日本现代建筑的抗震技术

日本是个地震多发的国家，在长期的抗震实践中，他们在建筑抗震的设计和技术方面积累了丰富的经验，值得我们借鉴。

总所周知，地震发生时，处在旷野的人们只要不被外物砸中，如果沒有遇到滑坡、泥石流、雪崩和海啸等次生灾害，那么基本上就是安全的。地震中的遇难者多数是被各类人工构造物（房屋、桥梁、路牌、电线杆等）的损坏或失稳害死的。所以地震领域有句俗话：地震不杀人，建筑才杀人。要想知道什么样的建筑在地震中最安全，可以借鉴日本的建筑设计的一些方法，因为饱受地震困扰的日本人在和地震的长期对抗中，积累了丰富的经验。

柔性抗震结构

日本对抗震设计的认识经历了漫长的发展过程。从1922年至20世纪60年代，“刚性抗震理论”主导了日本的建筑设计，此时日本的新建建筑大量使用剪力墙，甚至框架结构。但自从20世纪60年代，计算机分析法被引入了抗震设计研究后，“柔性抗震结构”开始逐渐盛行。经历了1994年的9.0级阪神大地震后，日本的抗震设计又得到了进一步提高。日本人发现，在那次大地震后，一些建筑物虽然变形、歪斜，但至少没有倒塌;反倒是那些结构坚固的建筑，虽然保持了结构的完整性，却在地震中整栋倒下。于是日本人从中汲取了教训，通过提取地震视频和实地勘测，他们发现地震来袭时，如果建筑物能够跟随地表一起摆动，反而更不容易倒塌。有鉴于此，从1996年后，日本建筑开始广泛采用隔震技术：建筑商在建筑物底部铺垫橡胶层或移动承重座作为缓冲装置，利用建筑物本身的晃动吸收地震能量。

安装阻尼装置抗震

在地震中，细长的高层建筑更容易被地震摧毁。高层建筑的柔性和高度决定了它们的自振频率较低，如果自振频率和地震波的振动频率接近，很容易导致危险的共振。要避免共振，就要在合适的时机改变建筑的自振频率。为此，日本研发出了主动质量阻尼器（TMD）和调谐质块阻尼器（AMD）等制震技术。TMD的基本原理是在建筑物中设置一个大约为建筑1%总质量的重锤，地震或风吹让建筑物振动时，振动能量会让重锤进行反向振动，从而减小建筑物的振动幅度。而AME则在TMD的基础上增加了传感器和液压驱动器/伺服电机马达，利用主动质量阻尼为建筑物减小振动幅度，抵消建筑物的形变。有的建筑在顶楼设有一个大水箱或游泳池，也能起到帮建筑物调谐的作用。

建筑物从摆动到停止，是一个能量耗散的过程。一些建筑设计师想到，如果能够通过某种方法增加建筑物形变的阻尼，加快能量耗散，就能够减小建筑物的振幅。这种设计被称为“被动式制震”。那么，如何才能增加建筑物的阻尼呢？最简单的方法是在建筑的承重结构中安装阻尼器，其中最常见的一种是斜撑阻尼器。它的原理是在承重结构的对角线装上一根斜撑，斜撑上有一个可以吸收振动能量的减震器，类似山地自行车的减震前又，可以增加结构的形变阻尼。此外，还有一种更特殊的、名为“制震壁”的阻尼设计。它的原理是在两片钢板（或称阻力板）间填塞高黏度的黏性流体，再把内壁钢板整个浸泡在流体中。在地震来袭时，钢板在黏性流体中移动能提供一定的阻尼，帮助建筑物消耗震动能，同时也提高了建筑物耐受横向形变的能力。

建筑的轻量化和新材料的应用

日本现代建筑的在抗震上的突破性，更主要体现在新型材料的应用上。现代抗震建筑有的采用了能够在一定形变范围内恢复形状的镍钛记忆合金，有的采用了比钢筋混凝土更耐疲劳、抗冲击的钢纤维混凝土。纤维聚乙烯醇和水泥的“联姻”，诞生了高纤维水泥复合材料这种既坚固又具有一定延展性的复合材料。而由热镀锌钢带经由冷轧技术制成的轻钢材料，虽然更轻便，但在复杂的计算机受力分析算法的帮助下，能以更经济的用量承担同样的负荷。

轻型建筑材料能够带来的好处远不止这些：质轻又强度高的碳纤维布和碳纳米管可以在几乎不增加建筑物质量的前提下，大大提高建筑物的强度;充气混凝土不但能为建筑物减重，材料中密布的微小气泡还能起到保温和隔热作用。这些质量轻、强度高的新材料被大量应用在建筑领域，大大降低了建筑物的总重量。轻量化不但有助于提高建筑物的抗震性，而且即便材料掉落，也能减少对人造成的伤害。

我们目前已经掌握了比较先进的抗震、防震和隔震技术，既然如此，为什么许多建筑物在地震面前依然很脆弱呢？其实，要提高建筑物的抗震性，最大的问题是建造成本。一般来说，抗震效果越好的技术，建造成本就越高。如果在设计建筑时，只采用抗震效果最好的技术，那么这样的建筑造价将高得惊人。对于抗震设计来说，首要目的是尽量减少灾难性垮塌，让结构为内部人员逃生争取到足够的时间。有些建筑在经历地震后虽然主体结构严重变形，但如果能做到既没有垮塌，也没有整体翻滚，也能算是成功的抗震设计。