3·11大地震中減隔震裝置的破壞及性能探討

謝麗宇 郝霖霏 張瑞甫，3 唐和生 薛松濤，4，*

(1．同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092;2．東北大學(xué)建筑系，日本仙臺(tái)980-8579;3．東北大學(xué)災(zāi)害科學(xué)國(guó)際研究所，日本仙臺(tái)980-8579;4．東北工業(yè)大學(xué)建筑系，日本仙臺(tái)982-8577)

1 引言

建筑減隔震技術(shù)在日本的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，在應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害方面已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)同樣是世界上遭受地震災(zāi)害最頻繁和最嚴(yán)重的國(guó)家之一，目前我國(guó)已經(jīng)是世界上擁有高層、超高層建筑最多的國(guó)家。無論是從既有建筑的抗震加固還是從新建筑的抗震設(shè)計(jì)出發(fā)，減隔震技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，在此背景下了解和借鑒日本減隔震技術(shù)的現(xiàn)狀和經(jīng)驗(yàn)很有必要。

在2011年發(fā)生的東日本大地震中，大量減隔震建筑都經(jīng)受了強(qiáng)烈地震的實(shí)際考驗(yàn)。本文將通過多個(gè)案例，介紹各類減隔震建筑在本次地震中的表現(xiàn)，以資借鑒。同時(shí)，本次地震也暴露出目前減隔震技術(shù)中存在的一些問題，本文將通過案例加以介紹，希望這些問題可以引起讀者對(duì)減隔震技術(shù)的進(jìn)一步思考。最后，本文將基于日本減隔震建筑在東日本大地震中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，闡述作者對(duì)減隔震技術(shù)及建筑抗震設(shè)計(jì)的一些看法，希望能起到拋磚引玉的作用。

2 減隔震建筑在東日本大地震中的表現(xiàn)

這里選取了多個(gè)在東日本大地震中經(jīng)受考驗(yàn)的減隔震建筑案例進(jìn)行介紹，包括利用減隔震技術(shù)加固過的學(xué)校建筑和高層住宅，采用減隔震技術(shù)新建的高層、超高層建筑，以及出于對(duì)比試驗(yàn)為目的建造的兩棟相鄰且上部結(jié)構(gòu)完全相同的混凝土框架建筑。通過案例的介紹和分析，可以發(fā)現(xiàn)減隔震技術(shù)在這些建筑上的應(yīng)用都收到了良好的效果。

2．1 使用摩擦阻尼器加固既有建筑物的實(shí)測(cè)性能

為了檢驗(yàn)?zāi)Σ磷枘崞鲗?duì)既有學(xué)校建筑的加固效果，研究者們對(duì)兩棟采用摩擦阻尼器加固的RC學(xué)校建筑在東日本大地震中的表現(xiàn)進(jìn)行了考察和分析［1］。

案例一:宮城縣大崎市S小學(xué)是一棟地上三層、塔樓一層的鋼筋混凝土(RC)建筑物，建筑面積2 872 m2。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊方向?yàn)?榀跨度9 m的框架，短邊方向?yàn)楹袅Φ腞C框架。建筑于1968年竣工，2007年對(duì)該建筑進(jìn)行了加固，在結(jié)構(gòu)縱向加裝了附加摩擦阻尼器的鋼支撐。本次地震中學(xué)校所在地區(qū)觀測(cè)到的震度為5．4級(jí)(日本地震震度分為7級(jí)，中國(guó)地震烈度分為12級(jí))。

根據(jù)震后對(duì)此建筑的調(diào)查，本建筑在這次地震中主體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)損傷，鋼支撐也沒有受到損傷。只在摩擦阻尼器活動(dòng)部位的邊緣處觀察到涂料剝落，由此推測(cè)摩擦阻尼器支撐在地震中可能出現(xiàn)了1～2 mm的位移。附加的摩擦阻尼器支撐，只有當(dāng)?shù)卣鹆Τ^摩擦阻尼器產(chǎn)生滑動(dòng)所需要的荷載時(shí)，摩擦阻尼器才能發(fā)揮作用。由于該建筑所在區(qū)域本次地震的強(qiáng)度小于阻尼器的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，阻尼器未進(jìn)入工作狀態(tài)，相當(dāng)于阻尼器支撐提高了結(jié)構(gòu)初始剛度。

