日本建筑物抗震技術(shù)研究

蔣中華

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000)

發(fā)生在2008年5月12日的四川汶川特大地震，震級為里氏8.0 級。此次地震造成超過35 萬人受傷，給國家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也給人民造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和心理陰影。而反觀2011年3月11日發(fā)生在日本福島附近的東日本大地震，震級為里氏9.0 級，此次地震造成近3 000 名人員失蹤。發(fā)生在2011年的東日本大地震死亡人數(shù)高于1995年的阪神大地震，之所以會(huì)出現(xiàn)如此之多的傷亡，主要是因?yàn)榈卣鹨鹆撕[，將沿海附近的房屋沖毀，從而造成了大量的人員傷亡。需要指出的是，通過震后日本航空自衛(wèi)隊(duì)的航拍圖顯示，除被海嘯沖毀的房屋以外，絕大多數(shù)房屋并沒有因地震發(fā)生連續(xù)倒塌。作為民用建筑設(shè)計(jì)師，必須考慮結(jié)構(gòu)的抗震要求，在民用建筑的抗震技術(shù)方面，作者認(rèn)為很有必要向日本學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)。通過學(xué)習(xí)日本先進(jìn)的抗震技術(shù)并與中國的實(shí)際國情相結(jié)合，作者相信中國的抗震技術(shù)一定會(huì)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

1 結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)

1.1 柔性抗震技術(shù)

在1995年發(fā)生阪神地震以前，日本在設(shè)計(jì)民用建筑時(shí)，首先考慮的問題便是讓房屋變得更結(jié)實(shí)，在地震發(fā)生時(shí)，民用建筑不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。在施工時(shí)，將上層建筑與地基基礎(chǔ)用鋼筋混凝土連接在一起，使上層建筑與地基基礎(chǔ)成為一個(gè)整體，即為剛性抗震。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:建筑物抗震能力比較強(qiáng)，可以保證建筑物的完整性，是日本早期的民用建筑物抗震措施，在1995年發(fā)生的阪神大地震，該技術(shù)的缺點(diǎn)是顯而易見的。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)震時(shí)，建筑物雖然可以保證完好無損，但是由于地震的作用，室內(nèi)的家具會(huì)發(fā)生傾倒，室內(nèi)物品會(huì)摔壞而且人員傷亡也較大。同時(shí)會(huì)發(fā)生許多次生災(zāi)害，如發(fā)生火災(zāi)、斷水、斷電從而影響居民的正常生活。

在20 世紀(jì)80年代后期，日本的技術(shù)人員提出了一種新的抗震技術(shù)——柔性抗震。在施工時(shí)，將上層建筑與地基基礎(chǔ)之間使用柔性材料連接在一起，用柔性材料制成隔震層，從過去的剛性抗震轉(zhuǎn)為柔性抗震。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，建筑物可以保證完好無損，同時(shí)室內(nèi)的家具也不會(huì)傾倒，從而降低了人員的傷亡，也降低了次生災(zāi)害發(fā)生的概率，大大的降低了災(zāi)后重建的困難。通過技術(shù)人員不斷的研究，該技術(shù)已經(jīng)在日本得到了廣泛的應(yīng)用。

20 世紀(jì)90年代初，部分設(shè)計(jì)師已經(jīng)把柔性抗震技術(shù)運(yùn)用到工程實(shí)際之中，在1995年的阪神大地震中，證明了柔性抗震技術(shù)的優(yōu)越性。90年代初建成的大阪商業(yè)中心，地上12 層，地下3 層，高度近40 m，建筑面積為45 000 m2。隔震層設(shè)置在地基基礎(chǔ)與地下3 層之間，是當(dāng)時(shí)日本最大的隔震建筑物。在1995年發(fā)生的阪神大地震之中，設(shè)置在頂樓、一樓與地基基礎(chǔ)表面的數(shù)據(jù)記錄儀顯示:建筑物頂部的最大加速度只有基礎(chǔ)的1/5～1/4，數(shù)據(jù)記錄儀顯示地面加速度為49.2 cm/s2，而建筑物頂部的最大加速度卻只有10.2 cm/s2。建筑物表面并沒有出現(xiàn)損壞的痕跡，柔性抗震的效果得到了證實(shí)，此后柔性抗震在日本得到了大規(guī)模的推廣與應(yīng)用。

