[科普中國(guó)]-抗震結(jié)構(gòu)如何守護(hù)日本高層建筑？

作為地震多發(fā)的國(guó)家之一，日本從古至今在建筑設(shè)計(jì)方面煞費(fèi)苦心，通過(guò)諸多抵抗強(qiáng)烈地震的手段，保證了設(shè)施安全。當(dāng)然，大自然的力量是可怕的，目前來(lái)說(shuō)，無(wú)論我們?nèi)祟愑卸嗤陚涞姆烙胧?，?zāi)禍仍然可能以摧拉枯朽的方式傷害我們。古代我們面對(duì)自然界壓倒性的力量，時(shí)常無(wú)何奈何，遇到疾病或天災(zāi)，古人只能依靠祭祀來(lái)祈求平安。

圖1 模擬阪神大地震震中的房屋內(nèi)部晃動(dòng)情況

如今，我們依賴掌握的自然規(guī)律和科學(xué)技術(shù)，可以在很大程度上避免一些破壞力較輕的災(zāi)禍。然而，在一些較強(qiáng)烈的地球活動(dòng)，比如火山噴發(fā)，海嘯以及地震中，我們?nèi)匀幻媾R較大的威脅。

地震和火山活動(dòng)多發(fā)的日本無(wú)疑是防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)最領(lǐng)先的國(guó)家。自古以來(lái)的生存危機(jī)激勵(lì)島國(guó)人民絞盡腦汁，拿出很多優(yōu)秀的防災(zāi)建筑設(shè)計(jì)。技術(shù)更新的今天，日本的新建筑在應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害方面有哪些巧妙的方法，可以被世界其他國(guó)家借鑒呢？今天，給大家簡(jiǎn)單介紹幾種日本房屋的減震結(jié)構(gòu)。

2011年日本“3.11”大型地震及海嘯發(fā)生時(shí)，距離福島僅300公里的東京震級(jí)也在7級(jí)以上，然而地震在東京市區(qū)內(nèi)造成的死亡人數(shù)僅僅為7人。很難想象這種情況能出現(xiàn)在人口密度如此高的城市中，其中的原因之一就是其堅(jiān)固的城市建筑設(shè)計(jì)。

圖2 各地觀測(cè)到海嘯高度

過(guò)去我們一直強(qiáng)調(diào)房子越堅(jiān)固越好，建筑材料越堅(jiān)硬，整體結(jié)構(gòu)才能更堅(jiān)固?！澳驼鸾Y(jié)構(gòu)”是傳統(tǒng)建筑技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。

所謂“耐震結(jié)構(gòu)”是將墻壁和承重柱強(qiáng)化，再加入強(qiáng)度補(bǔ)充材料形成堅(jiān)固的建筑物。毋庸置疑，材料和結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固，整體建筑就越牢固。木制房子肯定沒(méi)有鋼鐵結(jié)構(gòu)更結(jié)實(shí)。然而，隨著文明進(jìn)步和科技發(fā)展，我們知道了以柔克剛的道理，學(xué)會(huì)了借力打力，因此又發(fā)明了新的建筑技術(shù)：免震技術(shù)和制震技術(shù)。

圖 3 制震和免震的構(gòu)造示意

**“免震結(jié)構(gòu)”**的原理很簡(jiǎn)單，一句話說(shuō)就是“你震我不震”。其實(shí)現(xiàn)原理一般是在地面和建筑物之間加入橡膠彈性墊或摩擦滑動(dòng)承重座等，把震動(dòng)的地面隔開(kāi)，降低振動(dòng)強(qiáng)度，就如同在房子底下加了一個(gè)大彈簧。

實(shí)際建筑設(shè)計(jì)上，是在地面和建筑物之間加上吸收振動(dòng)，如，高層建筑的底部安裝橡膠彈性墊或摩擦滑動(dòng)承重座。

圖4 多層免震橡膠彈性墊

這種彈性墊可以將整個(gè)建筑物與地面分離，如同在建筑物底部安裝了一個(gè)大大的彈簧，可以預(yù)想該結(jié)構(gòu)對(duì)地震帶來(lái)的沖擊有很大的緩沖效果。

