建筑隔震技術在日本的發展與應用

曲　哲　中澤俊幸

建筑隔震技術在日本的發展與應用

曲哲中澤俊幸

曲哲，

中國地震局工程力學研究所副研究員。2001年至2010年就讀于清華大學土木工程系并先后取得工學學士、碩士和博士學位。曾先后赴英國愛丁堡大學、日本東京工業大學、美國加州大學洛杉磯分校從事交流合作和博士后研究。研究領域主要涉及建筑結構地震損傷控制和建筑物地震恢復力等方面。曾獲中國地震局防震減災科技成果一等獎、國際橋梁與結構工程師協會（IABSE）青年工程師貢獻獎等。近年來在相關專業領域發表論文90余篇，著有專著《結構札記》一部，譯著《建筑結構損傷控制設計》一部。

中澤俊幸，日本東京建筑研究所董事。1980年至1986年就讀于日本早稻田大學并先后取得學士和碩士學位，2013年于東京工業大學取得工學博士學位。長年從事隔震建筑的設計與研究工作，曾參與編寫《隔震結構入門》《隔震結構設計指南》《JSSI隔震結構施工標準》等規范，并發表多篇學術論文。主持或參與設計隔震建筑30余棟，其主持設計的日本稻城市立醫院隔震結構榮獲第2屆日本隔震結構協會優秀作品獎。

隔震的原理

隔震的基本思路非常簡單，就是在建筑物與基礎之間設置一個柔軟的隔震層，減小地震動對隔震層以上結構的影響。當建筑受到地震襲擊時，地面運動會從基礎開始向上傳播并被逐漸放大。這樣一來，不但結構本身很容易被損壞，建筑設備和室內家具等也都很容易被損壞（見圖1a）。在隔震建筑中，由于隔震層在水平方向比較柔軟，變形主要集中這里（見圖1b），于是產生三方面效果：（1）柔軟的隔震層延長了結構的自振周期，往往可以有效減小結構的加速度反應；（2）安裝在隔震層中專門用于耗散地震能量的消能器可以通過集中在隔震層的變形，有效地耗散地震能量，從而減小建筑的加速度和位移反應；（3）結構周期延長了，總變形通常會增大，但在隔震建筑中，變形集中在隔震層，這有效地減小了隔震層以上的上部結構的變形（見圖1c）。

前兩方面的隔震效果可以通過反應譜直觀地解說。對于一般的地震動，短周期的加速度成分往往多于長周期成分。圖2（a）所示的TCU095-E記錄便是典型的例子。這條地震動記錄是在1999年 臺灣集集7.6級地震中得到的。比如一座普通多層建筑的基本周期是0.5 s，通過隔震將其周期延長至3 s。那么其最大擬加速度反應將從如圖2（a）所示的實心圓圈處大幅下降至空心圓圈處。如果在隔震層合理設置一些耗能裝置，比如使整體結構的阻尼比從2%提高到15%，則可以進一步降低至如圖2（a）所示的實心方塊處。

在這個例子中，延長周期帶來的減振效果遠遠好于提高耗能的減振效果。然而，結構的周期易于控制，未來地震動的頻譜特性卻難以掌握。如果遇到的不是TCU095-E記錄那樣的地震動，而是同樣在集集地震中另一個臺站記錄到的TCU052-E記錄那樣的地震動，情況就大不一樣了。

集集地震的TCU052-E記錄是典型的近斷層脈沖型地震動。其特點是在地面運動時程中有明顯的長周期大振幅脈沖。這從圖2所示的TCU095-E記錄和TCU052-E記錄的加速度時程的對比上可以看出來。這種長周期大振幅脈沖往往蘊含巨大的能量，表現在反應譜上就是在長周期段（比如周期大于1s的區段）會有明顯的反應譜峰值。通過隔震手段延長結構的周期，有可能正中長周期地震動的下懷。盡管如此，通過在隔震層設置耗能裝置，提高結構的耗能能力仍可以有效地減小上部結構的地震反應見圖2（b）。

從地震損傷控制的角度講，無論隔震結構能否有效避開未來地震動中蘊含較大能量的頻率成分，其變形與損傷機制都被根本改變了。柔軟的隔震層吸收了結構的大部分變形與損傷，像保險絲一樣給上部結構可能受到的地震作用封了頂，使本來充滿不確定性的地震作用更加易于估算，從而使上部結構的設計更加簡便與可靠，同時也為建筑設計提供了高度的結構自由性。

