里氏88級(jí)地震中隔減震建筑的調(diào)查與分析

里氏88級(jí)地震中隔減震建筑的調(diào)查與分析

免地震，中文意思是“隔震”。振動(dòng)控制在中國(guó)是“衰減”。本次現(xiàn)場(chǎng)考察了仙臺(tái)地區(qū)部分隔減震建筑物在3月11日日本東北地區(qū)太平洋近海地震中的受災(zāi)情況。1日本結(jié)構(gòu)成因日本是世界公認(rèn)的地震多發(fā)國(guó),每年發(fā)生有感地震1000多次,全球10%的地震均發(fā)生在日本及其周邊地區(qū)。早在1995年1月的兵庫(kù)縣南部地震之后,日本就發(fā)現(xiàn)其在1981年之后按照抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑盡管能夠保證生命安全,但由于受災(zāi)嚴(yán)重,較多的建筑因喪失了相應(yīng)的功能而被停止使用,更有一些不得不進(jìn)行推倒重建;而一些位于震中但采用了隔、減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)則受損相對(duì)較小。地震災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)使日本的政府、科研設(shè)計(jì)單位和使用單位進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到隔、減震技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì),并開(kāi)始大力推廣這項(xiàng)技術(shù)。1.1日本隔震技術(shù)現(xiàn)狀傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)是通過(guò)增大構(gòu)件截面、提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力和變形能力等主要措施來(lái)改善結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。這種方法雖然對(duì)提高結(jié)構(gòu)抵御震災(zāi)的能力發(fā)揮了較大的作用,但也存在結(jié)構(gòu)安全性難以保證、適應(yīng)性受到限制、經(jīng)濟(jì)性欠佳以及震后修復(fù)難度大等一系列的問(wèn)題。因此,近30年來(lái),科研人員對(duì)結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)特別是隔震和減震技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究和應(yīng)用[1―4]。結(jié)構(gòu)減震是通過(guò)在結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置消能減震裝置來(lái)有效地控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng),使得結(jié)構(gòu)在地震作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。它不是采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力,而是通過(guò)設(shè)置消能減震裝置來(lái)控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)響應(yīng),從而有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2009年日本已有近1000座的減振建筑(圖1)。目前,結(jié)構(gòu)減震所采用的阻尼器主要有粘滯流體阻尼器、粘彈性阻尼器、軟鋼阻尼器和約束屈曲支撐等。當(dāng)前,在日本應(yīng)用較多的是粘滯流體阻尼器和約束屈曲支撐阻尼器兩種方法。另外,粘滯阻尼墻、軟鋼阻尼墻和軟鋼耗能柱等其他消能構(gòu)件亦有一定的應(yīng)用,如日本SUT-Building大廈、日建設(shè)計(jì)公司東京大樓等。隔震基本思想是將整個(gè)建筑物或其局部樓層坐落在隔震層上,通過(guò)隔震層的變形來(lái)吸收地震能量,控制上部結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)和隔震部位的變形,從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。隨著人們對(duì)隔震技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高,隔震技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在2006年11月份舉行的第四屆國(guó)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與隔震交流會(huì)舉行期間,與會(huì)學(xué)者對(duì)當(dāng)時(shí)各國(guó)的隔震結(jié)構(gòu)數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖2),可見(jiàn)作為較早利用隔震技術(shù)的國(guó)家之一,日本目前擁有世界上最多的隔震建筑。進(jìn)一步對(duì)日本隔震結(jié)構(gòu)的年增加量(圖3)進(jìn)行分析可見(jiàn),其數(shù)量的爆炸式的增長(zhǎng)是自1995年1月的兵庫(kù)縣南部地震證實(shí)了隔震結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的優(yōu)良表現(xiàn)之后,這其中大部分的隔震建筑為住宅和辦公樓。