柔性抗震的特點(diǎn):1)柔性材料耐久性比較好，可以抵抗周期性的荷載作用，且物理性質(zhì)穩(wěn)定。2)上層建筑物抗震效果明顯，應(yīng)用柔性抗震的建筑物的加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用剛性抗震的建筑物，且實(shí)測加速度值與軟件模擬值相比誤差較小。3)柔性材料可以減緩地基不均勻沉降對上層建筑的影響。4)柔性材料的承載力較高，柔性材料的設(shè)計(jì)值約為50 MPa，極限抗壓強(qiáng)度在80 MPa，使柔性抗震技術(shù)可以在高層建筑與超高層建筑中得以應(yīng)用。5)該技術(shù)成本較低，且技術(shù)可靠，施工方便，適用于絕大多數(shù)民用建筑與工業(yè)建筑。

1.2 抗震加固技術(shù)

傳統(tǒng)的加固技術(shù)如在施工階段，設(shè)置構(gòu)造柱，圈梁。而該技術(shù)卻僅僅局限于新建的建筑物，對于原有建筑物，施工難度過大，且成本較大，不適合大規(guī)模推廣。

為使原有的建筑物達(dá)到現(xiàn)有抗震標(biāo)準(zhǔn)，日本的設(shè)計(jì)師發(fā)明了一種類似碳纖維布的樹脂材料，樹脂纖維布將原有建筑物的梁與柱的節(jié)點(diǎn)以及剪力墻進(jìn)行包裹，且包裹層數(shù)一般為3 層，而柱身則根據(jù)實(shí)際情況，可以包裹1 層～2 層，對非承重墻，包裹1 層即可。施工時(shí)，將樹脂纖維涂上特制膠水，包裹后固定在需要加固的剪力墻、柱身、梁端、梁柱節(jié)點(diǎn)處以及非承重墻表面。

當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，由于樹脂纖維布的約束作用，即使建筑物承重構(gòu)件出現(xiàn)內(nèi)部損傷，建筑物也不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。這種加固措施不僅可以保護(hù)室內(nèi)的家具，供水，供氣，供電以及人們生活的必要設(shè)施不會(huì)受到較大的影響，減少次生災(zāi)害發(fā)生的概率，且可以保護(hù)室內(nèi)人員不受到傷害。

與原有抗震加固技術(shù)相比，該技術(shù)可以降低施工難度、節(jié)約工期以及降低成本。如日本某施工企業(yè)對位于北海道的函館一座建于20 世紀(jì)70年代的居民住宅樓進(jìn)行抗震加固。該樓房高24 m，一共8 層，每層有6 戶居民。如果采用傳統(tǒng)的加固措施，工程量十分巨大，對樓層內(nèi)的居民生活有較大的影響，根據(jù)施工技術(shù)人員的計(jì)算，按照傳統(tǒng)技術(shù)對該樓層進(jìn)行加固，工期大約為2年的時(shí)間，而工程預(yù)算約為5 億日元。而使用樹脂纖維布加固，可以大大降低工程預(yù)算，根據(jù)相關(guān)人員的技術(shù)，該工程的預(yù)算不超過2 000 萬日元，而且還可以大大縮短工期以及降低施工難度。每戶居民住宅的施工工期大約只需要3 d 的時(shí)間即可完成，而整幢居民樓的施工工期不超過半年，在施工的過程中并不影響居民的正常生活。

使用樹脂纖維布進(jìn)行抗震加固的優(yōu)點(diǎn):1)相比傳統(tǒng)加固技術(shù)，該技術(shù)大大簡化了施工的難度，進(jìn)一步優(yōu)化了施工工藝，從而提高施工質(zhì)量。2)該技術(shù)適用范圍廣泛，不僅適用于學(xué)校、商場、醫(yī)院、居民住宅樓這樣的民用建筑，而且還適用于橋梁工程，如連接九州與四國的跨海大橋，為了提高橋梁的抗震能力，在橋墩與橋梁表面包裹了數(shù)層樹脂纖維布。