圖1　建筑物的地震反應示意圖

圖2　隔震建筑的地震反應

日本建筑隔震技術略史

如果以1881年日本地震學會的成立為日本地震工程學研究開端的話，那么日本建筑隔震的歷史幾乎與日本地震工程學研究的歷史一樣久遠。1891年8.0級濃尾地震造成了巨大的災難。同年，河合浩藏提出在混凝土基礎下設置數層縱橫排列的圓木隔震結構（見圖3）。這恐怕是日本最早的現代隔震結構的設想了。

1923年7.9級關東大地震之后，再次出現了一些關于隔震建筑的構想。如1924年鬼頭健三郎在名為“建筑物抗震裝置”的專利中提出的在柱腳處采用滾珠隔震的方法（見圖4），以及岡隆一在1928年提出的由兩端采用不同半徑的球面的鉸支短柱形成的“隔震基礎”（見圖5）。值得一提的是，1934年建成的不動貯金銀行姬路支行采用了岡隆一提出的短柱隔震的專利技術。雖然短柱隔震技術隨后并沒有在日本得到很好的推廣，但這恐怕是日本第一座實際建成的現代隔震建筑。

20世紀30年代席卷全日本的“剛柔之爭”在客觀上為日后隔震建筑的大發展奠定了思想基礎。當時，東京帝國大學（“二戰”后更名為東京大學）的佐野利器、武藤清等學術權威主張剛性結構。與之針鋒相對的是以海軍技師真島健三郎為代表的柔性派。以當時人們對地震動特性和結構動力反應的理解，沒能爭出個結論來，盡管如此，否定隔震結構的剛性派（權威派）仍然占了上風。在這樣的條件下，真島健三郎于1934年提出了如圖6所示的柔性底層結構。

1960年，小堀鐸二針對核電站核反應堆的抗震問題提出了如圖7所示的解決方案，并首次提出了賦予結構能夠控制地震動的特性的“制震”的概念（我國常稱之為減震）。

1964年，日本發生了因大規模砂土液化而著名的新潟地震。翌年，松下清夫、和泉正哲提出一種具有自復位特性的滾珠隔震（見圖8）。而此后不久，后來統治日本隔震界的疊層橡膠支座登上了歷史的舞臺。

圖3　河合浩藏提出的滾木隔震（1891）

圖4　鬼頭健三郎提出的滾珠隔震（1924）

圖5　岡隆一提出的短柱隔震（1928）

圖6　真島健三郎的柔性底層結構（1934）

圖7　小堀鐸二提出的核反應堆制震結構（1928）

橡膠與鋼板交錯布置而成的疊層橡膠支座最早是1970年在歐洲開發的。20世紀70年代末80年代初曾在法國應用于學校和核電站的隔震。1980年，福岡大學的多田英之等人最早在日本開始了疊層橡膠支座的研究。這一系列研究以小比例尺的試件為對象，系統地研究了疊層橡膠支座的壓縮和壓剪剛度（見圖9），并以此為基礎進行了小比例尺鋼框架隔震模型的振動臺試驗。

以這些研究成果為基礎，1983年，日本第一座采用疊層橡膠支座的現代隔震建筑——位于東京的八千代臺住宅——誕生了（見圖10）。它的結構設計正是東京建筑研究所的前任所長山田昭一與福岡大學多田英之教授的團隊合作完成的。在日本工程界，八千代臺住宅又常被稱為“日本第1號”。這是1棟縱向2跨橫向1跨地上兩層總高約7.6米的獨棟住宅。采用6個天然疊層橡膠支座進行隔震，每個支座的橡膠層總厚度為60mm，設計時考慮的橡膠支座極限側向變形為250mm。上部結構與周邊擋土墻壁之間的隔震縫寬度為350mm，即保證在橡膠支座斷裂破壞之前上部結構不會與擋墻壁發生碰撞。此處，在隔震層設置了“破壞-安全”支墩，以保證在隔震支座被破壞的極端情況下上部結構的安全。

然而，疊層橡膠隔震支座在八千代臺住宅的應用并沒有立即帶來隔震技術應用的大發展。直到十幾年后的1995年，阪神地震才再次使日本民眾警醒。在這次7.3級地震中，大量采用抗震結構的房屋倒塌或嚴重受損，而建成于1994年的采用隔震技術的“WEST大樓”則充分發揮了隔震的效果。以此為契機，以往不被世人所知的隔震技術走進了公眾的視野，隔震建筑也在日本迎來了高速發展的階段。

