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                    客觀日本

                    讓大都市超高層建筑更安全,維系社會和經濟活動的進行

                    2021年04月02日 抗災防災

                    在地震頻發的日本,為了能在特大地震發生后迅速恢復社會和經濟活動,建筑物的安全性非常重要。東京工業大學科學技術創成研究院的吉敷祥一副教授著眼于匯集了大城市樞紐功能的超高層建筑的安全性,嘗試構建讓生活在這些建筑里的人們無論是在日常生活中還是在發生災害時都能感到安心的系統。

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                    吉敷 祥一
                    東京工業大學 科學技術創成研究院副教授
                    2020年起擔任OPERA領域總負責人

                    結構材料的“尺度效應”
                    通過足尺實驗進行性能分析

                    東日本大地震已經過去10年。為實現安心安全的社會,從明確地震的機制開始,到地方政府重新評估避難計劃,各個領域都在吸取地震的教訓并重新制定對策。建筑行業也開發了使建筑物免受地震晃動影響的抗震技術,并逐漸普及開來(圖1)。

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                    圖1:東京工業大學鈴懸臺校區J2棟基礎部分設置的隔震橡膠裝置。此外還引入了隔震層阻尼器、傳感器和強震儀等各種裝置,是一座匯集了城市地震工程學精華的建筑。

                    另一方面,近年來以城市為中心,超高層建筑紛紛涌現。能容納整條街的人口、高度超過100米的超高層建筑被廣泛用于商業、住宅、辦公和教育等用途,堪稱社會和經濟樞紐。

                    如果高樓林立的城市遭遇特大地震,一旦超高層建筑遭受地震破壞,影響將無法估量。東京工業大學科學技術創成研究院的吉敷祥一副教授正在以發生特大地震后也能維持日常生活的超高層建筑為目標,通過產學共創平臺共同研究推進項目(OPERA)的“社會活動持續技術共創聯盟”(SOFTech)開發相關技術。

                    通常通過向立柱和橫梁等結構構件施加荷載以模擬地震作用來評估建筑物的抗震性能。對于超高層建筑和橋梁等大型結構,日本沒有能夠對大型結構的抗震性能進行實驗的大型實驗裝置,所以目前通常利用能夠放到實驗裝置上的縮尺試驗模型進行安全性能驗證實驗。這種實驗方法如果能明確足尺構件和縮尺模型的尺寸差異所帶來的物理特性的差異,那么可以認為這是一種有效的評估方法。

                    然而目前只能設想各種尺寸效應,通過計算來推測結構是否安全。結果不得不采取多重安全對策,導致建筑成本不斷升高。吉敷表示:“如果制造出可以評估足尺試驗體抗震性能的大型實驗裝置,就可以準確地進行評估。由于需要更多的建設資金,所以必須讓盡可能多的人了解大型實驗裝置的必要性”。

                    為此,為確認結構材料有多大的尺度效應,吉敷在實驗中對具有不同尺寸和不同焊接缺陷的鋼框架結構模型施加荷載,考察了足尺結構在多大的力和變形在才會發生斷裂(圖2)。此次實驗結果表明,結構構件連接部位的變形能力具有明顯的尺寸效應,這使得參加實驗的很多技術人員重新認識到足尺實驗的必要性。吉敷指出了大型結構存在的課題:“隔震裝置之一的疊層橡膠支座是采用層狀重疊鋼板和橡膠制成的。其尺寸越大,就越難在批量生產中將二者均勻且沒有缺陷地結合在一起”。另外,一次焊接的焊縫寬度通常為3毫米至4毫米,如果要精確地制作四分之一縮尺模型,焊縫寬度必須小于1毫米,這樣的精細焊接也是無法實現的。

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                    圖2:在參加SOFTech的諸多企業和結構技術人員的注視下實施的足尺破壞性實驗。準備了三種不同尺寸的幾何形狀相似的鋼梁,考察了使鋼梁斷裂所需的力和變形。結果表明,如果以相似形狀改變鋼梁焊接時的缺陷,則尺寸越接近足尺,鋼梁的變形能力越小,焊接部位容許的缺陷尺寸具有尺寸效應。

                    另外,如果想制作鋼筋混凝土的縮尺試驗體,則水泥中混合的碎石和沙子的尺寸也必須以嚴格的比例縮小,這在現實中也是不可能實現的。如上所述,通過縮尺試驗推算建筑結構抗震性能的做法存在局限性。因此吉敷的研究團隊表示,今后將繼續敦促相關部門以建設能夠準確評估結構構件抗震性能的大型實驗裝置。

                    還需要非結構構件的評估方法
                    安裝傳感器進行實驗

                    超高層建筑內部受損的話就難以繼續使用。實際上就有很多雖然結構構件沒有受到太大的損傷,但因墻壁和天花板等非結構構件受損而導致建筑物無法使用的情況。

                    建筑物的設計一般分為立柱和橫梁等結構構件以及天花板和隔墻等非結構構件。即使在東日本大地震后,抗震性能的評估也仍以結構構件為主要研究對象。吉敷介紹說:“必須對非結構構件的抗震性能也進行準確的評估和改進,否則無法建造出災后仍能繼續安全使用的建筑物”。