圖5 免震層施工狀況

這種結(jié)構(gòu)在日本比較普遍，而且應(yīng)用得比較早，因此日本多數(shù)建筑物都會(huì)用這種免震結(jié)構(gòu)作為地基設(shè)計(jì)的基本方法。

而**“制震結(jié)構(gòu)”**一般是在建筑物的壁面或承重柱上附著振動(dòng)減輕裝置，控制建筑物的搖晃。實(shí)際上，很多世界知名高層建筑都應(yīng)用了這種方法來(lái)抵御地面振動(dòng)或者強(qiáng)風(fēng)。

圖6 三種抗震房屋結(jié)構(gòu)的直觀演示

DUOX**（有源雙減震器減震系統(tǒng)）**

首先，介紹一個(gè)比較知名的制震技術(shù)——DUOX（有源雙減震器減震系統(tǒng)），實(shí)際上它是TMD（調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器）和AMD（主動(dòng)質(zhì)量阻尼器）技術(shù)的組合應(yīng)用。

TMD系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)簡(jiǎn)單例子就是**運(yùn)用鐘擺原理控制振動(dòng)。**在建筑物中吊一個(gè)擺錘裝置，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，建筑物產(chǎn)生晃動(dòng)的趨向，也會(huì)引起擺錘的擺動(dòng)，而擺錘會(huì)以相反的方向擺動(dòng)，建筑物總是被拉回原來(lái)的方向。

比如臺(tái)北101摩天大樓為了應(yīng)對(duì)因高空強(qiáng)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)吹拂造成的搖晃，在大樓的88至92樓間設(shè)置了TMD。該TMD系統(tǒng)掛置一個(gè)重達(dá)660公噸的巨大鋼球，利用擺動(dòng)來(lái)減緩建筑物的晃動(dòng)幅度。這也是全世界唯一開(kāi)放游客觀賞的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。

圖7 臺(tái)北101大樓中的調(diào)質(zhì)阻尼器

最開(kāi)始TMD是建筑公司主要采用的抗震技術(shù)。

而**AMD通過(guò)傳感器感知振動(dòng)的頻率、幅度等，把信號(hào)傳遞給執(zhí)行器，執(zhí)行器對(duì)抗質(zhì)量塊而把慣性控制力施加給振動(dòng)體，實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)的功能。**世界上第一個(gè)安裝AMD，控制地震和強(qiáng)風(fēng)的是日本的Kyobashi Siewa鋼結(jié)構(gòu)建筑（33m）。

圖 8 調(diào)諧質(zhì)量阻尼和主動(dòng)質(zhì)量阻尼

而DUOX另外增加了TMD（調(diào)諧質(zhì)量阻尼）和AMD（主動(dòng)質(zhì)量阻尼）的組合系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合TMD和AMD技術(shù)而建設(shè)的日本建筑是位于東京都港區(qū)的Shiodome Media Tower（172m）。

圖9 Kyobashi Siewa【左】和Shiodome Media Tower【右】

HIDAX-R**(**流動(dòng)阻力抵抗振動(dòng))

日本鹿島會(huì)社于1995年開(kāi)發(fā)出了振動(dòng)吸收阻尼HiDAM，我們先來(lái)看一下早期的HiDAM是如何工作的。

當(dāng)建筑物產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，建筑物的梁和支架產(chǎn)生位移差，使得活塞移動(dòng)。活塞上有可以打開(kāi)的連接孔，液壓油可以通過(guò)連接孔在左右油室之間移動(dòng)。連接孔中設(shè)有調(diào)節(jié)閥，利用通過(guò)孔口的油的流體阻力達(dá)到減震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama （209m） 就是采用了這種抗震技術(shù)。