圖11總結了1982至2014年間日本隔震建筑數量的變化。從圖中可以明顯地看出，在1995年阪神地震之后，隔震技術在日本真正地起飛了。

截止2014年，日本全國共有各類型隔震建筑約8600棟，其中約4700棟為規模較小的獨棟住宅，約3900棟為其他建筑，主要是集合住宅。不論從數量還是質量上看，日本都是名副其實的世界第一隔震大國。

圖8　松下清夫、和泉正哲提出的搖擺滾珠隔震（1965）

圖9　日本最早的疊層橡膠支座壓剪試驗

圖10　“日本第1號”八千代臺住宅

圖11　日本隔震建筑數量的增長（數據來源：日本免震協會JSSI主頁及刊物MENSHIN）

日本隔震建筑的實際地震反應

前面提到，位于兵庫縣的WEST大樓在1995年阪神地震中展示的隔震效果真正地讓隔震技術走向了社會公眾。WEST大樓地上6層，局部8層，高28.85 m，建筑面積46823 m2，是當時世界上規模最大的隔震建筑（見圖12）。采用54個直徑1.2 m的鉛芯橡膠支座和66個直徑1 m或0.8 m的疊層橡膠支座進行隔震。隔震層中同時設置了44個環形鋼阻尼器。

在阪神地震中，WEST大樓距離震中僅35 km。建筑基礎上記到的峰值加速度為南北方向300 cm/s2，東西方向263 cm/s2，豎直方向213 cm/m2；經過隔震層過濾后，首層樓面處的峰值加速度減小到南北方向57cm/s2，東西方向106 cm/s2，豎直方向193 cm/m2；與之對應的頂層峰值加速度為南北方向75 cm/s2，東西方向103 cm/s2，豎直方向377 cm/m2。水平方向的隔震效果非常明顯。與此同時，隔震層最大位移出現在東西方向，為12 cm，東西雙向合計總位移約為20 cm（見圖13）。在這樣的位移下，隔震層的損傷僅限于環狀鋼阻尼器漆皮剝落，且沒有殘余位移。

除了著名的WEST大樓之外，日本還有不少經歷了實際地震考驗并且表現出優異抗震性能的隔震建筑的實例。比如早在1986年，清水建設和日本東北大學合作，在東北大學的校園里建造了兩座幾乎一模一樣的試驗性的建筑。這兩座緊臨的建筑都只有3層高，建筑面積都是209 m2，布置也基本一樣。二者主要的區別在于，一棟采用傳統的抗震結構；而另一棟采用6個高阻尼橡膠支座進行了隔震。建成翌年的1987年，福島縣近海發生6.7級地震，震中距離該建筑168 km。上述非隔震建筑的頂點峰值加速度達到205 cm/s2，而隔震建筑的頂點峰值加速度卻只有36 cm/s2，隔震效果非常明顯。在1998年的宮城縣南部地震中，二者的基礎位置都記錄到了約380 cm/s2的水平峰值加速度，非隔震建筑屋面的最大水平加速度為672 cm/s2，而隔震建筑的屋面最大水平加速度只有137 cm/s2，再次展現了隔震的效果。

在2011年9.0級東日本大地震中，位于震災中心區的石卷紅十字醫院的成功案例再次向公眾展示了隔震技術的優異性能。該醫院建成于2006年，為地下1層，地上7層（局部8層）的隔震結構。地上部分主體結構采用鋼結構，建筑面積32486 m2。由于場地條件較差，場地卓越周期長達1.4 s，因此在設計隔震層時，采用了天然疊層橡膠支座、滑板支座和鋼阻尼器混用的方案（見圖14），使結構在罕遇地震時（隔震層變形49 cm時）的等效隔震周期達到3.73 s，僅考慮隔震支座而不考慮鋼阻尼器時的隔震周期則長達5.39 s。

圖12　兵庫縣WEST大樓剖面（單位：mm）

圖13　WEST大樓隔震層位移

圖14　石卷紅十字醫院的隔震結構

在東日本大地震中，該醫院隔震層最大變形達到26 cm（單側），大約為設計時罕遇地震下變形的一半。幾乎所有的鋼阻尼器的表面涂裝都有剝落（見圖15）。上部建筑的室內雖然有電腦顯示器跌落、書本散落等現象（見圖16），但沒有人員受傷。震后，該醫院成為救災中心，不但收治了大量傷員，還成為其他救援隊伍和組織的臨時聚點，充分發揮了應急救災的作用。

