日本建筑物抗震技术研究

2015-04-06蒋中华

山西建筑 2015年20期

蒋中华

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232000)

发生在2008年5月12日的四川汶川特大地震，震级为里氏8.0 级。此次地震造成超过35 万人受伤，给国家造成了巨大的经济损失，同时也给人民造成了巨大的财产损失和心理阴影。而反观2011年3月11日发生在日本福岛附近的东日本大地震，震级为里氏9.0 级，此次地震造成近3 000 名人员失踪。发生在2011年的东日本大地震死亡人数高于1995年的阪神大地震，之所以会出现如此之多的伤亡，主要是因为地震引起了海啸，将沿海附近的房屋冲毁，从而造成了大量的人员伤亡。需要指出的是，通过震后日本航空自卫队的航拍图显示，除被海啸冲毁的房屋以外，绝大多数房屋并没有因地震发生连续倒塌。作为民用建筑设计师，必须考虑结构的抗震要求，在民用建筑的抗震技术方面，作者认为很有必要向日本学习先进的技术。通过学习日本先进的抗震技术并与中国的实际国情相结合，作者相信中国的抗震技术一定会达到世界先进水平。

1 结构抗震技术

1.1 柔性抗震技术

在1995年发生阪神地震以前，日本在设计民用建筑时，首先考虑的问题便是让房屋变得更结实，在地震发生时，民用建筑不会发生连续倒塌。在施工时，将上层建筑与地基基础用钢筋混凝土连接在一起，使上层建筑与地基基础成为一个整体，即为刚性抗震。该技术的优点是:建筑物抗震能力比较强，可以保证建筑物的完整性，是日本早期的民用建筑物抗震措施，在1995年发生的阪神大地震，该技术的缺点是显而易见的。当发生强震时，建筑物虽然可以保证完好无损，但是由于地震的作用，室内的家具会发生倾倒，室内物品会摔坏而且人员伤亡也较大。同时会发生许多次生灾害，如发生火灾、断水、断电从而影响居民的正常生活。

在20 世纪80年代后期，日本的技术人员提出了一种新的抗震技术——柔性抗震。在施工时，将上层建筑与地基基础之间使用柔性材料连接在一起，用柔性材料制成隔震层，从过去的刚性抗震转为柔性抗震。当发生地震时，建筑物可以保证完好无损，同时室内的家具也不会倾倒，从而降低了人员的伤亡，也降低了次生灾害发生的概率，大大的降低了灾后重建的困难。通过技术人员不断的研究，该技术已经在日本得到了广泛的应用。

20 世纪90年代初，部分设计师已经把柔性抗震技术运用到工程实际之中，在1995年的阪神大地震中，证明了柔性抗震技术的优越性。90年代初建成的大阪商业中心，地上12 层，地下3 层，高度近40 m，建筑面积为45 000 m2。隔震层设置在地基基础与地下3 层之间，是当时日本最大的隔震建筑物。在1995年发生的阪神大地震之中，设置在顶楼、一楼与地基基础表面的数据记录仪显示:建筑物顶部的最大加速度只有基础的1/5～1/4，数据记录仪显示地面加速度为49.2 cm/s2，而建筑物顶部的最大加速度却只有10.2 cm/s2。建筑物表面并没有出现损坏的痕迹，柔性抗震的效果得到了证实，此后柔性抗震在日本得到了大规模的推广与应用。

柔性抗震的特点:1)柔性材料耐久性比较好，可以抵抗周期性的荷载作用，且物理性质稳定。2)上层建筑物抗震效果明显，应用柔性抗震的建筑物的加速度远远低于使用刚性抗震的建筑物，且实测加速度值与软件模拟值相比误差较小。3)柔性材料可以减缓地基不均匀沉降对上层建筑的影响。4)柔性材料的承载力较高，柔性材料的设计值约为50 MPa，极限抗压强度在80 MPa，使柔性抗震技术可以在高层建筑与超高层建筑中得以应用。5)该技术成本较低，且技术可靠，施工方便，适用于绝大多数民用建筑与工业建筑。