                    由于以前沒有像研究結構構件那樣研究過非結構構件的抗震性能,并不清楚測量什么以及如何測量才能合理評估非結構構件的安全性。因此,SOFTech在實驗中模擬了實際建筑物的鋼柱和隔墻,并通過施加模擬地震作用的變形對其進行破壞性試驗(圖3)。墻壁上安裝了大量監測構件變形和晃動的傳感器。目的是明確地震的晃動是如何傳遞給墻壁并造成破壞的。

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                    圖3:在足尺隔墻上安裝傳感器進行實驗

                    如果能通過反復進行這樣的實驗建立評估非結構構件抗震性能的方法,就有望實現更安全的設計。另外,如果能隨時監測整座建筑,那么發生緊急情況時樓里的用戶就能當場判斷是否需要立即疏散避難。應對不知何時會發生的自然災害的準備工作往往總會被拖延,所以吉敷的團隊還在探索可以在地震未發生的平時也能使用的系統,用于譬如建筑內設備的故障時的通知或定時維護的通知等用途。

                    在熊本地震中判定建筑物的損傷狀況
                    雖然判斷為“重新裝修即可”但最后還是被拆除

                    吉敷開始關注非結構構件安全性的契機是2011年東日本大地震和2016年熊本地震。吉敷在東日本大地震發生1個月后前往災區,調查了建筑結構構件是如何損壞的。在宮城縣內的學校體育館里,天花板掉了下來,散落一地(圖4)。學校的老師詢問吉敷體育館還能不能繼續使用。吉敷說:“我當時無法回答。我雖然是作為建筑結構和防災方面的專家去的現場,但只研究了結構構件是如何損壞的,從來沒有想過建筑物是否可以放心安全地繼續使用”。以這件事為契機,吉敷開始研究開發通過外觀推測建筑物損傷的方法。

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                    圖4:吉敷當初調查的宮城縣體育館。天花板的材料掉下來,散落一地。通過這些經驗教訓,沒有天花板的體育館此后開始增加,為后來的熊本地震減輕了損失。

                    吉敷著眼于墻壁和天花板破損時裸露出來的鋼框架結構,開發出一種可通過鋼構件上涂覆的防銹涂料的脫落程度來推測鋼結構損傷的方法。另外,考慮到用來提高抗震性能的斜撐因為在地震作用下發生彎曲變形的實際情況,還開發出了根據斜撐的彎曲程度來推測結構構件損傷程度的方法。

                    這些評估方法在熊本地震中派上了用場。地震發生后立即前往災區進行調查的吉敷評估了建筑物的結構構件的損傷情況。訪問某所學校時發現,教室的隔墻倒塌了,但所幸沒有人員傷亡。建筑結構完全沒有損壞,因此吉敷判斷這座建筑重新裝修的話可以繼續使用。不過,據說這座建筑幾年后還是被拆除了(圖5)。

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                    圖5:教室的隔墻在熊本地震的搖晃中倒塌。吉敷調查發現,這所學校的建筑結構沒有受損,不過最后整個校舍還是被推倒重建了。

                    “無論怎樣重新修建墻壁,但沒人愿意在會讓人想起地震災害的教室里上課”,學校有關人員說的這句話至今仍留在吉敷的腦海中。從那時起,吉敷一直在認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問題。

                    了解災民的心理
                    建造可以避難的高層建筑

                    基于用戶對受災建筑物所產生得恐懼心理而無法繼續使用的經驗,從心理學角度考慮安心感和安全性的項目組也參加了SOFTech。東京工業大學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擬體驗地震搖晃的“地震坐椅”,以及可以搖晃實際尺寸房間的“足尺振動臺”,開展了根據心率和出汗情況判斷地震中人的心理和生理狀態的實驗(圖6)。如果能在今后的研究中明確該如何提供減輕心里不安所需信息的方法,用戶應該就可以放心地使用安全的建筑。

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                    圖6:利用VR眼鏡觀看搖晃的室內影像,同時坐在“地震坐椅”上體驗晃動,受試者會感覺到強烈的恐懼感。通過這種實驗來探索減輕用戶感到過度恐懼的信息提供的方法。

                    除了大學外,還有很多企業參加了SOFTech。吉敷團隊的科學發現和研究成果在早期階段就開始與加盟SOFTech的建筑公司和材料廠商共享。吉敷對SOFTech的活動充滿期待。他表示:“如果各公司通過利用大學的研究成果研發出相應的產品上市銷售,那么安全的建筑物會不斷增加。這樣就會誕生出遭遇特大地震時能容納很多人的‘可以避難的高層建筑’”(圖7)。

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                    圖7:發生東日本大地震時,首都圈也有強烈的震感。工學院大學新宿校區的28層建筑在確認安全性后,于地震當天接收了無法回家的人。(圖片由工學院大學建筑學部的久田嘉章教授提供)

                    每當特大地震發生后,人們都會積極討論隔震和減震等抗震技術的必要性,但時間一久,這種討論往往就會減少。日本隔震結構協會的調查顯示,阪神大地震和新瀉縣中越地震等大地震剛發生后,采用隔震建筑的數量會大幅增加,但之后增幅就越來越小了。吉敷說:“希望能通過產學界的共同努力,將日本打造成世界領先的抗災社會”——在東日本大地震十周年之際,吉敷再次堅定了決心。

                    日文:JSTnews 2021年3月號
                    中文:JST客觀日本編輯部