案例二:千葉縣市川市I小學(xué)同樣采用摩擦阻尼器進(jìn)行了抗震加固。摩擦阻尼器支撐只設(shè)置在建筑的縱向，而在此之前，通過加強(qiáng)鋼筋混凝土剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向進(jìn)行了抗震加固。這次地震本地區(qū)的觀測(cè)震度為4．9級(jí)。該建筑的底部和頂部裝有地震動(dòng)傳感器，測(cè)量結(jié)果顯示建筑底部的最大加速度為233 gal，頂部為280 gal。

在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方向均安裝了傳感器，在東日本大地震及其前后兩次余震中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)如圖1所示。縱向的摩擦阻尼器基本沒有滑動(dòng)，相當(dāng)于支撐，結(jié)構(gòu)在縱向的固有周期在這三次地震中基本不變。而在短邊方向未設(shè)置摩擦阻尼器，結(jié)構(gòu)在本次地震中受到損傷，其在東日本大地震及其后余震中的固有周期均長(zhǎng)于受損前的固有周期。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，摩擦阻尼器對(duì)于抑制結(jié)構(gòu)損傷起到了關(guān)鍵作用。

圖1 結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的加速度譜放大率［1］Fig．1 Amplification of acceleration spectrum in two directions

2．2 使用位移增大減震裝置加固的高層建筑的性能表現(xiàn)

東日本大地震中位于震中的仙臺(tái)市觀測(cè)到的最大震度為6度。由于本地區(qū)發(fā)生地震的概率很高，因此本次地震之前市內(nèi)大量抗震性能較差的建筑進(jìn)行了抗震加固。本例建筑［2］采用了由鋼柱和型鋼混凝土梁組成的外附支架以及位移增效(放大層間位移的裝置)黏滯阻尼器裝置進(jìn)行了加固，外附框架和阻尼器的布置如圖2所示。

圖2 外附框架和位移增大阻尼器的布置［2］Fig．2 Arrangement of attached frame and toggle-brace-damper

圖3 柱表面產(chǎn)生的局部裂縫［2］Fig．3 Local cracks on the surface of column

圖4 墻表面產(chǎn)生的裂縫［2］Fig．4 Local cracks on the surface of wall

震后實(shí)地調(diào)查了此建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、加固構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況。對(duì)于加固前的鋼筋混凝土構(gòu)件，僅在局部出現(xiàn)了0．2 mm以下的裂縫，如圖3所示。這樣的損傷程度符合日本抗震鑒定規(guī)范中無須修復(fù)可以繼續(xù)使用的標(biāo)準(zhǔn)。另外如圖4所示，雖然墻面觀察到有剪切裂縫出現(xiàn)，但由于墻和結(jié)構(gòu)柱之間做了隔斷處理，裂縫并未向柱中發(fā)展。作為加固構(gòu)件的鋼柱外部設(shè)有耐火材料，無法進(jìn)行直接觀察。但根據(jù)耐火材料沒有出現(xiàn)損傷的事實(shí)推測(cè)，鋼柱沒有產(chǎn)生大的變形和損傷。在型鋼混凝土梁上也沒有觀察到損傷。外附框架與原結(jié)構(gòu)的結(jié)合部也沒有出現(xiàn)裂縫或滑移，說明二者較好地協(xié)同工作。作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的窗間墻的損傷如圖5所示，頂層和底層的墻體損傷輕微，中間層的墻體損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)了典型的剪切裂縫。根據(jù)裂縫的寬度可以推測(cè)結(jié)構(gòu)層的層間位移。通過觀察黏滯阻尼器作動(dòng)后潤(rùn)滑油留下的痕跡推算了阻尼器作動(dòng)時(shí)的最大位移，并與根據(jù)窗間墻裂縫寬度推算的層間位移做了比較，如圖6所示。

圖5 窗間墻產(chǎn)生的裂縫［2］Fig．5 Cracks on the walls between windows

圖6 阻尼器作動(dòng)位移與窗間墻裂縫寬度推算的層間位移［2］Fig．6 Displacement of damper and story drift calculated from width of cracks on the walls between windows

