日本建筑抗震技术设计及发展

日本建筑抗震技术设计及发展

摘要：日本每年发生有感地震约1000多次，其中6级以上的地震每年至少发生1次。频繁的地震灾害使日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。本文将介绍日本建筑抗震技术体系的各个方面，希望能为同样是地震重灾国的我国，提供借鉴，引起更多研究者的思考。

0引言

据我国国家地震台网测定，北京时间2011年1月3日4时20分，在智利中部发生7.1级地震。这是距离我们最近的一次大地震。地震一直是伴随着人类文明发展的重大自然灾害之一。日本是世界公认的地震重灾国，每年发生有感地震约1000多次，全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。其中6级以上的地震每年至少发生1次。[1]如图1、2所示。然而，频繁的地震灾害，却使日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。自1998年至2007年，日本共发生震级为6.0以上的地震199次，约占全球同等规模地震总数961的20.7%左右，但由其导致的灾害死亡人数仅占世界的9%(中国却占约30%)。由此可见，日本抗震技术体系的先进与完善。

图1 全球地震分布图2 日本周边发生过的地震

1.日本的地理概况

日本位于亚欧大陆东端，陆地面积377880平方公里。由于日本列岛正好位于亚欧板块与太平洋板块交界处，按照地质板块学说，太平洋板块比较薄，密度比较大，而位置相对低一些。当太平洋板块向西呈水平移动时，它就会俯冲到相邻的亚欧板块之下。于是，当亚欧板块与太平洋板块发生碰撞、挤压时，两大板块交界处的岩层便出现变形、断裂等运动，从而产生火山爆发、地震等。

2.日本建筑抗震发展历史

由于日本地震多发，很早日本就对建筑的抗震性能进行研究。早在一百多年前，1891年浓尾大地震砖结构建筑被毁严重时，就开始探讨采取什么措施，来抵御地震破坏。

20世纪初，日本学者大森房吉提出近似分析地震动影响的静力计算法。日本从美国引进钢结构和钢筋混凝土结构技术后，不久，日本的钢结构建筑创始人、东京大学教授佐野利器于1914年发表了《家屋抗震结构论》。首先提出了“抗震结构”的概念，并创造性提出了用“静态”的水平力，代替“动态”的地震力的“度震法”，来进行建筑结构的抗震计算，为现代结构抗震的计算奠定了基础。

1922年，佐野利器的学生内藤多仲，发表的《框架建筑抗震结构论》中，提出用剪

力墙加强结构抗震性能的理论，从而确立了“刚性抗震”理论在日本的主导地位。关东大地震后，1924年，日本首次在世界上规定了建筑结构抗震设计，必须要考虑“水平设计震度”。1951年河角广博士发表《我国地震烈度的分布》，提出按照“地域”与“基础地质构造类别”来规定设计震度。1953年日本在全国设立SMAC 型强震计观测记录地震，同年发表“频谱解析法”，借助地震记录进行抗震设计研究，将日本抗震理论提升了一大步。

20世纪60年代，东京大学教授、结构抗震专家武藤清利用计算机分析地震观测数据，提出了利用建筑结构的柔韧性吸收地震力的、以“振动论”为依据的动态设计方法，即所谓的“柔性抗震结构”理论，并以此理论成功设计了日本第一座超高层建筑“霞关大楼”。

1981年新的“抗震设计法”实施，其特点是规定结构设计，不仅要考虑建筑沿高度分布的“水平剪力系数”和建筑物的“振动周期”，而且还要同时考虑多发性中小地震（地表加速度8-100gal ）发生时的允许应力与大地震（地表加速度300-400gal ）发生时的结构安全性。他彻底改变了过去利用静止的水平力代替地震力的做法，引进了动态的设计理念，要求建筑物在复杂的振动情况下仍然要确保安全。

1998年《建筑基准法》对建筑结构设计理念，从原来的“型式规定型”调整为“性能设计型”。[2]

3.日本建筑结构抗震的技术组成

日本抗震技术经历了上百年的技术积累、发展和创新，形成了一套较为完整的发展道路和技术体系。日本的结构抗震技术体系主要包括结构耐震，结构制震，结构免震，强震观测等。

3.1结构耐震

日本所谓的耐震，顾名思义，就是建筑物自身“忍耐”地震力作用的能力，生动地讲，就是“硬碰硬”，“刚性抗震”。这是日本早期的抗震设计思想，为最普通级别。

3.1.1结构抗震设计方法

1981年6月日本开始实施的新抗震设计法，其最大特点是是采用了考虑结构动力特性的两阶段设计法。基本思想是:1)对于使用年限中遭遇可能性大的地震(地表加速度为80-100ga1)采用许用应力设计法。2)对于使用年限中遭遇可能性很小的地震(地表加速度为300-400ga1)，采用水平保有耐力设计法验算结构的极限承载力。

第一阶段设计中采用的第i 层设计剪力采用下式计算：

∑=i o i t W C A ZR Q i （1）

式中：Z 为地震区域系数，采用建设省公布的值；o C 为标准剪力系数，第一阶段设计取值0.2；t R 为振动特性系数，是考虑结构振动特性以及场地特性的个参数。由以下公式计算:

1 T ＜c T

t R = 1-0.2（T /c T ）2 c T ≤T ＜2c T （2）

1.6c T /T 2c T ＜T

c T 根据场地类别山表1确定。 表1 场地卓越周期

场地类型 Tc/s

第1类 0.4

第2类 0.6

第3类 0.8

由于场地基础仍然有很多待研究的内容，对于类别不清的场地一般保守地定为第3类。

作为第二阶段设计法，对于高度在31m 以上60m 以下的建筑物需要验算结构的保有水平耐力。验算时所需要的保有水平耐力依据下式计算:

udi esi si uni Q F D Q （4）

其中：udi Q :第二阶段设计的层间剪力；si D :结构特性系数。

esi F :考虑偏心和刚性分布不均匀时的形状特性系数。验算保有水平耐力时标准剪力系数o C =1.0。

第二阶段设计法中设定的入力地震波加速度为300-400ga1，对应的建筑物的地震动力反应放大信率为3-4倍。因此建筑物的最大反应加速度为1.0g 。[3] 3.1.2结构抗震加固

为提高建筑物的耐震能力，可以对结构进行加固。现有的加固技术主要是增强结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。如下为在建筑物两个方向增设钢框架。

图3 钢框架的支撑方式

还有增加建筑物延性的加固方法，主要通过CFS 材料或钢板条包裹框架柱，增加框架柱在竖向力作用卜的轴向约束，从而提高其延性性，[4]如图4-6所示。