近年來(lái),日本每年新建隔震建筑穩(wěn)步增加(圖4),截止2009年其隔震建筑的總數(shù)已超過(guò)6000幢,其最高的隔震建筑高度達(dá)到177.4m、高寬比達(dá)到5.8∶1(位于大阪西梅田的一座超高層,地下1層,地上50層)。2地震中的衰減結(jié)構(gòu)2.1結(jié)構(gòu)震后的觀察和分析東北大學(xué)隔震實(shí)驗(yàn)樓(圖5),由清水建設(shè)建造,位于日本仙臺(tái)的東北大學(xué)校內(nèi),建成于1986年。結(jié)構(gòu)為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),建筑面積417.14m2,由兩棟相鄰的具有相同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的建筑組成,一棟采用橡膠隔震墊隔震,一棟采用普通抗震體系。此次311地震中,兩棟建筑均未受到嚴(yán)重的破損,但是震后的觀察(圖6)發(fā)現(xiàn),非隔震結(jié)構(gòu)的墻上明顯出現(xiàn)一些裂縫,而隔震結(jié)構(gòu)則未出現(xiàn)任何裂縫[7―9]。在該建筑中及其周?chē)贾昧艘恍┘铀俣葴y(cè)點(diǎn),此次地震所獲得的結(jié)果如圖7和圖8所示,可以發(fā)現(xiàn):隔震結(jié)構(gòu)頂部的加速度峰值相對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)減小了一半左右,設(shè)置隔震支座有效地降低了結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng);并且隔震結(jié)構(gòu)的頂部加速度與其底部加速度接近,而非隔震結(jié)構(gòu)頂部加速度相對(duì)其底部加速度放大了兩倍多,說(shuō)明隔震結(jié)構(gòu)層間位移較小,且隔震結(jié)構(gòu)保持一種整體平動(dòng)的狀態(tài),提高了室內(nèi)舒適度,降低了由于裝潢、家具等附屬內(nèi)飾破壞造成的額外傷害。圖9給出了結(jié)構(gòu)y向地震響應(yīng)的時(shí)域和頻域分析圖,比較發(fā)現(xiàn),隔震結(jié)構(gòu)頂部的加速度峰值及其反應(yīng)譜比率均較大,說(shuō)明了采用隔震措施能夠有效地降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。同時(shí),由圖10隔震層在各個(gè)方向的最大位移均為超過(guò)12cm,未達(dá)到破壞最大位移,震后的檢查亦發(fā)現(xiàn)隔震支座基本保持完好。2.2阻尼器的試驗(yàn)研究東北工業(yè)大學(xué)10號(hào)館(圖11),位于仙臺(tái)東北大學(xué)校園內(nèi),建成于2003年3月。占地637m2,總面積4240m2,地下一層,地上8層。地下室采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上部采用鋼結(jié)構(gòu),考慮地震作用的影響,采用了油阻尼器進(jìn)行地震響應(yīng)控制。阻尼器布置如圖12(a)所示,在平面基本保持剛度對(duì)稱(chēng),采用倒人字形支撐進(jìn)行阻尼器的安裝(圖12(b)),阻尼器的具體構(gòu)造如圖12(c)所示,此處采用了限位裝置以保證阻尼器失效時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。在該結(jié)構(gòu)初步建造完成,尚未進(jìn)行室內(nèi)外裝修的情況下(圖13(a)),對(duì)其開(kāi)展了起震機(jī)(圖13(b))加震試驗(yàn)。圖14(a)和圖14(b)分別給出了結(jié)構(gòu)在起震彎矩為0.3kN·m時(shí),頂層加速度響應(yīng)隨加載頻率變化的共振曲線(xiàn),結(jié)果表明在共振頻率情況下,減振結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)的響應(yīng)峰值降低了約25%~50%,阻尼器能夠有效的降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。圖14(c)給出了加載頻率為5.85Hz,起震彎矩為0.3kN·m時(shí),8層長(zhǎng)邊方向某阻尼器的滯回曲線(xiàn),可見(jiàn)該阻尼器滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn),耗能效果良好。通過(guò)預(yù)先設(shè)置的一些傳感裝置,在這次地震中,亦得到了該建筑的一些地震響應(yīng)(表1)。從所得的加速度峰值響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)看,在3月9日較小的地震作用下,阻尼器發(fā)揮的作用相對(duì)4月7日較大地震時(shí)要小。進(jìn)一步對(duì)其時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域內(nèi)的傅里葉反應(yīng)譜比的分析(圖15)發(fā)現(xiàn),4月7日地震到來(lái)后結(jié)構(gòu)特征周期變?nèi)?。在震后的現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn),盡管阻尼器在地震來(lái)臨時(shí)發(fā)揮了其應(yīng)有的作用,但部分阻尼器及其節(jié)點(diǎn)在地震作用下發(fā)生破壞(圖16),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體變?nèi)?