日本减隔震技术见闻

作者：顾乐明

由于日本的地震很多，所以防灾在日本是一件非常重要的事情。小i去年在日本学习期间，去考察了一些日本减隔震技术。一些见闻和感想跟大家分享一下。

东京工业大学铃悬台校区 J2 J3栋

▲建筑主立面

一般隔震建筑都比较扁平，比如高烈度地区机场类的建筑。这两栋建筑是高层的基础隔震建筑，共20层，高度91.35m。隔震层位于地下室顶板以上，包含了16个橡胶隔震支座、14个金属阻尼器和2个油阻尼器。

▲隔震层模型

因为是高层建筑，在倾覆力矩下角部将出现拉力。这栋建筑在角部使用了能承受一定拉力的隔震支座。角部隔震支座比普通橡胶支座多了底部的限位螺栓，至多可以向上变形20mm。

▲角部隔震支座

隔震层以上的结构，采用了巨型框架支撑体系。支撑外露在墙体立面，小i觉得很有力学的美感。两栋楼分别只有16个和12个钢管混凝土柱，以尽可能确保单根柱下的压重。 

▲隔震沟和活动盖板

两栋建筑之间用水平支撑连在一起。支撑的作用未有明确资料，但小i认为这些支撑是耗能的，在地震时两栋相邻建筑变形不一致，这些支撑可以起到耗能作用。

▲建筑背面

这样的减震方式有专门的名词为“联结制震”，日本有些挨得比较近的高层采用了这样的减震方式。

▲晴海某三栋高层建筑

在靠近海边的东京晴海，有三栋高层在接近顶部位置采用了该种减震方式。由于晴海地区风非常大，应该也起到提高风荷载下楼层舒适度的作用。

▲连接两栋高层的减震装置

具体的设计内容就不展开了，有兴趣的读者可以自行查阅相关文献。2011年3月11日东日本大地震时，正好有人在对面楼拍下了阻尼器的工作画面。

东京工业大学铃悬台校区G3栋

这栋建筑采用的“芯柱-框架”的结构体系，芯柱结构相比普通BRB结构，各层的变形更加均匀。

抵抗水平力的原理如下图所示，墙体下部与基础铰接，两边是框架，墙体与框架之间通过剪切耗能阻尼器连接。在水平力作用下，墙体与框架之间发生集中剪切变形，并通过设置的阻尼器进行耗能。

▲水平作用下耗能示意图

▲G3栋结构示意图

G3栋共设置了6片底部铰接的剪力墙，剪力墙沿纵向施加预应力，底部铰节点如下图所示。V形支撑底部与基础通过齿状卡槽连接，以传递剪力同时保证转动能力。

▲剪力墙底部节点

剪力墙与周边框架柱之间的通过钢板连接，但真正的阻尼器是每隔一定间距设置的。

▲剪切阻尼器

在首层的通道边上，放有做完实验后变形的阻尼器，分别是不同间距加劲肋情况下的剪切阻尼器。有机会到现场的读者可以去看看。

▲不同参数下剪切阻尼器试验后的变形

在剪力墙体的背面，每一层都有一个水平桁架连接剪力墙和楼层。桁架类似于大的抗剪键，起到在剪力墙和框架之间传递水平力的作用，同时确保剪力墙的平面外稳定。

▲水平桁架

对这个体系或建筑有兴趣的读者，可以阅读曲哲博士的论文，见参考文献[3]。

与一位日本的结构工程师讨论为什么该种结构体系没有被推广，他觉得是因为比较占用空间，所以用的不多。小i觉得空间的占用是一方面，但更主要的可能是立面的处理上。由于剪力墙与下部是铰接的，基本上就只能放在外侧，若干片墙体放在外侧，基本上立面就围绕着墙体来设计了。

比如G3栋在剪力墙上刻了名人的话，一下子感觉高级很多。小i作为理工直男觉得非常酷。但涩谷的商业街可能需要的是更精致的幕墙，来吸引处于消费力顶端的女性。

▲剪力墙上刻着的名人名句

东京工业大学大冈山校区 地球生命研究所

▲建筑三维模型

这是一栋三层建筑，矩形平面，面积比较大。首层布置有几片剪力墙，东、西各有两个楼梯间，形成半开放的筒体。楼梯间的剪力墙与楼板脱开，仅通过2、3层的平面内BRB和油阻尼器与框架相连。