通過數(shù)值解析推測(cè)了該建筑在本次地震中的位移響應(yīng)狀態(tài)。建立了非線性三維框架模型，考慮了加固和未加固兩種情況，輸入當(dāng)?shù)赜^測(cè)到的地震波進(jìn)行時(shí)程分析。如圖7所示，未加固結(jié)構(gòu)的層間變形角集中于結(jié)構(gòu)上部，且超過了日本規(guī)范規(guī)定的層間變形角限值。加固后結(jié)構(gòu)上部的層間位移角顯著降低，雖然由于剛度變化造成的荷載重新分配導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的層間位移角有所增大，但整體上各層的層間位移角均小于日本設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的限值，因此主體結(jié)構(gòu)在地震中并沒有出現(xiàn)損傷。最大層間位移角比不加固的情況降低了30%左右，這說明了抗震加固的有效性。同時(shí)，層間位移角的分布與通過窗間墻裂縫寬度推算的結(jié)果有相同的分布趨勢(shì)。

圖7 數(shù)值解析結(jié)果與窗間墻裂縫寬度推算的層間位移［2］Fig．7 Results of numerical analysis and story drift calculated from width of cracks on the walls between windows

2．3 東京市內(nèi)同一地區(qū)減隔震高層建筑群在東日本大地震中的響應(yīng)記錄分析

為了更準(zhǔn)確地把握建筑大震下的實(shí)際響應(yīng)狀態(tài)，從而提高結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測(cè)精度。東京工業(yè)大學(xué)的笠井和彥等［3－5］利用從東京六本木鄰近地區(qū)的6棟減隔震建筑上采集到的東日本大地震的結(jié)構(gòu)響應(yīng)記錄，結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)、阻尼特性及減隔震裝置產(chǎn)生的效果進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

如圖8所示位于六本木附近的這6棟減隔震建筑物分別為一棟9層的商用建筑，一棟18層的住宅建筑，一棟21層的酒店建筑，一棟29層的住宅建筑，一棟43層的商住兩用建筑及一棟54層的含有寫字樓、商鋪和美術(shù)館的大體量建筑。除9層的住宅建筑竣工于2002年外，其他建筑均建成于2003年。6棟建筑的減隔震裝置、結(jié)構(gòu)形式、高度等基本信息如表1所示。

圖8 六棟減隔震建筑外觀Fig．8 Appearance of six buildings with seismic control and isolation system

表1 六棟減隔震建筑的基本信息［3］Table 1 Basic information of six buildings with seismic control and isolation system

其中，結(jié)構(gòu)形式包括型鋼混凝土(SRC)、鋼筋混凝土(RC)、鋼管混凝土(CFT)、鋼板混凝土(SC)、鋼結(jié)構(gòu)(S)等。屋頂花園質(zhì)量阻尼器是指利用占建筑總質(zhì)量約8%、重3 650 t的屋頂花園，通過天然疊層橡膠墊與主體結(jié)構(gòu)連接，并設(shè)置黏滯阻尼器，從而形成調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。

為了分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，采用了兩種方法。方法一是利用布置于結(jié)構(gòu)底層和不同高度的加速度計(jì)測(cè)量到的加速度記錄，生成激勵(lì)和響應(yīng)加速度譜，并用曲線擬合出傳遞函數(shù)，再進(jìn)一步求出結(jié)構(gòu)的固有周期、阻尼系數(shù)和振型參與系數(shù)。在此基礎(chǔ)上再根據(jù)地面加速度譜利用振型組合的方法得到結(jié)構(gòu)各觀測(cè)高度加速度和位移。通過與觀測(cè)得到的加速度和位移分布進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證結(jié)果的正確性。方法二是建立包括減隔震系統(tǒng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)多質(zhì)點(diǎn)模型，通過調(diào)整阻尼系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)與觀測(cè)結(jié)果一致，從而得到接近實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型。方法一通過隔減震系統(tǒng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果，間接地考慮了隔減震系統(tǒng)的影響，并把系統(tǒng)附加阻尼的影響計(jì)入到結(jié)構(gòu)本身的等效阻尼中。方法二通過在解析模型中附加隔減震系統(tǒng)，直接考慮了阻尼系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。兩種方法具有相互對(duì)比驗(yàn)證的作用。

結(jié)構(gòu)在地震中實(shí)測(cè)的加速度和根據(jù)加速度譜確定的固有周期如表2所示。

表2 六棟減隔震建筑的地震觀測(cè)結(jié)果［3］Table 2 Results of seismic observation on six buildings with seismic control and isolation system

圖9為利用方法一得到的9層減震建筑物主體結(jié)構(gòu)頂部的相對(duì)位移和絕對(duì)加速度與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，其中相對(duì)位移由實(shí)測(cè)加速度二次積分得到?？梢钥吹椒椒ㄒ坏玫降慕Y(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合很好。