減震效果降低。2.3隔震措施的使用仙臺(tái)森大廈(圖17),1997年3月動(dòng)工興建,1999年3月竣工,為日本最早的超過(guò)60m的高層隔震建筑。地下2層,地上18層,塔高2層,檐高74.19m,最高處84.19m,成雙軸對(duì)稱(chēng)的矩形平面形狀,長(zhǎng)邊向47.13m,短邊向41.17m。主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),1層是商場(chǎng),2層~18層為辦公樓。該結(jié)構(gòu)隔震層設(shè)置于首層和地下室之間,共使用了36個(gè)隔震支座(圖18(a))。其中直徑1000mm(RB1100)的疊層橡膠支座(圖18(b))20個(gè),布置于隔震層四周;直徑1200mm(RB1200)的疊層橡膠支座6個(gè),在隔震層兩邊和中間各布置兩個(gè);在中間軸力較大位置布置了10個(gè)直徑1300mm(SLD1300)的彈性滑移支座(圖18(c))。設(shè)計(jì)時(shí)確?；浦ё谠O(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng),但在強(qiáng)震來(lái)襲時(shí)發(fā)生滑移,橡膠支座提供一定的剛度,同時(shí)采用阻尼器來(lái)消耗能量,控制隔震層的位移。采用了隔震后結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)比隔震前降低約20%,隔震支座受拉分析時(shí),考慮了水平地震作用和豎向地震作用的共同作用,大震時(shí),產(chǎn)生的隔震支座拉應(yīng)力僅為0.13MPa,在隔震支座允許的彈性受拉范圍之內(nèi)。該結(jié)構(gòu)還在隔震層設(shè)置了地震位移記錄儀器(圖19(a)),用于觀測(cè)地震發(fā)生時(shí),隔震層的相對(duì)位移。該記錄儀在2003年準(zhǔn)確地記錄了5月26日宮城縣發(fā)生地震時(shí)隔震層的位移(圖19(b)),向人們展示了隔震用于高層建筑中的有效性。同時(shí),還有一些局部的隔震構(gòu)造措施,如柔性管道、隔震溝(蓋板)等(圖20)亦是確保隔震建筑在地震中發(fā)揮作用的重要措施。2.4分散板內(nèi)冷并壓且以混凝土結(jié)構(gòu)顯色,見(jiàn)表1這里介紹兩棟公共住宅樓在此次地震中的表現(xiàn)。一棟是仙臺(tái)某住宅樓(圖21(a)),該住宅位于日本仙臺(tái),采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)。在地震后,23樓放置于桌面的葡萄酒未倒(圖21(b)),說(shuō)明結(jié)構(gòu)在地震整體晃動(dòng)較小,舒適度較高。另一棟住宅(圖22)位于江東區(qū),地面12層,上部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用基礎(chǔ)隔震,隔震層采用了鉛芯橡膠支座、天然橡膠支座、摩擦阻尼器和油阻尼器共同組成。該結(jié)構(gòu)在隔震層底部、1層樓面和12層樓面設(shè)置了加速度監(jiān)測(cè)裝置(圖23(a)),在此次地震中得到的數(shù)據(jù)(圖23(b))顯示,隔震系統(tǒng)在此次地震中隔離了傳往上部結(jié)構(gòu)的地震能量,保護(hù)了上部主體結(jié)構(gòu)不受損害。3日本隔、震技術(shù)在大震后設(shè)計(jì)的體會(huì)現(xiàn)場(chǎng)考察了仙臺(tái)地區(qū)在3月11日日本東北地區(qū)太平洋近海地震中的地震災(zāi)害情況,重點(diǎn)對(duì)隔、減震建筑在此次里氏8.8級(jí)大地震中的表現(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研。學(xué)習(xí)了日本近20年來(lái)在隔、減震結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)等方面的寶貴經(jīng)驗(yàn),關(guān)注了隔、減震結(jié)構(gòu)在此次百年一遇的大地震中的表現(xiàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、搜集資料、學(xué)習(xí)研究,可得到以下主要結(jié)論和體會(huì):(1)隔、減震技術(shù)對(duì)提高建筑物的抗震能力具有重要作用。日本采用隔、減震技術(shù)的建筑物在設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)等方面所采取的一些方法和措施值得我們學(xué)習(xí),同時(shí),他們?cè)诖舜蔚卣鹬兴@得的一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)亦值得我們借鑒。(2)隔震技術(shù)可以用于較柔的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)。高層建筑的特征周期往往超過(guò)3s,隔震后其特征周期達(dá)到5s以上,研究表明,高層建筑采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)可有效地提高其在大震下的安全性和使用性。隔震設(shè)計(jì)時(shí)需考慮隔震裝置的抗拉性能、上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能和在風(fēng)荷載作用下隔震層的變形。(3)隔、減震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造