建筑结构隔震技术在日本的应用与发展

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收稿日期:2006-05-30
作者简介:李传林(1982-),男,江西南康人,硕士生,研究方向:工程结构抗震。

建筑结构隔震技术在日本的应用与发展
李传林,郭子雄
(华侨大学土木工程学院,泉州 362021)
摘 要:通过建筑结构隔震技术在日本应用与发展当中几个典型实例的阐述,总结了建筑结构隔震技术的发展趋势,指出了建筑结构隔震技术在我国的广泛应用前景及需要进一步解决的问题。

关键词:建筑结构;隔震技术;典型实例
中图分类号:TU352.1+2 文献标识码:A 文章编号:1000-7717(2006)05-0104-04
R ecent Applications and Advances in E arthquake Isolation
of Building Structures in Japan
L I Chuan 2lin ,GUO Zi 2xiong
(College of Civil Engineering ,Hua Qiao U niversity ,Quanz hou 362021)
Abstract :By introducing several typical examples in earthquake isolation of building structures in Japan ,the trends in Earth 2quake Isolation techniques of building Structures are summarized ,and meanwhile ,its prospects in china and several problems needed to be solved are indicated.
K ey w ords :building strurures ;isolation techniques ;typical examples
1 引言
在震灾面前,可以说,无人不想千方百计的加以防护。

如果抗震措施能从地震波的传播过程中去寻找的话,那么,很显然,越是从地震波的传播路径的上游侧下手,效果就会越大,遗憾的是,至今,对于地震的发生和化解,仍力不从心。

因此,当前,还是不得不针对个别建筑分别采取抗震措施,而隔震系统作为一种措施是很自然会被提出来的。

在文献提出这种方案可以追溯到1890年代,日本人河合浩藏设想将并排圆木分层纵横重叠几层,然后在上面浇混凝土,形成相当厚的地基,而在地基上建造建筑物。

1909年,侨居在美国的英国医生J.A.Calantarients 申请了一项专利,他在建筑物和基础之间设置滑石(云母)层做隔震层[1]。

进入1980年代以来,以新西兰的威廉・克雷顿大厦竣工为契机,在新西兰,美国,日本等国不断新建具有隔震功能的建筑。

虽然,在上世纪80年代后半期一直到90年代前半期建造了一些隔震建筑,然而,日本国内的地震反应控制的研究已经开始朝着减振的方向转移;待到几栋减振结构建成之后,尽管标榜其性能:不论是被动型,还是主动型都能改善居住的性能,然而,在大地震发生时,却未能使那强烈振动得以有效的控制。

同时,相当数量采用橡胶支座隔震的建筑物经受了实际地震的考验,其中最为著名的是美国洛杉矶南加州大学校医院和日本邮政省计算中心。

因此,建筑结构隔震技术的应用受到了更多国内外学着及工程师的关注。

2 建筑结构隔震技术在日本的应用与发展
日本是一个震灾极严重的国家,因此,建筑物的抗震研究和抗震设计一直以来都是日本业内外关注的重点。

隔震作为一项新型的房屋抗震技术从80年代以来在日本开始广泛的研究和实践,1983竣工的位于千叶县八千代市尤尼契卡式隔震(天然橡胶层压板+摩擦型阻尼器)住宅,是日本最早采用的层压橡胶型隔震结构,此后,又相继建造了大量的隔震高层、超高层建筑并把隔震技术应用到既有建筑的抗震改造当中,取得了不少研究成果和实践经验。

2.1 近年来建筑结构隔震技术在日本的典型应用2.1.1 建筑隔震设计实例
▲第一生命府中大厦(c -1大厦)
第一生命府中大厦(c -1大厦)地处府中市的原日本制钢所东京制作所旧址(18hm 2)的一角。