圖9 9層減震建筑的地震響應(yīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算(方法一)［3］Fig．9 Observed and calculated seismic response of 9-story seismic control building(Method 1)

圖10 為方法一得到的各觀測(cè)高度的最大相對(duì)位移和最大絕對(duì)加速度分布，根據(jù)觀測(cè)加速度譜計(jì)算得到的一階固有周期所對(duì)應(yīng)的阻尼比達(dá)到了20%以上，可見屋頂花園質(zhì)量阻尼器(GMD)顯著增加了結(jié)構(gòu)的阻尼。未加設(shè)阻尼器的結(jié)構(gòu)阻尼比為1%，從圖中可以看出阻尼器大大降低了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。圖11為利用方法二得到的GMD阻尼器頂部的相對(duì)位移和絕對(duì)加速度時(shí)程與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。方法二得到的結(jié)果同樣與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖10 9層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法一)［3］Fig．10 Comparison of distribution of seismic response of 9-story building(Method 1)

圖12 為方法二得到的各觀測(cè)高度的最大相對(duì)位移和最大絕對(duì)加速度分布，從圖中可以看出設(shè)置GMD的情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)降低了50%左右。對(duì)兩棟18層和29層的隔震建筑也采用前述的兩種方法進(jìn)行了地震響應(yīng)的分析，通過與實(shí)測(cè)值的對(duì)比驗(yàn)證了方法的有效性。

圖13和圖14為用方法一得到的兩棟建筑物的最大相對(duì)位移和最大絕對(duì)加速度的分布對(duì)比?？梢钥吹?8層建筑設(shè)置隔震裝置后最大相對(duì)位移和最大絕對(duì)加速度響應(yīng)降低了50%左右，29層建筑設(shè)置隔震裝置后最大相對(duì)位移響應(yīng)降低了40%，最大絕對(duì)加速度響應(yīng)降低了30%。

圖11 9層減震建筑的地震響應(yīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算(方法二)［3］Fig．11 Observed and calculated seismic response of 9-story seismic control building(Method 2)

圖12 9層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法二)［3］Fig．12 Comparison of distribution of seismic response of 9-story building(Method 2)

圖13 18層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法一)［4］Fig．13 Comparison of distribution of seismic response of 18-story building(Method 1)

圖14 29層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法一)［4］Fig．14 Comparison of distribution of seismic response of 29-story building(Method 1)

21層的減震建筑底層沒有安裝加速度計(jì)，對(duì)在相鄰的9層減震建筑物底部得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，近似估計(jì)了該建筑底層的加速度時(shí)程。圖15為該建筑X方向通過換算得到的底層加速度時(shí)程和塔樓處實(shí)測(cè)的頂層加速度時(shí)程。X方向的底層、頂層加速度分別為84 gal和470 gal，Y方向分別為56 gal和317 gal。兩個(gè)方向的地震動(dòng)都被放大了5倍以上。其原因是應(yīng)用在該建筑上的低屈服鋼減震墻在地震加速度小于100 gal時(shí)未能屈服，無法消耗地震能量。減震裝置在該棟建筑上沒有發(fā)揮耗能效果，只是附加了剛度。

圖15 21層建筑物X方向的實(shí)測(cè)加速度時(shí)程［5］Fig．15 Observed acceleration history on X direction of 21-story building

43層減震建筑頂部的相對(duì)位移和絕對(duì)加速度時(shí)程如圖16所示，從圖中可以看出，250 s附近由長(zhǎng)周期成分造成的位移響應(yīng)要大于120 s附近由地震動(dòng)卓越周期成分造成的位移響應(yīng)。如圖17所示為方法一得到的相對(duì)位移與絕對(duì)加速度的最大響應(yīng)分布，與非減震結(jié)構(gòu)(阻尼系數(shù)設(shè)為1%)相比，減震建筑的位移和加速度響應(yīng)降低了50%。

圖16 43層減震建筑的地震響應(yīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算(方法一)［5］Fig．16 Observed and calculated seismic response of 43-story seismic control building(Method 1)

圖17 43層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法一)［5］Fig．17 Comparison of distribution of seismic response of 43-story building(Method 1)

