学学日本，高层建筑防震有妙招

日本作为地震多发国家之一，从古至今一直在建筑设计上煞费苦心，并通过多种手段保证设施的安全以抵御强震。当然，大自然的力量是可怕的。目前，无论我们的人类防御措施多么完善，灾难仍可能以毁灭性的方式伤害我们。在古代，当面对强大的自然力量时，我们通常别无选择，只能通过在疾病或自然灾害发生时献祭来祈求和平。

图1模拟了阪神大地震震中房屋内的震动。

今天，我们依靠掌握的自然法则和科学技术在很大程度上避免了一些破坏性较小的灾难。然而，在一些相对较强的地球活动中，如火山爆发、海啸和地震，我们仍然面临着相对较大的威胁。

日本容易发生地震和火山活动，无疑是防灾减灾技术的领先国家。自古以来的生存危机激励着岛上的人们绞尽脑汁，想出许多优秀的防灾建筑设计。今天，当技术更新时，日本的新建筑在处理地质灾害时可以借鉴哪些巧妙的方法？今天，我想给大家简单介绍一下日本房屋的一些减震结构。

2011年日本发生“3.11”地震和海啸时，距离福岛仅300公里的东京震级在7级以上，但东京市中心的地震死亡人数只有7人。在一个人口密度如此之高的城市，很难想象会出现这样的情况。原因之一是其坚实的城市建筑设计。

图2周围观察到的海啸高度

过去，我们一直强调房子越坚固越好，建筑材料越坚硬，整体结构越坚固。“抗震结构”是传统建筑技术的重要组成部分。

所谓“抗震结构”就是加固墙体和承重柱，然后加入强度补充材料，形成一个坚固的建筑。毫无疑问，材料和结构越坚固，整个建筑就越坚固。木屋当然不如钢结构坚固。然而，随着文明的进步和科学技术的发展，我们学会了用柔软来控制僵硬的原则，也学会了如何使用武力。因此，我们发明了新的建筑技术:无振动技术和振动控制技术。

图3抑震防震结构示意图

“无地震结构”的原理很简单，换句话说，“如果你摇晃我，我不会感到震惊”。它的实现原理一般是在地面和建筑物之间增加橡胶弹性垫或摩擦滑动轴承座来分隔振动的地面，降低振动强度，就像在房屋下面增加一个大弹簧一样。

在实际的建筑设计中，地面与建筑物之间增加了减震功能，如在高层建筑底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动轴承座。

图4多层无振动橡胶弹性垫

这种弹性垫可以将整个建筑与地面隔开，就像一个大弹簧安装在建筑底部一样。可以预计，该结构将对地震的影响有很大的缓冲作用。

图5无震层施工情况

这种结构在日本比较常见，应用也比较早，所以日本大部分建筑都将这种无震结构作为基础设计的基本方法。

然而，“抗振结构”通常附着在建筑物的墙壁或承重柱上，以控制建筑物的震动。事实上，许多世界著名的高层建筑都采用这种方法来抵抗地面振动或强风。

图6三种抗震建筑结构的可视化演示

双减震器主动减震系统

首先，介绍了一种相对著名的减振技术——双减振器主动减振系统。事实上，它是调谐质量阻尼器和主动质量阻尼器的结合应用。

TMD系统应用的一个简单例子是利用摆原理来控制振动。当钟摆装置悬挂在建筑物中时，当振动发生时，建筑物会摇晃，这也会导致钟摆摆动。钟摆将向相反的方向摆动，建筑将总是被拉回到原来的方向。

例如，台北101摩天大楼在88层和92层之间有TMD，以应对高空强风和台风造成的震动。TMD系统悬挂着一个重达660公吨的巨大钢球，它利用摇摆来减缓建筑物的摇摆。这也是世界上唯一一个开放给游客观看的巨型阻尼器。它也是目前世界上最大的阻尼器。

图7台北101大楼调质阻尼器

起初，TMD是建筑公司使用的主要抗震技术。

另一方面，AMD通过传感器感知振动的频率和振幅，并将信号传输到致动器。致动器对抗质量并向振动体施加惯性控制力，以实现抑制振动的功能。世界上第一个AMD装置，控制地震和强风，是日本的桥西瓦钢结构(33米)。

图8调谐质量阻尼和主动质量阻尼

DUOX还增加了调谐质量阻尼和主动质量阻尼的组合系统。随着科技的发展，采用TMD和AMD技术建造的日本建筑是位于东京港口区的诗雅传媒大厦(172米)。

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图9京桥西华[左]和诗奥传媒大厦[右]

抗振动流动阻力

1995年，日本鹿儿岛学会开发出了减振型HiDAM。让我们先看看早期的HiDAM是如何工作的。

当建筑物振动时，建筑物的横梁和支架产生位移差，使活塞运动。活塞具有可打开的连接孔，液压油可通过该连接孔在左油室和右油室之间移动。连接孔内设有调节阀，利用油通过节流孔的流体阻力达到阻尼效果。2009年在日本大阪完工的北滨(209米)采用了这种地震技术。

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图10 HiDAM

图11使用HiDAM的北滨

2015年研发的新型吸振阻尼HiDAX-R是在HiDAX的基础上开发的，其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压减震器。性能优于HiDAM。HiDAX-R是世界上第一台装有VERS振动能量再生系统的新型减振器，也是第一次将汽车制动控制原理应用于建筑设计。地震等引起的振动能量可以暂时储存，提高抗震效率。

图12 HiDAX-R

自2015年开发这项技术以来，它还没有应用到实际的建筑中。HiDAX已应用于2003年竣工的东京六本木山森大厦(238米)。

图13东京[六本木山森大厦]

双重框架系统

一个刚性心轴被放置在建筑的中心，一个有许多柱子和梁的软结构建筑被放置在它的外围。然后，这两座建筑通过减振装置(油压减振器)连接起来。地震期间，这两座建筑的硬度不同，震动频率也不同。因此，变形的趋势也是不同的。心轴相对较硬，震动会很剧烈。然而，油压减振器的减振效果大大降低了振动的幅度。

图14 DFS结构图

这项抗震技术被应用到日本川崎市正在进行的香港町村(96M)的建设中。

图15:建设中的香港-马基雅维里

图16东京天空树DFS地震结构示意图

图17抗震技术有效地增强了建筑物的抗震能力。

结论

我们已经从最初的抗震结构发展到抗震和无震结构，旨在应对地震和强风等随时变化的力量。我们逐渐将各种抗震技术应用到建筑中，使建筑越来越抗震抗风。建筑的设计高度越来越高，这无疑给一些人口密度高的发达地区带来了更多的发展机遇。我们还可以节省更多的土地用于绿化或种植作物。

日本是一个多地震的国家，在生存危机的驱动下，发展了许多优秀的抗震技术。这些技术值得向其他国家学习。

我国许多地区也位于地震带。这些地区的建筑设计方法应借鉴先进技术，建造抗震能力更强的建筑，以减少灾害造成的人身和财产安全。对日本来说，地震或海啸带来的“水”和“火”仍然是面临的两大难题。我相信未来的研究人员将继续努力解决这些问题。

图18抗震、抑震和无震示意图

原文的标题是“抗震结构如何保护日本的高层建筑？”》

参考

http://www . kaj IMA . co . jp/tech/seis hin _ men shin/str _ ctrl/index . html

http://www . RS . Noda . tus . AC . jp/kita-rcl/PDF/architecture-technology/081110 _ Presentation 01 . PDF

李春香、刘艳霞、王兆民。质量阻尼器的发展[。力学进展，2003(02):19206。