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世界第一抗震强国的日本建筑, 会拥有哪些优秀高科技抗震技术?

东居太郎

东居太郎

2018-07-02 17:06:08 阅读3590 有趣0

过去我们一直强调房子越坚固越好,建筑材料越坚硬,整体结构才能更坚固。“耐震结构”是传统建筑技术中的一个重要组成部分。


所谓“耐震结构”是将墙壁和承重柱强化,再加入强度补充材料形成坚固的建筑物。毋庸置疑,材料和结构越坚固,整体建筑就越牢固。木制房子肯定没有钢铁结构更结实。


然而,随着文明进步和科技发展,我们知道了以柔克刚的道理,学会了借力打力,因此又发明了新的建筑技术:免震技术和制震技术。

“免震结构”的原理很简单,一句话说就是“你震我不震”。其实现原理一般是在地面和建筑物之间加入橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等,把震动的地面隔开,降低振动强度,就如同在房子底下加了一个大弹簧。


实际建筑设计上,是在地面和建筑物之间加上吸收振动,如,高层建筑的底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座。

这种结构在日本比较普遍,而且应用得比较早,因此日本多数建筑物都会用这种免震结构作为地基设计的基本方法。


而“制震结构”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附着振动减轻装置,控制建筑物的摇晃。实际上,很多世界知名高层建筑都应用了这种方法来抵御地面振动或者强风。

首先,介绍一个比较知名的制震技术——DUOX(有源双减震器减震系统),实际上它是TMD(调谐质块阻尼器)和AMD(主动质量阻尼器)技术的组合应用。


TMD系统应用的一个简单例子就是运用钟摆原理控制振动。在建筑物中吊一个摆锤装置,当发生振动时,建筑物产生晃动的趋向,也会引起摆锤的摆动,而摆锤会以相反的方向摆动,建筑物总是被拉回原来的方向。


比如台北101摩天大楼为了应对因高空强风及台风吹拂造成的摇晃,在大楼的88至92楼间设置了TMD。该TMD系统挂置一个重达660公吨的巨大钢球,利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器,更是目前全球最大之阻尼器。

而AMD通过传感器感知振动的频率、幅度等,把信号传递给执行器,执行器对抗质量块而把惯性控制力施加给振动体,实现抑制振动的功能。世界上第一个安装AMD,控制地震和强风的是日本的Kyobashi Siewa钢结构建筑(33m)。

而DUOX另外增加了TMD(调谐质量阻尼)和AMD(主动质量阻尼)的组合系统。随着技术的发展,结合TMD和AMD技术而建设的日本建筑是位于东京都港区的Shiodome Media Tower(172m)


日本鹿岛会社于1995年开发出了振动吸收阻尼HiDAM,我们先来看一下早期的HiDAM是如何工作的。


当建筑物产生振动时,建筑物的梁和支架产生位移差,使得活塞移动。活塞上有可以打开的连接孔,液压油可以通过连接孔在左右油室之间移动。连接孔中设有调节阀,利用通过孔口的油的流体阻力达到减震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama (209m) 就是采用了这种抗震技术。

2015年开发出的新型振动吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX 的基础上研发的,抗振性能达到前者的4倍以上。与HiDAM相比,HiDAX是一种可以控制流量的油阻尼器。性能要优于HiDAM。


HiDAX-R是世界上首个搭载振动能量再生系统VERS的新型制震阻尼器,也是首次将汽车制动控制原理应用到建筑物的设计中。可以临时储存因地震等引起的振动能量,提高抗震效率。

由于该技术开发于2015年,目前尚未应用于实际建筑中。HiDAX则已应用于2003年竣工的位于东京的Roppongi Hills Mori Tower (238m)中。

DFS (双框架系统)


在建筑物的中心放一个刚性心轴,在它的外围放一个由很多柱子和横梁搭建的软结构建筑物。然后用减振装置(油阻尼器)连接这两个建筑物。


地震时,这两个建筑物的硬度不同,晃动的频率也不同。所以变形的趋向也不同。心轴比较硬,晃动会比较厉害,而建筑物通过油阻尼器的减振作用,大大降低了晃动的幅度。

日本这样一个多地震国家,由于受到生存危机的驱使,开发出了很多优秀的抗震技术,这些技术是值得其他国家学习的。

“每一次日本发生特大地震后,国土交通省都会组织力量进行建筑抗震调查,根据调查结果提出对《建筑基准法》的修改意见。”2010年上海世博会期间日本产业馆建筑制作人寺崎由起曾公开表示,日本建筑师在设计建筑时,会严格按照《建筑基准法》的抗震要求。而且这部法律每几年就会重新修订一次。


回顾日本抗震建筑发展的历史,就是其建筑法律法规不断完善发展的历史。


十九世纪后半叶,日本刚刚开始对地震的研究,那个年代,日本还没有提出建筑要有抗震设防能力。


1892年,“预防震灾调查会”成立,他们的目标是——提升木造建筑的耐震性。


在那之后,日本建筑抗震研究就开始进入了有科学世界观指导的阶段。


1916年,日本建筑家佐野利器提出“静力震度法”,建议建筑的结构设计中,水平力应该是结构重量的1/15,这样能够起到防震作用。


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