54層減震建筑是高269 m的超高層建筑，高階振型影響顯著，故考慮了其前五階振型。如圖18所示為分別考慮三階和五階振型時(shí)方法一得到的頂部加速度部分時(shí)程，可以看到，考慮五階振型后計(jì)算結(jié)果的精度有很大的提高。如圖19所示為方法一得到的相對(duì)位移和絕對(duì)加速度的最大值分布，與非減震結(jié)構(gòu)(阻尼系數(shù)設(shè)為1%)相比，減震建筑的最大相對(duì)位移和絕對(duì)加速度響應(yīng)降低了30%。

綜上所述，對(duì)6棟減隔震建筑物在東日本大地震中的響應(yīng)進(jìn)行了觀測(cè)。采用振型組合和多質(zhì)點(diǎn)模型解析兩種方法進(jìn)行了模擬分析。除裝有低屈服點(diǎn)鋼減震墻裝置的21層建筑物沒有產(chǎn)生減震效果外，其他各棟建筑物的減隔震裝置都表現(xiàn)出了良好的效果，地震位移和加速度響應(yīng)的下降幅度均在30%以上。對(duì)于43層與54層的超高層建筑，長(zhǎng)周期和高階振型成分的影響很顯著。

圖18 54層減震建筑的加速度時(shí)程計(jì)算(方法一)［5］Fig．18 Calculation of acceleration history of 54-story seismic control building(Method 1)

圖19 54層建筑物地震響應(yīng)分布的比較(方法一)［5］Fig．19 Comparison of distribution of seismic response of 54-story building(Method 1)

2．4 東北大學(xué)隔震實(shí)驗(yàn)樓隔震效果實(shí)測(cè)

為了準(zhǔn)確了解隔震技術(shù)降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的效果，日本清水建設(shè)和東北大學(xué)于1984年在東北大學(xué)校園內(nèi)合作建造了相鄰的兩棟上部結(jié)構(gòu)完全相同的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，即圖20中所示的隔震實(shí)驗(yàn)樓。其中，右側(cè)的一棟為隔震建筑，使用了6個(gè)高阻尼橡膠支座;左側(cè)的一棟為非隔震結(jié)構(gòu)。兩棟建筑的建筑面積均為180 m2，每層6 m ×10 m，高度均為9．9 m，每層3．3 m。清水建設(shè)同東北大學(xué)對(duì)這兩棟隔震實(shí)驗(yàn)建筑在東日本大地震中的響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究［6］。

圖20 隔震實(shí)驗(yàn)樓外觀Fig．20 Appearance of seismic isolation test building

震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如圖21所示，非隔震結(jié)構(gòu)的墻體出現(xiàn)了裂縫，而隔震建筑無論是隔震裝置還是上部結(jié)構(gòu)都沒有出現(xiàn)損傷。由此可見隔震系統(tǒng)有效地減小了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)并抑制了結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)。

隔震裝置能夠減小地震損傷的原因是因?yàn)楦粽鹧b置大大降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。從圖22中可以看到布置在建筑隔震層、一層、頂層，以及布置在建筑周圍地面(GL－1M)和地下(GL－24M，GL－27M)的加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量各方向的加速度峰值數(shù)據(jù)。從圖中的數(shù)據(jù)可以看到，在X方向，地震中隔震建筑頂層的峰值加速度是隔震層的1．14倍，是一層的0．95倍。在Y方向，隔震建筑頂層的峰值加速度是隔震層的1．01倍，是一層的1．11倍。與之相比，非隔震建筑的頂層峰值加速度是一層的2．15倍，地震力被放大了兩倍左右。由此可見，隔震系統(tǒng)顯著地減小了上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。如圖23所示為各測(cè)點(diǎn)位置X方向和Y方向的加速度譜?？梢钥吹椒歉粽鸾ㄖ募铀俣软憫?yīng)卓越周期與地震動(dòng)的卓越周期很接近，而隔震建筑的響應(yīng)卓越周期長(zhǎng)于地震動(dòng)的卓越周期，這使得隔震建筑的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于非隔震建筑。以上數(shù)據(jù)說明隔震系統(tǒng)在本次地震中有效地發(fā)揮了減震作用。

圖21 非隔震結(jié)構(gòu)墻面出現(xiàn)的裂縫和隔震結(jié)構(gòu)的外觀Fig．21 Cracks on the wall of structure without seismic isolation and appearance of structure with seismic isolation

圖22 加速度傳感器布置和實(shí)測(cè)加速度峰值［6］Fig．22 Arrangement of acceleration sensor and peak values observed

圖23 各測(cè)點(diǎn)X和Y方向的加速度譜［6］Fig．23 Acceleration spectrum of different observation points in X and Y direction