1.2 抗震加固技术

传统的加固技术如在施工阶段，设置构造柱，圈梁。而该技术却仅仅局限于新建的建筑物，对于原有建筑物，施工难度过大，且成本较大，不适合大规模推广。

为使原有的建筑物达到现有抗震标准，日本的设计师发明了一种类似碳纤维布的树脂材料，树脂纤维布将原有建筑物的梁与柱的节点以及剪力墙进行包裹，且包裹层数一般为3 层，而柱身则根据实际情况，可以包裹1 层～2 层，对非承重墙，包裹1 层即可。施工时，将树脂纤维涂上特制胶水，包裹后固定在需要加固的剪力墙、柱身、梁端、梁柱节点处以及非承重墙表面。

当发生地震时，由于树脂纤维布的约束作用，即使建筑物承重构件出现内部损伤，建筑物也不会发生连续倒塌。这种加固措施不仅可以保护室内的家具，供水，供气，供电以及人们生活的必要设施不会受到较大的影响，减少次生灾害发生的概率，且可以保护室内人员不受到伤害。

与原有抗震加固技术相比，该技术可以降低施工难度、节约工期以及降低成本。如日本某施工企业对位于北海道的函馆一座建于20 世纪70年代的居民住宅楼进行抗震加固。该楼房高24 m，一共8 层，每层有6 户居民。如果采用传统的加固措施，工程量十分巨大，对楼层内的居民生活有较大的影响，根据施工技术人员的计算，按照传统技术对该楼层进行加固，工期大约为2年的时间，而工程预算约为5 亿日元。而使用树脂纤维布加固，可以大大降低工程预算，根据相关人员的技术，该工程的预算不超过2 000 万日元，而且还可以大大缩短工期以及降低施工难度。每户居民住宅的施工工期大约只需要3 d 的时间即可完成，而整幢居民楼的施工工期不超过半年，在施工的过程中并不影响居民的正常生活。

使用树脂纤维布进行抗震加固的优点:1)相比传统加固技术，该技术大大简化了施工的难度，进一步优化了施工工艺，从而提高施工质量。2)该技术适用范围广泛，不仅适用于学校、商场、医院、居民住宅楼这样的民用建筑，而且还适用于桥梁工程，如连接九州与四国的跨海大桥，为了提高桥梁的抗震能力，在桥墩与桥梁表面包裹了数层树脂纤维布。

2 工程材料的选择

日本设计师对土木工程材料的选择也很有讲究。比如在欧洲，人们可以看见很多以砖石为主要建筑材料的建筑，譬如德国的勃兰登堡门，法国的凯旋门等一系列建筑，其主要的承载构件的材料都为砌体结构。而在中国，同样有为数不少的砌体结构，比如中国北方农村的一层小平房，以及20 世纪80年代以前建造的居民住宅楼。随着1923年的关东大地震之后，日本的设计师在选材时已经放弃砌体结构建筑，主要选择木结构建筑、钢结构建筑。

2.1 木结构建筑

由于木材具有良好的塑性性能，单位体积质量轻，所以木结构的建筑具有良好的抗震性能。即使是现在的日本，木结构的房屋也被大量的应用。为了提高木结构建筑的抗震能力，日本的设计师在设计房屋时通常采用箱形设计，使整个房屋变为一个有机的整体。当地震发生时，房屋作为一个整体进行晃动，在晃动的过程之中，木材吸收了大量的地震能，所以房屋不会发生倒塌。同时专业技术人员会对木结构房屋进行定期检查，以测定房屋的抗震等级。

2.2 钢结构建筑

早在日本明治维新时期，日本在长崎创办了日本第一座钢铁厂，到了20 世纪末，日本建设了第一座现代化的八幡钢铁厂。并在1894年，日本就建造了钢结构建筑，日本的研究人员在研究钢结构的领域已经超过了100年。第二次世界大战的结束，为日本钢结构的发展注入了新的动力，钢铁行业纷纷从军事工业转化为民用商品，钢铁行业开始大量的生产冷轧薄钢板以及轻质型钢。同时过去为国防工业服务的设计师纷纷转入民用建筑领域的设计。通过产业结构的调整，在技术与产品方面为发展产业化的钢结构住宅奠定了良好的基础。1955年，日本成立了轻钢建筑协会，它对日本钢结构住宅的产业化以及相关技术规范的发展起到了重要的作用。

通过100 多年钢结构建筑的发展，如今，在日本的建筑中，使用钢结构的建筑物占总比例的70%，而木结构的建筑则占总比例的20%左右，而使用钢筋混凝土的结构却不足10%。