客观日本

让大都市超高层建筑更安全,维系社会和经济活动的进行

2021年04月02日 抗灾防灾

在地震频发的日本,为了能在特大地震发生后迅速恢复社会和经济活动,建筑物的安全性非常重要。东京工业大学科学技术创成研究院的吉敷祥一副教授着眼于汇集了大城市枢纽功能的超高层建筑的安全性,尝试构建让生活在这些建筑里的人们无论是在日常生活中还是在发生灾害时都能感到安心的系统。

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吉敷 祥一
东京工业大学 科学技术创成研究院副教授
2020年起担任OPERA领域总负责人

结构材料的“尺度效应”
通过足尺实验进行性能分析

东日本大地震已经过去10年。为实现安心安全的社会,从明确地震的机制开始,到地方政府重新评估避难计划,各个领域都在吸取地震的教训并重新制定对策。建筑行业也开发了使建筑物免受地震晃动影响的抗震技术,并逐渐普及开来(图1)。

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图1:东京工业大学铃悬台校区J2栋基础部分设置的隔震橡胶装置。此外还引入了隔震层阻尼器、传感器和强震仪等各种装置,是一座汇集了城市地震工程学精华的建筑。

另一方面,近年来以城市为中心,超高层建筑纷纷涌现。能容纳整条街的人口、高度超过100米的超高层建筑被广泛用于商业、住宅、办公和教育等用途,堪称社会和经济枢纽。

如果高楼林立的城市遭遇特大地震,一旦超高层建筑遭受地震破坏,影响将无法估量。东京工业大学科学技术创成研究院的吉敷祥一副教授正在以发生特大地震后也能维持日常生活的超高层建筑为目标,通过产学共创平台共同研究推进项目(OPERA)的“社会活动持续技术共创联盟”(SOFTech)开发相关技术。

通常通过向立柱和横梁等结构构件施加荷载以模拟地震作用来评估建筑物的抗震性能。对于超高层建筑和桥梁等大型结构,日本没有能够对大型结构的抗震性能进行实验的大型实验装置,所以目前通常利用能够放到实验装置上的缩尺试验模型进行安全性能验证实验。这种实验方法如果能明确足尺构件和缩尺模型的尺寸差异所带来的物理特性的差异,那么可以认为这是一种有效的评估方法。

然而目前只能设想各种尺寸效应,通过计算来推测结构是否安全。结果不得不采取多重安全对策,导致建筑成本不断升高。吉敷表示:“如果制造出可以评估足尺试验体抗震性能的大型实验装置,就可以准确地进行评估。由于需要更多的建设资金,所以必须让尽可能多的人了解大型实验装置的必要性”。

为此,为确认结构材料有多大的尺度效应,吉敷在实验中对具有不同尺寸和不同焊接缺陷的钢框架结构模型施加荷载,考察了足尺结构在多大的力和变形在才会发生断裂(图2)。此次实验结果表明,结构构件连接部位的变形能力具有明显的尺寸效应,这使得参加实验的很多技术人员重新认识到足尺实验的必要性。吉敷指出了大型结构存在的课题:“隔震装置之一的叠层橡胶支座是采用层状重叠钢板和橡胶制成的。其尺寸越大,就越难在批量生产中将二者均匀且没有缺陷地结合在一起”。另外,一次焊接的焊缝宽度通常为3毫米至4毫米,如果要精确地制作四分之一缩尺模型,焊缝宽度必须小于1毫米,这样的精细焊接也是无法实现的。

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图2:在参加SOFTech的诸多企业和结构技术人员的注视下实施的足尺破坏性实验。准备了三种不同尺寸的几何形状相似的钢梁,考察了使钢梁断裂所需的力和变形。结果表明,如果以相似形状改变钢梁焊接时的缺陷,则尺寸越接近足尺,钢梁的变形能力越小,焊接部位容许的缺陷尺寸具有尺寸效应。

另外,如果想制作钢筋混凝土的缩尺试验体,则水泥中混合的碎石和沙子的尺寸也必须以严格的比例缩小,这在现实中也是不可能实现的。如上所述,通过缩尺试验推算建筑结构抗震性能的做法存在局限性。因此吉敷的研究团队表示,今后将继续敦促相关部门以建设能够准确评估结构构件抗震性能的大型实验装置。

还需要非结构构件的评估方法
安装传感器进行实验

超高层建筑内部受损的话就难以继续使用。实际上就有很多虽然结构构件没有受到太大的损伤,但因墙壁和天花板等非结构构件受损而导致建筑物无法使用的情况。

建筑物的设计一般分为立柱和横梁等结构构件以及天花板和隔墙等非结构构件。即使在东日本大地震后,抗震性能的评估也仍以结构构件为主要研究对象。吉敷介绍说:“必须对非结构构件的抗震性能也进行准确的评估和改进,否则无法建造出灾后仍能继续安全使用的建筑物”。