但在另一方面，從圖22中還會(huì)發(fā)現(xiàn)，隔震建筑隔震層的Z方向最大加速度為242．5 gal，而一層的Z方向最大加速度為279．8 gal，放大了1．15倍。與之相比，非隔震建筑一層Z方向的最大加速度為249．2 gal。另外，在日本神戶地區(qū)也曾經(jīng)觀察到隔震系統(tǒng)將Z方向的地震加速度放大到110%的情況。因此在Z方向地振動(dòng)顯著的直下型地震可能出現(xiàn)的地區(qū)，隔震系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)該慎重。

3 對(duì)減隔震建筑的思考

對(duì)以上案例的介紹和分析表明，目前對(duì)于減隔震系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)中的使用效果已經(jīng)有了比較充分的認(rèn)識(shí)。在本次東日本大地震中，減隔震建筑的表現(xiàn)可以說十分卓越，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些意想不到的問題。日本隔震協(xié)會(huì)(JSSI)在地震后對(duì)減隔震建筑進(jìn)行的震害調(diào)查表明，15%的隔震結(jié)構(gòu)在隔震設(shè)備上出現(xiàn)了問題，其中共有5棟隔震建筑的鉛芯隔震墊上出現(xiàn)了裂縫［7］。在對(duì)阻尼器的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，速度型和非速度型阻尼器均出現(xiàn)了損傷現(xiàn)象。有5棟建筑中的用于固定金屬位移型阻尼器的高強(qiáng)螺栓發(fā)生了松動(dòng)，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)仙臺(tái)一棟建筑的速度型油阻尼器在本次大地震中發(fā)生了破壞［8］。這都說明，對(duì)于阻尼器在其自身極限狀態(tài)下和結(jié)構(gòu)非線性狀態(tài)下的性能仍需要進(jìn)一步研究。接下來將對(duì)東日本大地震中出現(xiàn)的減隔震系統(tǒng)因?yàn)榈卣饟p傷和破壞導(dǎo)致性能下降和失效的案例進(jìn)行介紹。

本建筑是位于日本仙臺(tái)東北工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的一棟鋼結(jié)構(gòu)行政樓。如圖24所示，在每層的兩個(gè)方向上共安裝了8個(gè)油阻尼器(第一層和第二層構(gòu)成底部大空間，阻尼器安裝在第一層)。3·11地震造成一層的8個(gè)油阻尼器完全破壞;位于三、四層的油阻尼器雖沒有損傷，但油液發(fā)生了泄漏，不能再提供阻尼恢復(fù)力。這是關(guān)于阻尼器在地震中破壞失效的首例報(bào)告。

從以上的案例可以看出，本次地震出現(xiàn)了減隔震裝置由于損傷和破壞造成性能下降和失效的情況。因此，對(duì)于減隔震裝置性能退化和極限狀態(tài)的研究非常有必要。

4 結(jié)論

2011年的東日本大地震給災(zāi)區(qū)帶來巨大的破壞，本文通過對(duì)多個(gè)案例的介紹和分析得出以下結(jié)論:

(1)在本次東日本大地震中，安裝在各類建筑中的絕大多數(shù)減隔震裝置都充分發(fā)揮了減震效果，達(dá)到了減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)和防止結(jié)構(gòu)損傷的目的。日本在減隔震技術(shù)方面的實(shí)踐是相當(dāng)成功的。

(2)震后調(diào)查中同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些目前減隔震裝置設(shè)計(jì)存在的問題，包括超出極限狀態(tài)而導(dǎo)致失效，出現(xiàn)損傷和殘余變形等情況，小中震情況下沒有發(fā)揮耗能作用。這對(duì)減隔震裝置的性能研究和性能設(shè)計(jì)，以及減隔震建筑整體的抗震性能設(shè)計(jì)都提出了新的問題。

圖24 日本東北工業(yè)大學(xué)的油阻尼器鋼結(jié)構(gòu)［8］Fig．24 Steel structure with oil dampers in Tohoku Institute of Technology