2011年東日本大地震后，日本東京工業大學的笠井和彥教授調查、搜集并整理了327棟隔震建筑的地震反應情況。全部隔震建筑的上部結構均完好無損。約有15%的隔震建筑的隔震層中的阻尼器出現了不同程度的損壞，但并沒有影響隔震建筑在地震中的表現。最常見的震害則是各種接縫處的非結構構件的破壞，如室外地面處隔震溝蓋板［見圖17（a）］和外墻飾面的變形［見圖17（b）］。

圖15　鋼阻尼器涂裝層剝落

圖16　震后的室內

圖17　隔震建筑接縫處的非結構構件破壞

前面在介紹隔震原理時曾提到，長周期成分比較顯著的近斷層脈沖型地震動對柔性的隔震結構非常不利。在2011年東日本地震之前，便有學者開始關注近斷層脈沖型地震動可能對隔震建筑造成的不利影響。在2016年的熊本地震中，位于斷層破裂方向的阿蘇醫療中心經受了近斷層脈沖型地震動的考驗。該隔震建筑雖然距離震中比較遠，但正好位于布田川斷裂帶的破裂方向上（見圖18）。由于向前方向性效應，其所在區域容易形成大振幅速度脈沖的近斷層地震動。位于阿蘇醫療中心附近的K-NET一之宮臺站的地震記錄證明了這一點。該地震記錄的擬速度譜在3s左右出現顯著的峰值。在該建筑的隔震周期處，兩個水平方向的擬速度譜值均高于日本第二水準的設計譜，南北方向甚至達到設計譜的2倍（見圖19）。

圖18　熊本地震中的阿蘇醫療中心的地理位置

圖19　K-NET“一之宮”臺站記錄擬速度反應譜（阻尼比5%）

在熊本地震中，在該建筑的隔震層中記錄到了±45 cm的變形，兩方向合計90 cm的最大變形，是日本隔震建筑出現以來記錄到的最大的隔震層位移。該建筑的隔震溝寬度為62 cm，足以避免隔震層碰撞的發生。地震后，該醫療中心的功能基本沒有受到影響，僅發生個別接縫處非結構構件的破損、儲物柜傾倒、自動玻璃門無法正常開啟等非結構破壞。這一案例再一次體現了隔震技術在提升建筑震后恢復能力方面的優越性。

超高層建筑的隔震

日本從20世紀60年代便開始探索在地震區建造超高層建筑的技術。隨著1995年之后隔震技術的快速發展，1999年，日本建成了第一座超高層隔震建筑——地上18層的仙臺MT大樓。2002年，采用隔震技術的地上29層的元麻布大樓在東京建成。與隔震技術在超高層建筑中的逐步應用相伴隨的，是關于超高層隔震建筑的廣泛爭論。反對意見主要有兩種：一是擔心高寬比較大的超高層建筑若采用隔震建筑會面臨嚴重的傾覆問題；二是認為超高層建筑自身周期已經比較長了，在此基礎上再采用隔震技術，通過延長周期來減小結構地震反應的效果會大打折扣。

關于傾覆的問題，其實早在1963年，G.W.Housner教授在研究細長結構在地面運動作用下的搖擺反應時已經做了回應。在論文中，Housner教授給出了使細長結構發生傾覆的速度反應譜Sv的計算公式如下。

式中，h/b為建筑的高寬比，g是重力加速度，R是建筑物的重心到底邊一角的距離。

根據這一公式，圖20所示的225米高、高寬比h/b=3.75的超高層建筑的動力穩定性和25米高、高寬比h/ b=1.25的多層建筑是相同的。換句話說，結構在地震中抗傾覆的穩定性具有尺寸效應。結構體量越大，動力穩定性越好，越不容易傾覆。

關于延長周期的隔震效率問題，上文介紹了隔震的三方面。當上部結構自身周期比較長（比如超高層建筑）時，隔震的第一條原理（延長周期的原理）確定會受到影響，但前面介紹的第二、三條原理仍然適用。一方面，即使隔震層比較硬，它仍然能夠承受較大的變形（見圖21）；另一方面，隔震層同時是耗能集中的部位，在隔震層設置消能器可以有效地耗散地震輸入能量，從而減小上部結構的地震反應。