由于以前没有像研究结构构件那样研究过非结构构件的抗震性能,并不清楚测量什么以及如何测量才能合理评估非结构构件的安全性。因此,SOFTech在实验中模拟了实际建筑物的钢柱和隔墙,并通过施加模拟地震作用的变形对其进行破坏性试验(图3)。墙壁上安装了大量监测构件变形和晃动的传感器。目的是明确地震的晃动是如何传递给墙壁并造成破坏的。

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图3:在足尺隔墙上安装传感器进行实验

如果能通过反复进行这样的实验建立评估非结构构件抗震性能的方法,就有望实现更安全的设计。另外,如果能随时监测整座建筑,那么发生紧急情况时楼里的用户就能当场判断是否需要立即疏散避难。应对不知何时会发生的自然灾害的准备工作往往总会被拖延,所以吉敷的团队还在探索可以在地震未发生的平时也能使用的系统,用于譬如建筑内设备的故障时的通知或定时维护的通知等用途。

在熊本地震中判定建筑物的损伤状况
虽然判断为“重新装修即可”但最后还是被拆除

吉敷开始关注非结构构件安全性的契机是2011年东日本大地震和2016年熊本地震。吉敷在东日本大地震发生1个月后前往灾区,调查了建筑结构构件是如何损坏的。在宫城县内的学校体育馆里,天花板掉了下来,散落一地(图4)。学校的老师询问吉敷体育馆还能不能继续使用。吉敷说:“我当时无法回答。我虽然是作为建筑结构和防灾方面的专家去的现场,但只研究了结构构件是如何损坏的,从来没有想过建筑物是否可以放心安全地继续使用”。以这件事为契机,吉敷开始研究开发通过外观推测建筑物损伤的方法。

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图4:吉敷当初调查的宫城县体育馆。天花板的材料掉下来,散落一地。通过这些经验教训,没有天花板的体育馆此后开始增加,为后来的熊本地震减轻了损失。

吉敷着眼于墙壁和天花板破损时裸露出来的钢框架结构,开发出一种可通过钢构件上涂覆的防锈涂料的脱落程度来推测钢结构损伤的方法。另外,考虑到用来提高抗震性能的斜撑因为在地震作用下发生弯曲变形的实际情况,还开发出了根据斜撑的弯曲程度来推测结构构件损伤程度的方法。

这些评估方法在熊本地震中派上了用场。地震发生后立即前往灾区进行调查的吉敷评估了建筑物的结构构件的损伤情况。访问某所学校时发现,教室的隔墙倒塌了,但所幸没有人员伤亡。建筑结构完全没有损坏,因此吉敷判断这座建筑重新装修的话可以继续使用。不过,据说这座建筑几年后还是被拆除了(图5)。

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图5:教室的隔墙在熊本地震的摇晃中倒塌。吉敷调查发现,这所学校的建筑结构没有受损,不过最后整个校舍还是被推倒重建了。

“无论怎样重新修建墙壁,但没人愿意在会让人想起地震灾害的教室里上课”,学校有关人员说的这句话至今仍留在吉敷的脑海中。从那时起,吉敷一直在认真思考建筑物使用者所需要的安心感和安全性究竟是什么的问题。

了解灾民的心理
建造可以避难的高层建筑

基于用户对受灾建筑物所产生得恐惧心理而无法继续使用的经验,从心理学角度考虑安心感和安全性的项目组也参加了SOFTech。东京工业大学博雅教育研究教育院的永岑光惠副教授利用坐在椅子上就可以模拟体验地震摇晃的“地震坐椅”,以及可以摇晃实际尺寸房间的“足尺振动台”,开展了根据心率和出汗情况判断地震中人的心理和生理状态的实验(图6)。如果能在今后的研究中明确该如何提供减轻心里不安所需信息的方法,用户应该就可以放心地使用安全的建筑。

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图6:利用VR眼镜观看摇晃的室内影像,同时坐在“地震坐椅”上体验晃动,受试者会感觉到强烈的恐惧感。通过这种实验来探索减轻用户感到过度恐惧的信息提供的方法。

除了大学外,还有很多企业参加了SOFTech。吉敷团队的科学发现和研究成果在早期阶段就开始与加盟SOFTech的建筑公司和材料厂商共享。吉敷对SOFTech的活动充满期待。他表示:“如果各公司通过利用大学的研究成果研发出相应的产品上市销售,那么安全的建筑物会不断增加。这样就会诞生出遭遇特大地震时能容纳很多人的‘可以避难的高层建筑’”(图7)。

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图7:发生东日本大地震时,首都圈也有强烈的震感。工学院大学新宿校区的28层建筑在确认安全性后,于地震当天接收了无法回家的人。(图片由工学院大学建筑学部的久田嘉章教授提供)

每当特大地震发生后,人们都会积极讨论隔震和减震等抗震技术的必要性,但时间一久,这种讨论往往就会减少。日本隔震结构协会的调查显示,阪神大地震和新泻县中越地震等大地震刚发生后,采用隔震建筑的数量会大幅增加,但之后增幅就越来越小了。吉敷说:“希望能通过产学界的共同努力,将日本打造成世界领先的抗灾社会”——在东日本大地震十周年之际,吉敷再次坚定了决心。

日文:JSTnews 2021年3月号
中文:JST客观日本编辑部

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