(3)隨著減隔震高層建筑的不斷涌現(xiàn)，減隔震系統(tǒng)已成為支撐高層建筑結(jié)構(gòu)性能的重要部分。然而，目前在我國(guó)的規(guī)范以及世界范圍的研究中都沒有考慮減隔震系統(tǒng)的性能退化和失效問題。盡管減隔震建筑在我國(guó)已經(jīng)有二十多年的應(yīng)用歷史，卻非常缺乏此類建筑在極端災(zāi)害下的實(shí)際記錄，更沒有開展過對(duì)減隔震系統(tǒng)損傷和極限性能的研究。再加上結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，國(guó)際上也未見有此方面的系統(tǒng)性研究，換言之，這方面的研究還落后于發(fā)展的需要。

因此，研究減隔震建筑在極端荷載作用下的損傷、破壞機(jī)理，進(jìn)而發(fā)展包括建筑本身及減隔震系統(tǒng)在內(nèi)的，損傷可控的，基于性能的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法，是確保高層建筑結(jié)構(gòu)安全，有效控制自然災(zāi)害造成的損失，保障城市、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要和緊迫內(nèi)容。

致謝 日本東京工業(yè)大學(xué)的笠井和彥教授為本文提供了珍貴的數(shù)據(jù)和資料，特表感謝。

［1］ 北嶋圭二，波田雅也，大家貴徳．摩擦ダンパーによる制震補(bǔ)強(qiáng)建物の被災(zāi)狀況と強(qiáng)震観測(cè)記録について［C］．日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，東海，2012:57－60．Kitajima K，Namita M，Takanori O．Earthquake damage and strong motion records of building retrofitted by friction damper［C］．Conference of Architectural Institute of Japan，Tokai，2012:57-60．(in Japanese)

［2］ 高瀬裕也，池田隆明，鈴木武志，等．増幅機(jī)構(gòu)付制震裝置で耐震補(bǔ)強(qiáng)された10階建高層住宅建築物の補(bǔ)強(qiáng)効果に関する考察［J］．日本建築學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告集，2012，39(18):535-540．Takase Y，Ikeda T，Suzumura T，et al．Consideration of seismic retrofitting effect of 10-story residential building retrofitted using damping system with amplifier mechanism［J］．AIJ Journal of Technology，2012，39(18):535-540．(in Japanese)

［3］ 茶谷友輔，笠井和彥，土橋徹，等．東京同地區(qū)內(nèi)にある先端構(gòu)造建物群の東日本大震災(zāi)における応答記録の分析．その1，全體概要およびグリーンマスダンパーをもつ制震建物の場(chǎng)合［C］．日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，札幌，2013:603-604．Chaya Y，Kasai K，Tsuchihashi T，et al．Analysis of response records from advanced protected buildings in a district of Tokyo Shaken by the 2011 Tohoku Earthquake．Part 1，general overview and a case of building with green mass damper［C］．Conference of Architectural Institute of Japan，Sapporo，2013:603-604．(in Japanese)

［4］ 長(zhǎng)谷川圭太，笠井和彥，土橋徹，等．東京同地區(qū)內(nèi)にある先端構(gòu)造建物群の東日本大震災(zāi)における応答記録の分析．その2，2棟の免震建物の場(chǎng)合［C］．日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，札幌:2013:605-606．Hasegawa K，Kasai K，Tsuchihashi T，et al．Analysis of response records from advanced protected buildings in a district of Tokyo shaken by the 2011 Tohoku Earthquake．part 2，two cases of base isolated build-ings［C］．Conference of Architectural Institute of Japan，Sapporo，2013:605-606．(in Japanese)

［5］ 土橋徹，笠井和彥，茶谷友輔，等．東京同地區(qū)內(nèi)にある先端構(gòu)造建物群の東日本大震災(zāi)における応答記録の分析．その3，3棟の制震建物の場(chǎng)合［C］．日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，札幌，2013:607-608．Tsuchihashi T，Kasai K，Chaya Y，et al．Analysis of response records from advanced protected buildings in a district of Tokyo shaken by the 2011 Tohoku Earthquake．part 3，three cases of response controlled buildings［C］．Conference of Architectural Institute of Japan，Sapporo，2013:607-608．(in Japanese)

［6］ Nakamura Y，Hanzawa T，Hasebe M，et al．Report on the effects of seismic isolation methods from the 2011 Tohoku-pacific Earthquake［J］．The Journal of the Anti-seismic Systems International Society(ASSISI)，2011，1(2)．(in Japanese)

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［8］ Cao M，Tang H，F(xiàn)unaki N，et al．Study on a real 8F steel building with oil damper damaged during the 2011 Great East Japan Earthquake［C］．15th World Conference on Earthquake Engineering，Lisbon，Portugal，2012．