该旧址被命名为府中智能化园区而实施总体规划,1988年,这幢大厦开始了它的总体设计。

这幢大厦在设计上的命题是“作为高度信息化社会所对应的主力电算业务中心,因此,它的安全性、可靠性和扩充性都必须得到充分保证。

此外,出于保密的考虑,必须采取拒绝外援的建筑设计”。

因此,在结构上,采取了当时成为热门话题的
2006年10月
第27卷 第5期
基 建 优 化
OPTIMIZATION OF CAPITA L CONSTRUCTION
Oct 12006Vol 127No 15
隔震构造。

该大厦地下一层,地上七层,为劲性钢筋混凝土造框架—抗震墙结构,于1990年8月开始动工,1992年8月底主体工程竣工。

大厦全楼采用隔震构造,是当时全世界规模最大的超一流的隔震建筑,在那隔震建筑为数很少的时期,能够建成规模如此之大的隔震建筑,对于隔震结构来说,向前迈进了一大步。

大厦的隔震装置是由设置在地下一层楼板梁与基础之间,内部插入铅芯的层压橡胶垫(L RB )构成的。

层压橡胶垫的直径为1100mm 、1200mm 、1300mm 和1500mm 。

在选择隔震装置时,考虑到施工上和将来维修等方面的因素,采用了阻尼器型层压橡胶垫,其中的L RB 长期面压为68kg/cm 2~98kg/cm 2,在当时是面压高和可信度高的。

在针对地震进行设计时,隔震层的屈服层剪力设定得较低(阻尼器的屈服剪力系数为0.035),这样不仅能在发生大地震时,发挥其隔震功能,而且在发生中、小地震时也能起到隔震作用。

地震反应模拟分析结果表明,由于采用了隔震构造,标准层的反应加速度与一般的经过抗震设计的结构相比降低到其1/5以下的程度。

▲仙台森大厦
仙台森大厦(图1)于1997年3月动工兴建,1999年3月竣工。

上部结构的弹性固有周期为2秒左右。

当时隔震构造主要是用于固有周期在1秒以下的中、低层建筑物中,在像该大厦这样的长周期建筑物中使用隔震构造的,还未曾有过先例。

因此,设计师将上部结构的固有周期及恢复力特性与隔震层的恢复力特性结合在一起,进行了高层隔震建筑的地震反应分析。

其分析结果表明,只要能够恰当地确定隔震层的恢复力特性,即使是属于长周期的建筑物,也完全可以获得很好的隔震效果。

图1 仙台森大厦
大厦采用“弹性滑动支座”与“层压橡胶支座”并用的构造。

设计是按其在设计风荷载作用下不会出现滑动,但在强烈地震来袭时才会发生滑动的条件来安排滑动支座的,这样,既可充分发挥钢筋混凝土结构在强风吹袭下摇摆变形小的特点,又可发挥隔震结构在地震来袭时上部结构的反应内力和反应变形都会很小的特点。

隔震层的屈服剪力为0.037,这个数值远远大于风荷载作用下的值,同时又较强烈地震时的反应剪力小。

此外,将发生滑动以后的隔震层固有周期设定为5s ,以便达到周期充分长的目标。

地震反应分析表明,地上楼层的最大反应层剪力低于发生所取水准大震时的弹性极限层剪力;地上各楼层的最大反应层间变形在各水准地震时均在1/230以下,抗震性能良好。

沿短边方向的隔震层最大反应变形在所取水准1和水准2地震时,均低于隔震装置的稳定变形极限(25cm )。

此外,在所取水准3地震时的最大反应变形是在隔震装置的性能保证变
形值(50cm )以下。

因此,只要正确设定隔震层的恢复力特性,哪怕是更高的建筑隔震也不在话下。

可以认为:隔震构造能使建筑物的抗震性能大幅度提高,并且又能促进设计自由度的不断扩大,所以,其在高层建筑中的应用前景是光明的。

2.1.2 既有建筑结构抗震改造实例
国立西洋美术馆主馆是日本最早采用保护性隔震改造历史文物建筑,由于在很多文献和会议上都被介绍过,本文不再对其进行描述,只在这里叙述其它两个例子。