圖 10 HiDAM

圖11 使用HiDAM 的The Kitahama

2015年開(kāi)發(fā)出的新型振動(dòng)吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX 的基礎(chǔ)上研發(fā)的，抗振性能達(dá)到前者的4倍以上。與HiDAM相比，HiDAX是一種可以控制流量的油阻尼器。性能要優(yōu)于HiDAM。而HiDAX-R是世界上首個(gè)搭載振動(dòng)能量再生系統(tǒng)VERS的新型制震阻尼器，也是首次將汽車制動(dòng)控制原理應(yīng)用到建筑物的設(shè)計(jì)中。可以臨時(shí)儲(chǔ)存因地震等引起的振動(dòng)能量，提高抗震效率。

圖12 HiDAX-R

由于該技術(shù)開(kāi)發(fā)于2015年，目前尚未應(yīng)用于實(shí)際建筑中。HiDAX則已應(yīng)用于2003年竣工的位于東京的Roppongi Hills Mori Tower （238m）中。

圖13 Roppongi Hills Mori Tower 【東京】

DFS （雙框架系統(tǒng)）

在建筑物的中心放一個(gè)剛性心軸，在它的外圍放一個(gè)由很多柱子和橫梁搭建的軟結(jié)構(gòu)建筑物。然后用減振裝置（油阻尼器）連接這兩個(gè)建筑物。地震時(shí)，這兩個(gè)建筑物的硬度不同，晃動(dòng)的頻率也不同。所以變形的趨向也不同。心軸比較硬，晃動(dòng)會(huì)比較厲害，而建筑物通過(guò)油阻尼器的減振作用，大大降低了晃動(dòng)的幅度。

圖 14 DFS結(jié)構(gòu)圖

位于日本川崎市正在建造的港町駅前マンション（96m）正是應(yīng)用了這個(gè)抗震技術(shù)。

圖15 建設(shè)中的港町駅前マンション

圖16 東京天空樹(shù)所用的DFS抗震結(jié)構(gòu)示意圖

圖17 抗震技術(shù)有效的增強(qiáng)了房屋抵抗地震的能力

結(jié)語(yǔ)

我們從最初的耐震結(jié)構(gòu)，針對(duì)每時(shí)每刻都會(huì)發(fā)生變化的地震、強(qiáng)風(fēng)等作用力，發(fā)展為制震和免震結(jié)構(gòu)，并且逐漸把多種抗震技術(shù)組合應(yīng)用到建筑物中，使建筑物的抗震抗風(fēng)能力越來(lái)越強(qiáng)。建筑物的設(shè)計(jì)高度越來(lái)越高，無(wú)疑給一些發(fā)達(dá)的高人口密度地區(qū)帶來(lái)了更多發(fā)展機(jī)會(huì)，我們也可以節(jié)省更多的地面面積用來(lái)綠化或者種植農(nóng)作物。

日本這樣一個(gè)多地震國(guó)家，由于受到生存危機(jī)的驅(qū)使，開(kāi)發(fā)出了很多優(yōu)秀的抗震技術(shù)，這些技術(shù)是值得其他國(guó)家學(xué)習(xí)的。

我們國(guó)家很多地區(qū)也在地震帶上，這些地區(qū)的建筑物的建筑設(shè)計(jì)方法應(yīng)該借鑒先進(jìn)技術(shù)，建造抗震能力更強(qiáng)的建筑物，才能減低災(zāi)害引起的人身和財(cái)產(chǎn)安全。而對(duì)日本來(lái)說(shuō)，地震或海嘯帶來(lái)的“水”和“火”仍然是需要面對(duì)的兩個(gè)難題，相信今后的科研工作者們也會(huì)在繼續(xù)努力解決這些問(wèn)題。

圖18 耐震、制震和免震的示意圖

參考文獻(xiàn)

https://www.kajima.co.jp/tech/seishin_menshin/str_ctrl/index.html

http://www.rs.noda.tus.ac.jp/kita-rcl/PDF/architectural-technology/081110_Presentaion01.pdf

李春祥,劉艷霞,王肇民.質(zhì)量阻尼器的發(fā)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2003(02):194-206.