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众所周知,日本是一个地震频发的国家。据不完全统计,从1900年到2007年的207年中,日本共发生6级以上地震140次,其中7级以上93次,8级以上14次。20世纪的100年中,6级以上地震几乎每年发生一次,7级以上地震每两年一次,8级地震每12年一次;到了21世纪,其发生频率更高,7年间,6级以上地震每年发生两次,7级以上地震每年发生一次。
在日本近代,损失最惨重的地震要数1923年的关东大地震和1995年的神户大地震。
日本地震、尤其是大地震发生如此频繁,除上述两大地震损失惨重外,其余地震造成的损失可以说并不严重。这不但与日本使用轻质材料(主要为木材)建房有关,也与日本在地震设防(耐震)方面的研究成果和技术水平有很大关系,可以说日本对于地震的研究在近代一直处于世界领先的水平。

房屋的地震设防无不与其国家当时的国力相关
纵观世界,房屋的地震设防无不与其国家当时的国力相关。日本的建筑地震设防也有一个从耐震、制震到免震,从防死、防伤到防损坏的发展过程。下面,简单介绍一些日本在建筑地震设防方面的情况,先谈“耐震”和“制震”、再重点谈谈有关“免震”。
日本的“耐震”相当于中国的“抗震”。日本的建筑耐震设计标准有一个从低到高、从宽到严的发展过程,整个过程无不与日本的经济发展、科学技术水平相关。日本于1920年制定了“市街地建筑物法”,对建筑用地、结构、设备及用途等作了相关规定,但对地震力未作规定;关东大地震后的1924年对“市街地建筑物法”进行了修正,增加了建筑耐震相关内容,并规定建筑物的地震加速度为0.1g,材料强度安全率为3.0。
1948年福井发生里氏7.1级地震,1950年废除了“市街地建筑物法”,制定了“建筑基准法”,并颁布了“建筑基本法施行令”,除对上述内容作了相关修正外,将建筑物的地震加速度由0.1g提高到了0.2g;1968年十勝冲发生里氏7.9级地震,钢筋混凝土结构柱剪切破坏明显,1971年修正“建筑基准法施行令”,强化了钢筋混凝土结构有关规定;1978年宫城县冲发生里氏7.4级地震,1981年对“建筑基准法”和“建筑基准法施行令”进行了全面修正,导入了二次设计理念并就增强房屋韧性作了相关规定,确立了“新耐震设计基准”。
在1995年发生的神户大地震中,1982年以前所建的房屋大部分垮塌,而同地区在其后所建的房屋、包括大型公共建筑、超高层建筑等都安然无恙。也就是说“新耐震设计基准”起到了应起的作用,保证了房屋的安全和不受损坏。但是,耐震的极限只能保证地震时房屋建筑不坏,并不能保证室内家具倾倒伤人,也不能保证家庭财产不受损失。
日本的“制震”相当于中国的“减震”,是对耐震的补充。为了减少地震对房屋主体结构的破坏,减小房屋震动、控制房屋水平变位,在房屋内部设置一些能吸收和消耗地震能量的装置,这些装置就叫“制震装置”。大地震时,这些装置最先吸收地震能量、承受地震力并先行破环。制震装置的破坏,一方面起到了保护建筑主体结构安全的作用,另一方面也减小了房屋的震动。制震装置适用于高层和超高层建筑,尤其对刚结构房屋的效果较好。制震装置的种类很多,目前在日本使用较多的有刚弹塑性型的、粘弹性型的、摩擦型的和流体抵抗型的等等。同样,制震能保证房屋更加安全,能减少人身伤亡、家财受损的程度,但不能杜绝。
日本的“免震”相当于中国的“隔震”。免震,即地震时“免去”或“避免”房屋震动;隔震则将房屋与地震“隔开”,地震时,被隔开的房屋当然不会震动。无论“免震”还是“隔震”都可在大地震发生时使房屋内家私不倒、人不受伤,理论极限可以达到使房屋彻底不震的程度。
免震或隔震的想法源远流长,有地震的时候肯定有人在想怎样才能使房子不震。方法其实也很简单,把房子和地面隔开,地动而房不动。在房子基础和地基之间铺沙层、垫滑板、做平面滚动轴承等等,都是可行之法。经过研究、试验、实践和筛选,在房屋的双重基础之间设置“橡胶钢板叠合隔震垫”的做法成了目前的主流做法。其主要性能是:垂直刚度大,可承受几百吨、乃至几千吨的房屋重量而压缩变形极小,具有钢板的性能;水平刚度小、柔软,地震时可产生很大的水平变位,避免地震力传递到上部建筑,具有橡胶的性能。
其实,免震并非日本发明,只不过是目前做得最好罢了。关东大地震后,当日本正处在“刚柔论争”最激烈的时候,在美国就有人提出了“把一层做柔,不让地震力传到上部房屋”的理论与方法。
据相关资料记载,日本有关免震的思想和研究与世界同步、起源于20世纪初期,但是,直到30年代中期均无实质性进展。后来,在长达10年的“刚柔论争”的论战中,因刚性理论设计思想被法律所规定成为耐震设计主流,免震设计的方法也随之而被排除在主流之外。但是,相关免震的研究并没有因此而停止。
之后,随着1960年开始的振动理论与耐震设计的结合、1964年建筑高度限制的废除、结构动态分析的普及等等,1981年对“建筑基准法”进行了全面修正,免震技术也才得到认可。1985年日本建筑中心建立了免震建筑评审制度,1989年日本建筑学会发布了“免震结构设计指针”,1993年成立了“日本免震结构协会”并对“免震结构设计指针”进行了修订等等,这些制度和规范的出台对免震技术的发展起到了非常积极的作用。
1995年神户大地震后,免震建筑像雨后春笋般地在日本得到了发展,免震评审制度已不能适应其发展速度,因此,1998年引入了“性能设计”的方法,2000年对“建筑基准法”进行了修正,在法律上确立了免震技术的地位,废除了对免震建筑的“建设大臣认定”制度,为免震技术的发展创造了良好的环境,使免震技术在建筑领域的应用得到了突飞猛进的发展。
从1983年建成的“八千代台住宅”(钢筋混凝土结构、两层)开始,到1995年神户大地震前的十几年间,日本建成的免震建筑不足百栋,且又多以建筑业界的自用研究所和单身宿舍居多,其房屋也多为单层或多层的小型建筑。1995年神户大地震时,在距震中35公里处的两栋免震建筑的观测数据显示,免震建筑的加速度约为非免震建筑的三分之一到四分之一,也就是说作用于免震建筑的水平地震力只有非免震建筑的三分之一到四分之一,与预期设想基本一致,免震效果得到了实践的证实。
此后,免震建筑数量大增,神户大地震当年通过免震评审的房屋栋数就接近前十几年的总和,第二年则历史性的高达200多栋,到目前已建成的免震建筑多达两千余栋。免震建筑也从最初的单层、多层扩展到高层、乃至超高层,现在,最高的免震建筑已经高达五十层、177米。同时,免震技术也在原子能发电站、古建筑保护等方面得到了广泛的应用。
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