▲大成建设汤河原研修中心
大成建设汤河原研修俱乐部位于静冈县热海市,建筑面积2235m 2、总建筑面积15658m 2、地上16层,高度44.53m ,1964年竣工。

考虑到东海冲一旦发生地震,这里有可能受到重大影响,以及该建筑物是遵循旧的抗震标准设计的,其抗震性存在许多不妥之处等理由,故于1996年8月至1997年4月期间实施了新型隔震措施的改建。

该大厦是世界最早在中间楼层增设隔震装置的实例。

研修中心的主楼与东楼呈正交状,两幢楼之间有伸缩缝隔开主楼是建于山坡上的16层劲性钢筋混凝土建筑,其七层以下部分为很长的低层楼宇(图2)。

在高层部分的最下层(第八层)柱内插人铅芯橡胶垫,使该层成为隔震层。

隔震层可使其上的高层部分的地震反应减小,同时又可减小从隔震层传给下部楼层的惯性力,从而减小低层部分的地震反应。

这就是该研修中心进行抗震改建所采用的中间层隔震构造。

东搂为7层的钢筋混凝土建筑,拟于原来的基础底下再设置新的基础和底板,并在其间插入弹性滑动支座及多层橡胶垫层构成的基础隔震组合隔震构造。

图2 大成建设汤河原研修俱乐部
抗震改建采用隔震措施主要是基于以下理由:因为隔震构造大多数是集中在隔震层内,所以施工可以在建筑物使用中进行,与加固费用相比,隔震的造价较低,而且隔震措施对建筑物功能的制约和外观上的改变都很小。

主楼的中间层隔震部件采用的是具有高阻尼性能的铅芯多层橡胶垫块,为了使柱子和上、下层楼板梁的弯曲内力不致过大,将多层橡胶垫块安装在柱子的内径中央。

隔震层按初始周期约1.15s ,屈服后周期约3.0s ,以及屈服剪力系数0.06~0.07的程度进行设计。

通过对中间层及基础实施隔震措施的抗震改造,大大降低了建筑的层间位移,即使是在大震作用下,层间位移都非常小,而且隔震层扭转变形也很小。

这就大大提高了原有建筑的抗震性能,收到了很好的效益。

▲饭田桥第一大厦
饭田桥第一大厦(图3)是大规模中间楼层隔震改造建筑,位于东京都文京区,由日建设计公司(东京)设计,洪池、东亚、浅沼、五洋建设J V 施工,于1997年12月开工,2000年5月竣
5
012006No 15李传林,等:建筑结构隔震技术在日本的应用与发展
工。

这栋大厦属于原居民主导型的二次开发项目,地下2层、
地上14层、屋顶间1层,最高高度为63.20m ,建筑总面积为5
405m 2。

建筑功能上要求涵盖平面布置灵活的集合住宅,无柱大空间办公楼和与周围环境协调的底层商店(图4),为了在将各种不同用途的部分汇集于一身的建筑中,最大限度地获得各自的建筑特点,就要针对每一用途的需要,制定出最适合其特点的结构规划。

但对于—般的中高层建筑的抗震来说,其在结构的性状上必须是均衡的,万不可将震害集中于某一特定楼层,这是最基本的一点,因此,将各种不同的结构类型纳入一幢建筑物中所造成的结构不连续性便成了这幢大厦的结构设计的难点。

图3
 饭田桥第一大厦
图4 建筑功能布置
鉴于此,在这幢大厦中,专门制定了使不同的结构类型在
同一个建筑物内相互融合的结构规划。

具体做法是在位于下部结构(办公室及商店两部分)与上部结构(住宅部分)之间的第十层下方的中间层内,设置用天然橡胶制作的Φ800的层压橡胶垫和铅制阻尼器构成的具有吸收地震能量的隔震层。

