建筑隔震技术在日本的发展与应用

建筑隔震技术在日本的发展与应用DevelopmentandengineeringpracticeofseismicisolationforbuildingsinJapan 曲哲  中泽俊幸 QUZhe,NAKAZAWAToshiyuki 摘要：隔震技术通过人为地在结构中设置水平刚度很小且可靠性很高的水平隔震层，使结构的变形和能量耗散都集中在隔震层，能够同时减小上部建筑的层间位移和加速度反应，对于在地震中保护上部建筑结构和非结构构件都是一种有效的解决方案。本文在介绍隔震原理的基础上，简要回顾百余年来建筑隔震技术在日本的发展，介绍20世纪80年代以来以叠层橡胶隔震支座为主体的现代隔震技术在日本的工程应用和实际效果，并针对超高层建筑隔震和重要建筑的加固改造等问题介绍日本的成功经验。近年来我国隔震建筑的数量增长很快，希望这些内容对隔震技术在我国的健康发展和进一步推广应用有所帮助。  隔震的原理 隔震的基本思想非常简单，就是在建筑物与基础之间设置一个柔软的隔震层，减小地震动对隔震层以上结构的影响。当一般建筑受到地震袭击时，地面运动会从基础开始向上传播并被逐渐放大。这样一来，不但结构本身很容易损坏，建筑设备和室内家具等也都很容易损坏（图1a）。在隔震建筑中，由于隔震层在水平方向比较柔软，变形主要集中这里（图1b），于是产生三方面效果：（1）柔软的隔震层延长了结构的自振周期，往往可以有效减小结构的加速度反应；（2）安装在隔震层中专门用于耗散地震能量的消能器可以利用集中在隔震层的变形，有效地耗散地震能量，从而同时减小建筑的加速度和位移反应；（3）结构周期延长了，总变形通常会增大，但在隔震建筑中，变形集中在隔震层，这有效地减小了隔震层以上的上部结构的变形（图1c）。前两方面的隔震效果可以通过反应谱直观地解说。对于一般的地震动，短周期的加速度成分往往远于大长周期成分。图2(a)所示的TCU095-E记录便是典型的例子。这条地震动记录是在1999年M7.6级台湾集集地震中得到的。比如一座普通多层建筑的基本周期是0.5s，通过隔震将其周期延长至3s。那么其最大拟加速度反应将从如图2(a)所示的实心圆圈处大幅下降至空心圆圈处。如果在隔震层合理设置一些耗能装置，比如使整体结构的阻尼比从2%提高到15%，则可以进一步降低至如图2(a)所示的实心方块处。在这个例子中，延长周期带来的减振效果远远大于提高耗能的减振效果。然而，结构的周期易于控制，未来地震动的频谱特性却难以掌握。如果遇到的不是TCU095-E记录那样的地震动，而是同样在集集地震中另一个台站记录到的TCU052-E记录那样的地震动，情况就大不一样了。 图1建筑物的地震反应示意图：(a)一般建筑；(b)隔震建筑；(c)侧向位移的比较[1]集集地震的TCU052-E记录是典型的近断层脉冲型地震动。其特点是在地面运动时程中有明显的长周期大振幅脉冲。这从图2(b)所示的TCU095-E记录和TCU052-E记录的加速度时程的对比上可以看出来。这种长周期大振幅脉冲往往蕴含巨大的能量，表现在反应谱上就是在长周期段（比如周期大于1s的区段）会有明显的反应谱峰值。通过隔震手段延长结构的周期，有可能正中长周期地震动的下怀。尽管如此，通过在隔震层设置耗能装置，提高结构的耗能能力仍可以有效地减小上部结构的地震反应（图2(b)）。从地震损伤控制的角度讲，无论隔震结构能否有效避开未来地震动中蕴含较大能量的频率成分，其变形与损伤机制都被根本改变了。柔软的底部隔震层吸收了结构的大部分变形与损伤，像保险丝一样给上部结构可能受到的地震作用封了顶，使本来充满不确定性的地震作用更加易于估算，从而使上部结构的设计更加简便与可靠，同时也为建筑设计提供了高度的结构自由性。 图2隔震建筑的地震反应：(a)一般地震动；(b)近断层脉冲型地震动[1]日本建筑隔震技术略史 如果以1881年日本地震学会的成立为日本地震工程学研究的开端的话，那么日本建筑隔震的历史几乎与日本地震工程学研究的历史一样长。