2 工程材料的選擇

日本設(shè)計(jì)師對土木工程材料的選擇也很有講究。比如在歐洲，人們可以看見很多以磚石為主要建筑材料的建筑，譬如德國的勃蘭登堡門，法國的凱旋門等一系列建筑，其主要的承載構(gòu)件的材料都為砌體結(jié)構(gòu)。而在中國，同樣有為數(shù)不少的砌體結(jié)構(gòu)，比如中國北方農(nóng)村的一層小平房，以及20 世紀(jì)80年代以前建造的居民住宅樓。隨著1923年的關(guān)東大地震之后，日本的設(shè)計(jì)師在選材時(shí)已經(jīng)放棄砌體結(jié)構(gòu)建筑，主要選擇木結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑。

2.1 木結(jié)構(gòu)建筑

由于木材具有良好的塑性性能，單位體積質(zhì)量輕，所以木結(jié)構(gòu)的建筑具有良好的抗震性能。即使是現(xiàn)在的日本，木結(jié)構(gòu)的房屋也被大量的應(yīng)用。為了提高木結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力，日本的設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)房屋時(shí)通常采用箱形設(shè)計(jì)，使整個(gè)房屋變?yōu)橐粋€(gè)有機(jī)的整體。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，房屋作為一個(gè)整體進(jìn)行晃動(dòng)，在晃動(dòng)的過程之中，木材吸收了大量的地震能，所以房屋不會(huì)發(fā)生倒塌。同時(shí)專業(yè)技術(shù)人員會(huì)對木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行定期檢查，以測定房屋的抗震等級。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑

早在日本明治維新時(shí)期，日本在長崎創(chuàng)辦了日本第一座鋼鐵廠，到了20 世紀(jì)末，日本建設(shè)了第一座現(xiàn)代化的八幡鋼鐵廠。并在1894年，日本就建造了鋼結(jié)構(gòu)建筑，日本的研究人員在研究鋼結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域已經(jīng)超過了100年。第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，為日本鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，鋼鐵行業(yè)紛紛從軍事工業(yè)轉(zhuǎn)化為民用商品，鋼鐵行業(yè)開始大量的生產(chǎn)冷軋薄鋼板以及輕質(zhì)型鋼。同時(shí)過去為國防工業(yè)服務(wù)的設(shè)計(jì)師紛紛轉(zhuǎn)入民用建筑領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在技術(shù)與產(chǎn)品方面為發(fā)展產(chǎn)業(yè)化的鋼結(jié)構(gòu)住宅奠定了良好的基礎(chǔ)。1955年，日本成立了輕鋼建筑協(xié)會(huì)，它對日本鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的發(fā)展起到了重要的作用。

通過100 多年鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，如今，在日本的建筑中，使用鋼結(jié)構(gòu)的建筑物占總比例的70%，而木結(jié)構(gòu)的建筑則占總比例的20%左右，而使用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)卻不足10%。

3 結(jié)語

發(fā)生在2011年3月初的東日本大地震，并由地震引發(fā)海嘯，造成了大量的人員傷亡。但在如此嚴(yán)重災(zāi)害之后，除位于海濱附近的房屋被海嘯沖毀，即使位于震中附近的房屋依舊屹立不倒，讓世人對日本的抗震技術(shù)又新添了幾分敬佩之意。

我國也是一個(gè)地震頻發(fā)國家，可以學(xué)習(xí)日本先進(jìn)的抗震技術(shù)。在我國的云南，四川，河北等地震頻發(fā)區(qū)域，在房屋設(shè)計(jì)階段，不僅要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)以及編寫抗震計(jì)算書，還要和日本一樣編寫一本詳細(xì)的抗震報(bào)告書。在建筑結(jié)構(gòu)選擇方面，可以多考慮抗震性良好的材料，如鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)。

通過學(xué)習(xí)日本先進(jìn)的技術(shù)，并與我國實(shí)際國情相結(jié)合，必定能制定出適合我國的抗震措施。即便遇上像汶川地震以及唐山地震這樣的特大地震，也不會(huì)給我國經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失以及大量的人員傷亡。

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