凝土已在实际工程中运用，高强RC结构在高层建筑所占的比例已经超过钢结构，SRC结构却有不断下降的趋势，与高强混凝土配套的CFT结构也在不断上升。五、高强混凝土的应用六、能量概念的引入能量概念的引入,使对地震的认识更为深刻，“刚柔相济”趋于共识。Qun=DsQudFes（抗震）We+Wp+Wh=E（隔减震)E0=ΦCF（抗震评估）七、其他的一些细节日本多高层建筑的楼梯多采用钢楼梯，且采用与框架梁铰接或悬挂在框架梁上，基本对框架的抗侧刚度没有影响。日本建筑的隔墙多采用ALC墙板，外墙多采用外挂PC板（类单元幕墙），其刚度对框架的影响较小，特别是支撑及制震墙的封闭墙体均位于构件的外侧，不影响这些构件受力。住宅结构对楼板的隔音要求较高。高层住宅高层建筑计算分析的要求计算分析的要求超高层建筑采用时程方法进行分析设计。多高层建筑保有承载力计算多采用PUSH-OVER进行计算，多为构件截面层次的分析，比较注重构件截面恢复力模型的选取，其侧向里分布模式与中国规范相比有差异强调构件截面恢复力模型与试验结果的对比验证。采用减震设计的结构逐渐采用能量分析法进行分析验证。钢筋混凝土超高层建筑地震作用下性能要求钢筋混凝土超高层建筑风荷载作用下性能要求时程分析用结构的模型化：结构各层的水平力与水平层间变位关系由立体非线性推覆分析（PushoverAnalysis）决定时程分析内容：时程分析包括建筑物平面内两个主向单独震动时的分析以及两个主向同时震动时的分析，进行水平震动分析时同时考虑竖向震动的影响钢筋混凝土超高层建筑进行时程分析的要求对于具有冲积形成的深厚软弱地基地区，应考虑长周期地震对超高层结构的影响。根据日本有些工程的计算结果，考虑长周期地震的影响后，楼层剪力增大近一倍，这对结构的受力性能和使用舒适度将产生重大的影响，这些经验对上海、天津等均均具有很好的借鉴作用。钢筋混凝土超高层建筑进行时程分析的要求日本抗震今后研究的方向考虑地基与结构共同作用的地震力的输入考虑结构抗震能力的再评价容许损坏的再研究最终倒塌极限状态的模拟活动断层附近的工程设计要求性能化设计的完善与普及（地震动水准的预测、各水准的结构变形指标及构件强度、韧性指标，结构损伤及功能损失的评价等）其它的一些体会日本具有完善的全民防灾体系，国民普遍具有很强的防灾意识，面对地震等灾害的科学应对，一方面大大减少了人员及财产的损失，另一方面防灾意识的觉醒使大众普遍非常重视抗震安全，并且抗震新技术的采用及推广能得到公众的理解及支持。在大震下结构不倒塌不是设计的终结目标，而仅仅是最低标准，考虑房屋的功能维持及修复的经济性和对使用者产生的心理伤害等综合因素的性能化设计思想在不少工程中得以体现其它的一些体会日本从1977年制定的抗震诊断标准、整修方针的制定，1995年抗震促进法制定、2005年修订抗震促进法、2008年对学校建筑的抗震加固的推进措施的制定，逐步对既有抗震能力不足的房屋进行了抗震加固；而我国未经过抗震设计或抗震能力不足的房屋比例（包括学校建筑）很大，如何从政策上、法律上、经济上、技术上进行研究，逐步提高这些房屋的抗震能力是当前及今后最为紧迫的事情日本的抗震加固手段多样，并且在施工当中通常考虑不影响或尽量少影响建筑物功能的正常使用。其它的一些体会设计与施工的一体化。多数设计人员对施工工法非常了解，且担任许多工程的施工监理，这对于控制施工质量，保证设计意图的贯彻很有帮助隔震和耗能减震构件的质量是整体结构抗震性能的最重要的保障，因此对这些关键构件（产品）的制造、安装、监测、维护、更新等均应有完备的措施，应提出比普通构件更严格的验收、检测等要求。绿色建筑的思想在许多工程中得到体现。预制结构的采用、逆作法的实施、地缘热泵、中水利用、各种遮阳、隔音技术、自然采光、自然通风、绿色建材的使用、精装修住宅等已可在不少工程中得到实施。其它的一些体会对国内超高层建筑中采用最多的钢筋混凝土核心筒的抗震性能有必要进行反思。钢筋混凝土核心筒是最主要的抗侧力构件，其在弹性状态下的受力就不明晰，开裂以后的受力状态更是无从知晓，因此，整体结构的破坏机制难以得到保证。层间位移的高要求与混凝土强度等级的使用限制，形成了结构自重与抗震能力的恶性循环。一些大型的科研项目非常注重多方合作，提高效率，基础研究投入了较大的精力，试验研究以材料、构件及节点试验为多，对国内比较热衷的小比例整体大型结构地震振动台试验很少，反而是一些小型结构的地震振动台足尺试验有不少。其它的一些体会不少企业投入大量资源开发新技术，每个企业均有自己的专项技术，且专利保护的意识较强，技术进步成为企业的自觉行动，成为提高企业竞争力的重要手段。日本完备的地震监测系统，透明的地震信息发布系统和市民沉着应对的良好心态，另外对各次大地震经验的总结、地震断层的观察研究及对可能大地震的应对措施均给我们留下深刻的印象。LOGO