日本超高层建筑结构抗震新技术的发展现状及思考

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1、日本超高层建筑结构抗震新技术的发展现状及思考崔鸿超（上海中巍结构设计事务所有限公司，上海 200135） 【摘要】近半个多世纪以来，世界各地地震频发，相应的抗震技术也得到了长足发展。近几十年来，我国的结构抗震理论及相关国家标准的制订也逐步完善。保证了建筑物的抗震安全，但抗震理论及技术方面仍有待提高的地方。频发的大地震给日本带来灾难的同时，也促成日本抗震技术的迅速提高。介绍了日本抗震技术的发展及其最新抗震技术在高层建筑中的运用，希望对我国高层建筑抗震技术的发展有所借鉴。关键词：地震；抗震技术；减震；隔震；阻尼器作者简介：崔鸿超，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，Email：chnmaje

2、@163.com。 1、 日本抗震设计发展的过程及现状在1923年关东7.9级大地震发生的第二年，城市建造法增加了水平震度为0.1的规定，同时对木结构、混凝土结构和钢结构增加了相应的构造要求，强化了在水平地震作用下结构刚度及强度的保证。1950年，日本提出与短期容许应力强度相适应的水平震度（当时日本抗震设计采用水平震度法，其中“水平震度”相当于后来标准的地震力系数）在16m以下为0.2，16m以上建筑高度每增加4m震度增加0.01，建筑限高为31m。1964年突破了31m之后又集中建造了50层左右的新宿高层建筑群，这是在经济大发展而抗震设计理论不完备情况下的实践。1978年宫城県冲大地震之

3、后，于1981年公布了新抗震设计法[1]，提出抗震设计二阶段目标，新抗震设计法主要有：1）加强了结构构造规定；2）承载力计算时，在水准一地震作用下，构件强度不得超过短期容许应力强度；3）强化了层间位移角的限值规定；4）提出结构平面偏心率及楼层的抗侧刚度比限值规定；5）在世界上首次提出了水准二罕遇地震下的弹塑性设计要求。提出在水准二，大震作用下结构极限状态的承载力计算，即保有水平耐力计算，以保证大震作用下结构的安全。采用分阶段进行设计：第一次设计是承载力计算；第二次设计是层间位移、刚度、偏心率及保有耐力的计算，并在确定地震作用中考虑了结构的延性。1981年的新抗震设计法是20世纪日本结构抗震

4、技术发展的重新起草，此后建造的建筑，在1995年兵库県南部7.3级地震中损害较少。兵库県南部地震之后，正逢日本经济危机，大规模建设停滞，震后的需要使抗震诊断补强技术有了很大提高。同时日本对抗震结构的理论及技术进行了大量的研究，理论上提出了基于能量平衡原理的损伤控制设计法，研制并完善了隔震及减震技术。2000年日本政府公布了隔震设计的告示，在仍然执行以抗震设计为主导的建筑基准法的同时，实际上已经开始按新的抗震结构理论及技术大量建造高层建筑（需由包含私人公司在内的审查机构审查，并取得国土交通省大臣认证）。近十年来，组合构件及高强度钢材、混凝土在工程中的运用进一步提高了高层建筑的建造水平。有日本

5、资深专家认为，由20世纪初到现今，日本关于结构抗震技术的发展经历四次“刚”、“柔”之争，“刚”和“柔”并非通常理解的周期长短和侧向刚度大小的狭义概念，“刚”是指在近半个多世纪中，一直占主导的抗震设计的基本思路，即满足重力荷载的结构再附加上对地震作用的抵抗能力，需要加大结构的刚度及强度来实现，也就是在确定了水平震度为0.1之后（关东大地震后），强化以“刚性结构”作为设计目标；“柔”主要是指将提高建筑物吸收能量的能力，作为建筑结构必备条件，使其基本强度和为吸收能量所需的变形能力均得到保证，但利用承受重力荷载的结构骨架来确保结构所需的强度和能量吸收能力显然是不合理，而隔震减震技术是解脱承重结构的

6、负担，实现抗震结构的合理化目标的体现[2]。如今，“柔”的设计理念逐步成为日本高层建筑抗震设计的主流。2011年3月11日发生的9.0级东日本大地震中，不仅在震中附近的仙台而且在较远的东京、名古屋和大阪等大城市的超高层建筑也发生了大振幅和长时间的摇动，地震动持续时间300s左右，超高层长周期结构则可能出现了以前没有预想到的共振问题。地震学家预测不久日本的东海及东南海会发生大地震，担心长周期、长时间的地震动将会将巨大的地震能量从震中传播到很远的地方，而大城市的超高层建筑设计时并没考虑长周期地震动，超高层建筑受到长时间、大幅度的摇摆可能导致其结构体或非结构体与设备受损。目前日本已对长周期地震动

7、的应对方法进行了大量的研究，尤其是对现有超高层建筑受长周期地震动时的加固对策，例如设置新的减震器可使建筑物减小变形，但新设的减震器对现有结构（柱、梁、基础）产生反力，为此，正在研究采用新型的对既有结构不产生影响的减震器。20世纪以来，以每次大地震为契机，日本的结构抗震理论及技术在每个阶段均得到不断的发展，并在实践中得到应用且取得较好的效果。以下将介绍近年来日本最新抗震与减震技术的应用实例。2 、超高层建筑建造中新技术的运