这样,下部结构可以实现大跨的无柱空间,而上部结构也能实现钢筋混凝土造的壁式结构。

将隔震层设在中间楼层的优点不仅仅是由于加了层压橡胶隔震器,使得不同类型的结构的混合使用成为可能。

此外还在于能使包括下部结构在内的整个建筑物也都与隔震层上方的结构一样,抗震性能得到很大提高。

根据所取水准2地震时的大厦短边方向的振动反应分析可知,最大达30cm 的变形集中产生在隔震层,而住宅层最大层间变形只有0.2cm (相当于层高的1/1530左右),办公室各楼层的最大层间变形也不过
211cm (相当于层高的1/195左右),与没设置隔震层的一般楼宇相比,只有它们的1/5,1/2。

这样的数值可以确保大地震来袭时的水平方向变形导致的大厦在铅直方向的稳定性。

此外,
还可以使得大厦外装修材料的变形追随性得到确保,从而,使得大厦的建筑立面构成的自由度大大增加。

2.1.3 住宅小区整体隔震实例
▲营上九泽住宅小区
营上九泽住宅小区(图5)位于神奈川县相摸原市,由阿尔柯木规划,结构设计集团SD G 结构设计,谷津建设、鹿岛建设、住友建设、小山建设等八家单位共同施工,2000年7月开工,于2005年3月全部竣工。

营上九泽住宅小区为6~14层21栋住宅楼组成,以正北为轴线,两排南北方向长的住宅楼呈大雁飞行状排列,将整个建设用地包围起来。

6层高的低层住宅楼建于东侧,而西侧则建有8-10层的住宅楼,小区内最高的14层住宅楼建于中央。

为了使住宅楼的复杂布局与地下停车场的隔震装置的布置相互配合,在一层楼板的标高处,构筑人工地基。

平面形状与住宅楼的平面布局相一致,并将全部住宅楼连成一片,由于在住宅楼群的内部有两处大型广场,所以,从总体上来看,平面形状呈“日”字形。

人工地基由梁距为1920mm ,梁高为1200mm 的网格梁构成,根据受力的需要,采用内配
H 型钢的劲性钢筋混凝土造。

图5 营上九泽住宅竣工图
一层的人工地基和其上的21栋住宅楼的总重量达到了
11.2万t 之多。

这样大的重量是由设置在地下停车场柱头上的242部隔震装置承受的。

隔震装置共计三大部分,它们是承担全部恢复力和阻尼作用的铅芯层压橡胶(LL RB Φ1200mm 48个)和加大阻尼用的层压橡胶复合型隔震装置(SL R 109个),以及零摩擦的球状滚动支座(SBB 85个)。

隔震周期为6.7秒,容许变形量为80cm ,在全部变形的范围内,保有30%的阻尼常数。

选取及构造一系列地震波对小区进行地震反应分析,结果表明:在最大加速度为800~1200cm/s 2,最大速度为57~165cm/s 的地震输入的情况下,低层住宅楼(6层)、中层住宅楼(10层)和高层住宅楼(14层)中,任何一栋的最大反应加速度都被控制在100G al 的水平,获得了令人满意的隔震效果。

隔震装置的最大变形量在40~65cm 的范围内,相对于容许变形量来说,仍有相当大的余量,最终可以得出,该住宅小区拥有极高的抗震安全性的结论。

该住宅小区是分4期进行施工的,全部竣
6
01基 建 优 化第27卷
工需时5年,所以是竣工一期,入住一期。

在分期施工的过程中,不论是相互连接处于怎样的状态之下,都必须具有良好的隔震性能,同时要很好地控制偏心状态的出现,以免发生扭转振动。

借助上述三大类的隔震装置的相互配合,可以使隔震性能在任何状态下都差不多相同,在将偏心率控制在1%以下的条件下,由扭转振动的反应分析可知,即使是在结构总体的边端,因扭转而导致的变位增量都可忽略不计。