進入21世紀，日本的超高層隔震技術在爭論聲中不斷發展。到2013年為止，日本已建成高度超過60m的超高層隔震建筑297棟，其建設年份的分布如圖22所示。此外，日本采用減震或隔震技術的超高層建筑在所有超高層建筑中所占的比例也在1995年之后有了快速的提高。從2000年開始，日本每年建設的超高層建筑中，大約有40%左右采用了減震技術，約20%左右采用了隔震技術。二者之和已經超過了采用傳統抗震方案的數量（見圖23）。

圖20　在地震中具有相同的穩定性的搖擺體（長度單位：m）

圖21　隔震結構變形的分配

圖22　日本2000年以來超高層建筑的建設年份（建筑高度超過60m）

圖23　日本超高層建筑抗震方案的演變

基于隔震技術的抗震加固

隔震技術同樣的對既有建筑進行抗震加固的有效手段。由于施工主要集中在地下，無論對建筑立面還是內部空間的影響都相對很小。這對于保護歷史建筑和其他有紀念意義的建筑尤為重要。大阪市中央公會堂的隔震改造是一個典型的成功案例。該項目于2006年榮獲日本建筑學會獎。

中央公會堂始建于1918年，地上3層、地下1層，具有日本近代建筑的典型特征（見圖24）。2002年對其進行抗震加固時，采用了以隔震為主，同時輔以對上部結構進行局部加固的方案。隔震層施工工序如下：（1）在建筑四周澆筑鋼筋混凝土地下連續墻，在建筑底部進行第一次挖掘，對原有基礎進行加固；（2）利用第一挖掘在建筑底部形成的空間，進行第二次挖掘，設置鋼管樁，將整個建筑臨時托起，并通過設置在樁頂的油壓千斤頂調整建筑的不均勻沉降；（3）澆筑新的厚1.2 m的筏板基礎，在既有基礎和新設基礎之間安裝隔震支座；（4）對隔震支座進行預加載，將鋼管樁承受的荷載轉移到隔震支座上，并切除鋼管樁（見圖25）。

圖24　大阪市中央公會堂主立面

圖25　大阪市中央公會堂隔震改造示意圖

結語

隔震技術是目前人類掌握的減輕建筑物地震損傷的效果最好、適用性最強的方法。日本的建筑隔震從早期的百花齊放，到20世紀80年代以后疊層橡膠支座一統江湖；從阪神地震之前十幾年間不太受社會關注的試驗性發展，到阪神地震之后的爆炸式應用，可以看到一項技術從概念，到爭論、研發、定型、逐漸成熟，再到大規模應用的完整過程。其中凝結了幾代結構工程師和學者的思考、智慧和心血。

相比之下，中國隔震技術的發展和應用具有后發優勢，在很大程度上借鑒并引進了日本等的經驗和技術，從而加快了發展的步伐。但由于缺乏長期的積累，相關的法律法規、行業管理和技術準備沒有跟上，導致隔震技術在推廣應用過程中難免出現各種各樣的問題。這些問題并非科學問題，而是技術、甚至是非技術因素，但它們已經成為我國隔震技術健康發展的主要瓶頸。限于篇幅，本文未涉及日本隔震建筑相關的法律法規和設計、施工、產品管理方面的內容。

從隔震建筑的絕對數量上看，中國目前已成為僅次于日本的世界第二隔震大國，并且大有趕超之勢。如何由大變強，是擺在我國隔震界面前的共同課題。

謹以此文紀念山口昭一先生

在本文介紹的諸多具有歷史意義或代表性的隔震事例中，都有山口昭一先生的身影。被稱為日本第1號的八千代臺住宅和在阪神地震中以優異的表現引爆隔震技術快速發展的WEST大樓都出自山口先生之手。對歷史建筑進行隔震改造的典范之作——大阪市中央公會堂——也是在山口先生的指導下完成的。與其說山口先生見證了日本隔震技術發展的歷史，不如說是他參與締造了這段歷史。1993年日本隔震結構協會成立時，山口先生是主要發起人，并就任該協會的第一任會長。那時協會的事務局就設在山口先生所在的東京建筑研究所。在山口先生的領導下，該協會為日本隔震技術的推廣應用和健康發展發揮了重要的作用。2015年7月6日，山口先生在東京溘然長逝，享年88歲。值此先生忌辰一周年之際，聊以此文紀念。