▲结构布置三维示意图

二层以上，主要的结构是框架，整体刚度比较弱。核心筒剪力墙相对来说刚度很大。地震时核心筒和框架之间有位移差，从而压缩、拉伸BRB，使其耗能。

▲BRB布置示意图

▲BRB布置实景照片

通过框架间的支撑进行耗能比较有限，因为框架的变形是有限的。当框架变形很大时，支撑可以耗能较多，但同时框架也有一定的破坏了。

而以上这个例子人为创造了一个集中变形的区域，在这个区域布置耗能构件，可以避免耗能（或变形）对结构造成不利的影响。其实很多其他方式也是如此：比如隔震，也是人为创造了一个变形很大的层，在这个层里面进行耗能。比如芯柱-框架结构也是通过剪力墙和框架之间的变形差进行耗能。

对这个建筑再说两点其他的内容。一是它的剪力墙是没有上下对齐的。小i觉得日本工程师把剪力墙当支撑用，特别是层数不高时，剪力墙不对齐也不觉得有问题。

二是混凝土次梁并没有连到主梁上，而是在快到主梁的地方断开了。简支次梁根部剪力最大，但是弯矩最小。所以，只要保证根部剪力够就行了。对于比较长的次梁，设计师在其根部把板加厚了。

▲建筑次梁的布置

知粋馆

▲知粋馆照片

知粋馆由日本构造计划研究所设计，总共三层，质量有明显偏心。是一栋试验性的三维隔震建筑。一般隔震建筑竖向是不隔震的，这栋建筑可以竖向隔震。

隔震层由8组可竖向隔震的隔震支座组成，并配有一定数量的水平阻尼器。

▲知粋馆示隔震支座布置

小i跟着一个同济的考察团一起进入隔震层参观了一下，隔震支座是这样一个装置，如下图所示：最上面还是普通的橡胶隔震垫，负责水平变形。隔震垫搁置在钢转换架（红色）上，转换架下方有若干气枕（蓝色筒体）支撑，地震时竖向变形主要发生在在气枕上部的橡胶段（黑色）。显然气枕无法承担足够的水平力，因此，又设置了限位钢柱（银色），限位钢柱与转换架之间有微小间隙，仅限制转换架的水平变形，不限制竖向变形。

▲角部的隔震支座

除了以上这些，还需要解决竖向隔震情况下，各气枕出力一致性的问题。即需要保证房屋是整体竖向振动，而不会发生倾覆。

这是通过在角部的转换架下部增设油压装置（黄色）实现的。油压装置分为上下两仓，对角线上的两个油压装置，通过油管将自身的下缸与对角线的上缸相连，这样可以保证即使支座上部的荷载是不同的，但这些支座的变形是一样的。这样上面的房子也就不会倾斜了。

▲油压控制原理

这项技术的应用场景是针对竖向隔震要求特别高的建筑，比如博物馆、数据中心、核反应堆等。这个项目建成后经历了3.11东日本大地震，数据显示，竖向加速度可以减少1/3。

感谢构造计划研究所焦凝提供关于三维隔震技术的讲解。

更多内容，可以进入他们公司官网查看。https://struc./works/

清水建設技術研究所 安全安震館

这是一个试验性的顶部隔震结构，建在日本清水建设株式会社技术研究所的门口。

▲安震馆照片

建筑功能层的结构通过拉锁挂在一个钢转换架上，转换架通过一个隔震装置搁置在中心混凝土筒体上。

▲安震馆剖面示意图

隔震装置由一个两面内凹的钢构件组成，上下都放置有隔震垫。在水平地震作用下，核心筒接近地面运动，但转换架及其所吊挂的结构就像浮在水面上一样，基本不受影响。

▲安震馆顶部节点照片

小结

日本由于地震实在是频发，应该是投入了大量的人力和经费进行防灾研究，减隔震的确很先进。这次介绍的几个案例都比较特殊，供大家参考，有兴趣的可以自行查阅相关文献深入学习。

参考资料：

1.    东京工业大学suzukakedai校区J2栋 入口展示厅展板

2.    連結型アクテイブ制振裝置の開発と高層3棟ヘの適用

3.  Pin-supported Walls for Enhancing the Seismic Performance of Building Structures.  Zhe Qu, Akira Wada, Shojiro Motoyui, Hiroyasu Sakata, and Shoichi Kishiki，2012.

4.    コア壁と柔架構を制振部材で連結した低層建物の構造設計 竹内徹 等 2016

5.    https:///sfs21/

6.    https:///engineer/mono/guide/001/011.html

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