此住宅小区是隔震建筑结构从单体扩展至群体的首个例子,从理论分析看,其抗震性能是优良的,但是否真正能经得起地震得考验,有待以后验证。

2.2 日本建筑隔震技术应用的发展趋势
近年来,日本建筑结构隔震技术发展迅速,从以上几个典型的建筑结构隔震实例,可以总结隔震技术在日本的应用现状和发展趋势。

(1)由早期的单类隔震元件的结构隔震研究和应用转变为组合隔震(隔震体系)的大量研究和应用。

(2)由建筑结构隔震设计的应用和发展引入到既有建筑结构抗震加固及改造当中,并且体现出了良好的技术经济效益。

(3)目前,基础隔震的研究和应用相对较为成熟可靠,把基础隔震技术应用到中间层隔震,同样可以获得良好的隔震效果。

(4)日本已经建成了数以百计的单体隔震建筑,有不少的建筑经历了后来地震的考验,体现出优良的抗震性能,在单体建筑隔震研究和应用逐步成熟的同时,考虑街区隔震甚至城市整体隔震无疑是一个新的研究和发展方向,并且具有很大的市场。

(5)从2003年的仙台地震和北海道地震数栋高层、超高层建筑的强震观测记录,可以看出隔震体系的安全性和有效性,隔震技术使高层和超高层建筑免遭地震灾害成为了现实。

在高层和超高层建筑的数量和高度成逐渐增加趋势的现代,它将成为隔震技术的主要应用发展方向。

3 建筑结构隔震技术的前景及有待于进一步研究的问题
建筑结构隔震技术有着很大的推广价值,具有广阔的应用前景,具体表现在:
(1)增强了建筑物的抗震性能,由于设置了足够的隔震支座和减震阻尼器,能将地震作用下建筑物的振动减小一半以上,使上部结构物在地震下的反应很小,即便遇到超出设计的地震,上部结构物的损害也很小,需要更换的也只是下部的支座和阻尼器,这样维修也极其方便。

(2)具有良好的经济效益:在建筑物中采用隔震技术,将能大大降低一般设计中庞大的地基造价,而且所有支座和阻尼器都可以在现场安装,这必将大大地缩短工期,带来很好的经济效益。

(3)隔震技术不仅可以用于新建工程中,还可以用于既有建筑物的抗震加固,适用范围极其广泛,可应用于从低层到超高层范围内的所有建筑;且在抗震加固期间,可不影响使用。

(4)要解决由不同建筑功能集合而导致的竖向结构性状的不规则性,采用隔震技术,合理选用和布置隔震元件,将是一种新的值得考虑的方法。

建筑结构隔震技术要在我国推广应用,仍需进一步研究的以下一些问题:
(1)在高层和超高层建筑中应用基础隔震技术,如何处理地震作用引起的强大柱子拔力和倾覆是技术难题。

在抗拔方面,日本有工程实例采用抗拔能力强大的直线式滑动支座和橡胶支座组合,还有一个新方法,就是采用柱基活接隔震消能措施[4];而在抗倾覆方面,国内外目前都有了一定的研究[6-13],给出了一些设计建议和方法;文献[14]的研究者还开发了一种新型的竖向抗倾覆装置并通过了振动台的检验。

但总体来说,对大高宽比隔震结构的理论和研究还是不多,对其破坏规律了解甚少,同时还缺乏这类结构的强震观测资料,因此需要进行更多的理论研究。

(2)隔震主流技术(叠层橡胶支座)在水平方向上的隔震效果好,但对竖向振动一般没有减振效果;对自振周期较短的房屋减振效果好,对长周期水平振动存在共振危险性。

如何提高竖向震动和长周期水平向震动的隔震效果仍是隔震技术中需要进一步研究和解决的问题。

(3)隔震元件不仅有性能和精度方面的要求,还有防老化,防火,防侵蚀等要求,因此还应关注和规范施工,保养和维修。

(4)由于现有的隔震体系相对比较昂贵,不适合我国在现有国情下广泛使用,应该开发满足高性能和低成本要求的新型隔震材料,装置,同时,在阻尼器材料以及阻尼器类型的研究开发方面,还应大力的研究、实践和发展。