1891年8.0级浓尾地震造成了巨大的灾难。同年，河合浩藏提出在混凝土基础下设置数层纵横排列的圆木的隔震结构（图3）[2]。这恐怕是日本最早的现代隔震结构的设想了。 图3河合浩藏提出的滚木隔震（1891）[2] 1923年7.9级关东大地震之后，再次出现了一些关于隔震建筑的构想。如1924年鬼头健三郎在名为“建筑物抗震装置”的专利中提出的在柱脚处采用滚珠隔震的方法（图4）[3]，以及岡隆一在1928年提出的由两端采用不同半径的球面的铰支短柱形成的“隔震基础”（图5）[4]。值得一提的是，1934年建成的不动贮金银行姬路支行采用了岡隆一提出的短柱隔震的专利技术。虽然短柱隔震技术随后并没有在日本得到很好的推广，但这恐怕是日本第一座实际建成的现代隔震建筑。    图4鬼头健三郎提出的滚珠隔震（1924）[3] 图5岡隆一提出的短柱隔震（1928）[4] 20世纪30年代席卷全日本的“刚柔之争”在客观上为日后隔震建筑的大发展奠定了思想基础。当时，东京帝国大学（二战后更名为东京大学）的佐野利器、武藤清等学术权威主张刚性结构。与之针锋相对的是以海军技师真岛健三郎为代表的柔性派。以当时人们对地震动特性和结构动力反应的理解，没能争出个结论来，尽管如此，否定隔震结构的刚性派（权威派）仍然占了上风。在这样的条件下，真岛健三郎于1934年提出了如图6所示的柔性底层结构[5]。 图6真岛健三郎的柔性底层结构（1934）[5]1960年，小堀铎二针对核电站核反应堆的抗震问题提出了如图7所示的解决方案，并首次提出了赋予结构能够控制地震动的特性的“制震”的概念（我国常称之为减震）[6]。1964年，日本发生了因大规模砂土液化而著名的新泻地震。翌年，松下清夫、和泉正哲提出一种具有自复位特性的滚珠隔震（图8）[7]。而此后不久，后来统治日本隔震界的叠层橡胶支座登上了历史的舞台。图7小堀铎二提出的核反应堆制震结构（1928）[6] 图8松下清夫、和泉正哲提出的摇摆滚珠隔震（1965）[7]橡胶与钢板交错布置而成的叠层橡胶支座最早是1970年在欧洲开发的。20世纪70年代末80年代初曾在法国应用于学校和核电站的隔震。1980年，福冈大学的多田英之等人最早在日本开始了叠层橡胶支座的研究[8][9]。这一系列研究以小比例尺的试件为对象，系统地研究了叠层橡胶支座的压缩和压剪刚度（图9），并以此为基础进行了小比例尺钢框架隔震模型的振动台试验。图9日本最早的叠层橡胶支座压剪试验[8]以这些研究成果为基础，1983年，日本第一座采用叠层橡胶支座的现代隔震建筑——位于东京的八千代台住宅——诞生了（图10）。它的结构设计正是东京建筑研究所的前任所长山田昭一与福冈大学多田英之教授的团队合作完成的。在日本工程界，八千代台住宅又常被称为“日本第1号”。这是一座纵向2跨横向1跨地上两层总高约7.6米的独栋住宅。采用6个天然叠层橡胶支座进行隔震，每个支座的橡胶层总厚度为60mm，设计时考虑的橡胶支座极限侧向变形为250mm。上部结构与周边挡土墙壁之间的隔震缝宽度为350mm，即保证在橡胶支座断裂破坏之前上部结构不会与挡墙壁发生碰撞。此处，在隔震层设置了“破坏-安全”支墩，以保证在隔震支座破坏的极端情况下上部结构的安全。图10“日本第1号”八千代台住宅[10]然而，叠层橡胶隔震支座在八千代台住宅的应用并没有立即带来隔震技术应用的大发展。直到十几年后的1995年，阪神地震才再次使日本民众警醒。在这次7.3级地震中，大量采用抗震结构的房屋倒塌或严重受损，而建成于1994年的采用隔震技术的“WEST大楼”则充分发挥了隔震的效果。以此为契机，以往不被世人所知的隔震技术走进了公众的视野，隔震建筑也在日本迎来了高速发展的阶段。图11总结了1982至2014年间日本隔震建筑数量的变化。从图中可以明显地看出，在1995年阪神地震之后，隔震技术在日本真正地起飞了。 (a)总数 (b)逐年数图11日本隔震建筑数量的增长（数据来源：日本免震协会JSSI主页及刊物MENSHIN） 截止2014年，日本全国共有各类型隔震建筑约8600栋，其中约4700栋为规模较小的独栋住宅，约3900栋为其他建筑，主要是集合住宅。不论从数量还是质量上看，日本都是名副其实的世界第一隔震大国。日本隔震建筑的实际地震反应 前面提到，位于兵库县的WEST大楼在1995年阪神地震中展示的隔震效果真正地让隔震技术走向了社会大众。WEST大楼地上6层，局部8层，高28.85m，建筑面积46823m2，是当时世界上最大规模的隔震建筑（图12）。采用54个直径1.2m的铅芯橡胶支座和66个直径1m或0.8m的叠层橡胶支座进行隔震。隔震层中同时设置了44个环形钢阻尼器。在阪神地震中，WEST大楼距离震中仅35km。01000200030004000500019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014数量年份独栋住宅其他建筑010020030040050060019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014数量年份独栋住宅其他建筑建筑基础上记到的峰值加速度为南北方向300cm/s2，东西方向263cm/s2，竖直方向213cm/m2；经过隔震层过滤后，首层楼面处的峰值加速度减小到南北方向57cm/s2，东西方向106cm/s2，竖直方向193cm/m2；与之对应的顶层峰值加速度为南北方向75cm/s2，东西方向103cm/s2，竖直方向377cm/m2。水平方向的隔震效果非常明显。与此同时，隔震层最大位移出现在东西方向，为12cm，东西双向合计总位移约为20cm（图13）。在这样的位移下，隔震层的损伤仅限于环状钢阻尼器漆皮剥落，且没有残余位移[11]。 图12兵库县WEST大楼剖面（单位：mm）[11] 图13WEST大楼隔震层位移[11] 除了著名的WEST大楼之外，日本还有不少经历了实际地震考验并且表现出优异的抗震性能的隔震建筑的实例。比如早在1986年，清水建设和日本东北大学合作，在东北大学的校园里建造了两座几乎一模一样的试验性的建筑。这两座紧临的建筑都只有3层高，建筑面积都是209m2，布置也基本一样。二者主要的区别在于，一栋采用传统的抗震结构；而另一栋采用6个高阻尼橡胶支座进行了隔震。建成翌年的1987年，福岛县近海发生6.7级地震，震中距离该建筑168km。上述非隔震建筑的顶点峰值加速度达到205cm/s2，与之相邻的隔震建筑的顶点峰值加速度却只有36cm/s2，隔震非常明显。在1998年的宫城县南部地震中，二者的基础位置都记录到了约380cm/s2的水平峰值加速度，非隔震建筑屋面的最大水平加速度为672cm/s2，而隔震建筑的屋面最大水平加速度只有137cm/s2，再次展现了隔震的效果[12]。在2011年9.0级东日本大地震中，位于震灾中心区的石卷红十字医院的成功案例再次向公众展示了隔震技术的优异性能[13]。该医院建成于2006年，为地下1层，地上7层（局部8层）的隔震结构。地上部分主体结构采用钢结构，建筑面积32486m2。由于场地条件较差，场地卓越周期长达1.4s，因此在设计隔震层时，采用了天然叠层橡胶支座、滑板支座和钢阻尼器混用的方案（图14），使结构在罕遇地震时（隔震层变形49cm时）的等效隔震周期达到3.73s，仅考虑隔震支座而不考虑钢阻尼器时的隔震周期则长达5.39s。在东日本大地震中，该医院隔震层最大变形达到26cm（一侧），大约为设计时罕遇地震下变形的一半。几乎所有的钢阻尼器的表面涂装都有剥落（图15）。上部建筑的室内虽然有电脑显示器跌落、书本散落等现象（图16），但没有人员受伤。震后，该医院建筑立即成为救灾中心，不但收治了大量伤员，还成为其他救援力量和组织的临时聚点，充分发挥了应急救灾的作用。图14石卷红十字医院的隔震结构[13]图15钢阻尼器涂装层剥落