日本建筑物抗震技術研究

蔣中華

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232000)

發生在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濟損失，同時也給人民造成了巨大的財產損失和心理陰影。而反觀2011年3月11日發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。發生在2011年的東日本大地震死亡人數高于1995年的阪神大地震，之所以會出現如此之多的傷亡，主要是因為地震引起了海嘯，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隊的航拍圖顯示，除被海嘯沖毀的房屋以外，絕大多數房屋并沒有因地震發生連續倒塌。作為民用建筑設計師，必須考慮結構的抗震要求，在民用建筑的抗震技術方面，作者認為很有必要向日本學習先進的技術。通過學習日本先進的抗震技術并與中國的實際國情相結合，作者相信中國的抗震技術一定會達到世界先進水平。

1 結構抗震技術

1.1 柔性抗震技術

在1995年發生阪神地震以前，日本在設計民用建筑時，首先考慮的問題便是讓房屋變得更結實，在地震發生時，民用建筑不會發生連續倒塌。在施工時，將上層建筑與地基基礎用鋼筋混凝土連接在一起，使上層建筑與地基基礎成為一個整體，即為剛性抗震。該技術的優點是:建筑物抗震能力比較強，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年發生的阪神大地震，該技術的缺點是顯而易見的。當發生強震時，建筑物雖然可以保證完好無損，但是由于地震的作用，室內的家具會發生傾倒，室內物品會摔壞而且人員傷亡也較大。同時會發生許多次生災害，如發生火災、斷水、斷電從而影響居民的正常生活。

在20 世紀80年代后期，日本的技術人員提出了一種新的抗震技術——柔性抗震。在施工時，將上層建筑與地基基礎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為柔性抗震。當發生地震時，建筑物可以保證完好無損，同時室內的家具也不會傾倒，從而降低了人員的傷亡，也降低了次生災害發生的概率，大大的降低了災后重建的困難。通過技術人員不斷的研究，該技術已經在日本得到了廣泛的應用。

20 世紀90年代初，部分設計師已經把柔性抗震技術運用到工程實際之中，在1995年的阪神大地震中，證明了柔性抗震技術的優越性。90年代初建成的大阪商業中心，地上12 層，地下3 層，高度近40 m，建筑面積為45 000 m2。隔震層設置在地基基礎與地下3 層之間，是當時日本最大的隔震建筑物。在1995年發生的阪神大地震之中，設置在頂樓、一樓與地基基礎表面的數據記錄儀顯示:建筑物頂部的最大加速度只有基礎的1/5～1/4，數據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損壞的痕跡，柔性抗震的效果得到了證實，此后柔性抗震在日本得到了大規模的推廣與應用。

柔性抗震的特點:1)柔性材料耐久性比較好，可以抵抗周期性的荷載作用，且物理性質穩定。2)上層建筑物抗震效果明顯，應用柔性抗震的建筑物的加速度遠遠低于使用剛性抗震的建筑物，且實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，柔性材料的設計值約為50 MPa，極限抗壓強度在80 MPa，使柔性抗震技術可以在高層建筑與超高層建筑中得以應用。5)該技術成本較低，且技術可靠，施工方便，適用于絕大多數民用建筑與工業建筑。

1.2 抗震加固技術

傳統的加固技術如在施工階段，設置構造柱，圈梁。而該技術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，不適合大規模推廣。

為使原有的建筑物達到現有抗震標準，日本的設計師發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點以及剪力墻進行包裹，且包裹層數一般為3 層，而柱身則根據實際情況，可以包裹1 層～2 層，對非承重墻，包裹1 層即可。施工時，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、梁柱節點處以及非承重墻表面。

當發生地震時，由于樹脂纖維布的約束作用，即使建筑物承重構件出現內部損傷，建筑物也不會發生連續倒塌。這種加固措施不僅可以保護室內的家具，供水，供氣，供電以及人們生活的必要設施不會受到較大的影響，減少次生災害發生的概率，且可以保護室內人員不受到傷害。

與原有抗震加固技術相比，該技術可以降低施工難度、節約工期以及降低成本。如日本某施工企業對位于北海道的函館一座建于20 世紀70年代的居民住宅樓進行抗震加固。該樓房高24 m，一共8 層，每層有6 戶居民。如果采用傳統的加固措施，工程量十分巨大，對樓層內的居民生活有較大的影響，根據施工技術人員的計算，按照傳統技術對該樓層進行加固，工期大約為2年的時間，而工程預算約為5 億日元。而使用樹脂纖維布加固，可以大大降低工程預算，根據相關人員的技術，該工程的預算不超過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。

使用樹脂纖維布進行抗震加固的優點:1)相比傳統加固技術，該技術大大簡化了施工的難度，進一步優化了施工工藝，從而提高施工質量。2)該技術適用范圍廣泛，不僅適用于學校、商場、醫院、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層樹脂纖維布。

2 工程材料的選擇

日本設計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，其主要的承載構件的材料都為砌體結構。而在中國，同樣有為數不少的砌體結構，比如中國北方農村的一層小平房，以及20 世紀80年代以前建造的居民住宅樓。隨著1923年的關東大地震之后，日本的設計師在選材時已經放棄砌體結構建筑，主要選擇木結構建筑、鋼結構建筑。

2.1 木結構建筑

由于木材具有良好的塑性性能，單位體積質量輕，所以木結構的建筑具有良好的抗震性能。即使是現在的日本，木結構的房屋也被大量的應用。為了提高木結構建筑的抗震能力，日本的設計師在設計房屋時通常采用箱形設計，使整個房屋變為一個有機的整體。當地震發生時，房屋作為一個整體進行晃動，在晃動的過程之中，木材吸收了大量的地震能，所以房屋不會發生倒塌。同時專業技術人員會對木結構房屋進行定期檢查，以測定房屋的抗震等級。

2.2 鋼結構建筑

早在日本明治維新時期，日本在長崎創辦了日本第一座鋼鐵廠，到了20 世紀末，日本建設了第一座現代化的八幡鋼鐵廠。并在1894年，日本就建造了鋼結構建筑，日本的研究人員在研究鋼結構的領域已經超過了100年。第二次世界大戰的結束，為日本鋼結構的發展注入了新的動力，鋼鐵行業紛紛從軍事工業轉化為民用商品，鋼鐵行業開始大量的生產冷軋薄鋼板以及輕質型鋼。同時過去為國防工業服務的設計師紛紛轉入民用建筑領域的設計。通過產業結構的調整，在技術與產品方面為發展產業化的鋼結構住宅奠定了良好的基礎。1955年，日本成立了輕鋼建筑協會，它對日本鋼結構住宅的產業化以及相關技術規范的發展起到了重要的作用。

通過100 多年鋼結構建筑的發展，如今，在日本的建筑中，使用鋼結構的建筑物占總比例的70%，而木結構的建筑則占總比例的20%左右，而使用鋼筋混凝土的結構卻不足10%。

3 結語

發生在2011年3月初的東日本大地震，并由地震引發海嘯，造成了大量的人員傷亡。但在如此嚴重災害之后，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又新添了幾分敬佩之意。

我國也是一個地震頻發國家，可以學習日本先進的抗震技術。在我國的云南，四川，河北等地震頻發區域，在房屋設計階段，不僅要進行抗震設計以及編寫抗震計算書，還要和日本一樣編寫一本詳細的抗震報告書。在建筑結構選擇方面，可以多考慮抗震性良好的材料，如鋼結構與木結構。

通過學習日本先進的技術，并與我國實際國情相結合，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，也不會給我國經濟造成巨大的損失以及大量的人員傷亡。

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