(5)加强混合隔震技术的研究,尤其混合隔震体系地震反应分析方法、试验研究及实际应用等方面,使之成为今后隔震技术发展的新途径。

(6)随着隔震技术的大量推广应用,与之相关的配套技术的研究和规范化已经成为急需解决的问题。

我国建筑规范的制定是隔震技术推广使用的开始,为了能使广大设计人员熟练掌握和应用,有必要进行系统的隔震试验和设计理论研究[15]。

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(下转第110页)
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2006No15李传林,等:建筑结构隔震技术在日本的应用与发展
(3)试验结果总结
由表5、表6、表7试验结果得出。

3.1 采用FS双掺时,在其他原材料不变的情况下,虽然混凝土中的水泥用量大幅度降低,混凝土的早期强度有所降低,但是混凝土的28d强度并不低于常规混凝土,反而随着矿粉掺入量的增加略有提高。

3.2 当掺入30%左右的矿粉(即F+S占总胶凝材料的40%左右时),混凝土强度达到最大;当掺入40%左右的矿粉后(即F+S占总胶凝材料的50%左右时),混凝土的强度反而降低,但是仍然能满足生产和设计要求。

尤其在适用于大体积混凝土工程,能通过矿粉自身的缓凝作用,来减慢水泥的水化反应速度,明显地起到降低水化热的目的。

3.3 在其他原材料不变的情况下,随着矿粉量的增多,混凝土的塌落度有明显增加,混凝土泌水少,保水性好,工作性能优于无矿粉混凝土。

4 双掺混凝土的应用
本文把FS双掺应用在了“上海宝田”大体积混凝土工程中:
(1)工程名称:1.2万吨矿粉成品库
(2)混凝土强度等级库基础为C30,库壁为C20
(3)工程特点:库底筒仓基础长29.3m,宽28m,厚2.2m,混凝土总量约为6000m3;其中库基础约为1550m3,库壁约为4000m3。

(4)施工单位:上海宝钢十三冶一公司
(5)混凝土供应单位:上海宝钢十三冶混凝土公司钱潘浇拌站
(6)首次浇筑日期:2005.1
(7)首次浇筑部位:1450m3库基础
(8)强度等级:C30
(9)施工配合比(kg/m3)
水泥矿粉粉煤灰砂碎石水外加剂矿粉掺量187125607321054180 2.2340%
(10)大体积混凝土施工的难点:浇筑深度为-6.5 m,浇筑后混凝土内部的温升控制是重中之重,而当时环境温度接近摄氏0℃,天气恶劣,温差裂缝较难控制。

(11)施工结果:由于推迟了温度峰值到达时间,没有出现温差裂缝。

施工中混凝土的坍落度控制在100~120mm,砼的和易性较好,28d折模后,基础表面光洁度很好,平均强度值达4217MPa。

5 结束语
(1)矿粉和粉煤灰双掺技术应用于混凝土,能明显改善混凝土的工作性能,符合高性能混凝土的特征要求。

(2)从技术经济角度分析,FS双掺比例要适宜,不能盲目追求成本,不考虑混凝土质量,尤其在水泥品种、混凝土强度等级、不同部位以及不同的天气情况下,要及时对其掺入量进行调整。

(3)FS双掺混凝土与常规混凝土相比,单方成本低6-10元,因此有明显的经济效益。

(4)FS双掺采用工业废料,变废为宝,利国利民,具有极高的应用及推广价值。

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(上接第107页)
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011基 建 优 化第27卷。

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