日本現(xiàn)代建筑的抗震技術(shù)

日本是個地震多發(fā)的國家，在長期的抗震實踐中，他們在建筑抗震的設(shè)計和技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，值得我們借鑒。

總所周知，地震發(fā)生時，處在曠野的人們只要不被外物砸中，如果沒有遇到滑坡、泥石流、雪崩和海嘯等次生災(zāi)害，那么基本上就是安全的。地震中的遇難者多數(shù)是被各類人工構(gòu)造物（房屋、橋梁、路牌、電線桿等）的損壞或失穩(wěn)害死的。所以地震領(lǐng)域有句俗話：地震不殺人，建筑才殺人。要想知道什么樣的建筑在地震中最安全，可以借鑒日本的建筑設(shè)計的一些方法，因為飽受地震困擾的日本人在和地震的長期對抗中，積累了豐富的經(jīng)驗。

柔性抗震結(jié)構(gòu)

日本對抗震設(shè)計的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。從1922年至20世紀(jì)60年代，“剛性抗震理論”主導(dǎo)了日本的建筑設(shè)計，此時日本的新建建筑大量使用剪力墻，甚至框架結(jié)構(gòu)。但自從20世紀(jì)60年代，計算機(jī)分析法被引入了抗震設(shè)計研究后，“柔性抗震結(jié)構(gòu)”開始逐漸盛行。經(jīng)歷了1994年的9.0級阪神大地震后，日本的抗震設(shè)計又得到了進(jìn)一步提高。日本人發(fā)現(xiàn)，在那次大地震后，一些建筑物雖然變形、歪斜，但至少沒有倒塌;反倒是那些結(jié)構(gòu)堅固的建筑，雖然保持了結(jié)構(gòu)的完整性，卻在地震中整棟倒下。于是日本人從中汲取了教訓(xùn)，通過提取地震視頻和實地勘測，他們發(fā)現(xiàn)地震來襲時，如果建筑物能夠跟隨地表一起擺動，反而更不容易倒塌。有鑒于此，從1996年后，日本建筑開始廣泛采用隔震技術(shù)：建筑商在建筑物底部鋪墊橡膠層或移動承重座作為緩沖裝置，利用建筑物本身的晃動吸收地震能量。

安裝阻尼裝置抗震

在地震中，細(xì)長的高層建筑更容易被地震摧毀。高層建筑的柔性和高度決定了它們的自振頻率較低，如果自振頻率和地震波的振動頻率接近，很容易導(dǎo)致危險的共振。要避免共振，就要在合適的時機(jī)改變建筑的自振頻率。為此，日本研發(fā)出了主動質(zhì)量阻尼器（TMD）和調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器（AMD）等制震技術(shù)。TMD的基本原理是在建筑物中設(shè)置一個大約為建筑1%總質(zhì)量的重錘，地震或風(fēng)吹讓建筑物振動時，振動能量會讓重錘進(jìn)行反向振動，從而減小建筑物的振動幅度。而AME則在TMD的基礎(chǔ)上增加了傳感器和液壓驅(qū)動器/伺服電機(jī)馬達(dá)，利用主動質(zhì)量阻尼為建筑物減小振動幅度，抵消建筑物的形變。有的建筑在頂樓設(shè)有一個大水箱或游泳池，也能起到幫建筑物調(diào)諧的作用。

建筑物從擺動到停止，是一個能量耗散的過程。一些建筑設(shè)計師想到，如果能夠通過某種方法增加建筑物形變的阻尼，加快能量耗散，就能夠減小建筑物的振幅。這種設(shè)計被稱為“被動式制震”。那么，如何才能增加建筑物的阻尼呢？最簡單的方法是在建筑的承重結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器，其中最常見的一種是斜撐阻尼器。它的原理是在承重結(jié)構(gòu)的對角線裝上一根斜撐，斜撐上有一個可以吸收振動能量的減震器，類似山地自行車的減震前又，可以增加結(jié)構(gòu)的形變阻尼。此外，還有一種更特殊的、名為“制震壁”的阻尼設(shè)計。它的原理是在兩片鋼板（或稱阻力板）間填塞高黏度的黏性流體，再把內(nèi)壁鋼板整個浸泡在流體中。在地震來襲時，鋼板在黏性流體中移動能提供一定的阻尼，幫助建筑物消耗震動能，同時也提高了建筑物耐受橫向形變的能力。

建筑的輕量化和新材料的應(yīng)用

日本現(xiàn)代建筑的在抗震上的突破性，更主要體現(xiàn)在新型材料的應(yīng)用上。現(xiàn)代抗震建筑有的采用了能夠在一定形變范圍內(nèi)恢復(fù)形狀的鎳鈦記憶合金，有的采用了比鋼筋混凝土更耐疲勞、抗沖擊的鋼纖維混凝土。纖維聚乙烯醇和水泥的“聯(lián)姻”，誕生了高纖維水泥復(fù)合材料這種既堅固又具有一定延展性的復(fù)合材料。而由熱鍍鋅鋼帶經(jīng)由冷軋技術(shù)制成的輕鋼材料，雖然更輕便，但在復(fù)雜的計算機(jī)受力分析算法的幫助下，能以更經(jīng)濟(jì)的用量承擔(dān)同樣的負(fù)荷。

輕型建筑材料能夠帶來的好處遠(yuǎn)不止這些：質(zhì)輕又強(qiáng)度高的碳纖維布和碳納米管可以在幾乎不增加建筑物質(zhì)量的前提下，大大提高建筑物的強(qiáng)度;充氣混凝土不但能為建筑物減重，材料中密布的微小氣泡還能起到保溫和隔熱作用。這些質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的新材料被大量應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，大大降低了建筑物的總重量。輕量化不但有助于提高建筑物的抗震性，而且即便材料掉落，也能減少對人造成的傷害。

我們目前已經(jīng)掌握了比較先進(jìn)的抗震、防震和隔震技術(shù)，既然如此，為什么許多建筑物在地震面前依然很脆弱呢？其實，要提高建筑物的抗震性，最大的問題是建造成本。一般來說，抗震效果越好的技術(shù)，建造成本就越高。如果在設(shè)計建筑時，只采用抗震效果最好的技術(shù)，那么這樣的建筑造價將高得驚人。對于抗震設(shè)計來說，首要目的是盡量減少災(zāi)難性垮塌，讓結(jié)構(gòu)為內(nèi)部人員逃生爭取到足夠的時間。有些建筑在經(jīng)歷地震后雖然主體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，但如果能做到既沒有垮塌，也沒有整體翻滾，也能算是成功的抗震設(shè)計。