在地震频发的日本，为了在大地震后迅速恢复社会经济活动，建筑物的安全性非常重要。东京工业大学科学技术研究所副教授祥一吉树专注于整合大型城市枢纽功能的超高层建筑的安全性，并试图建造让居住在这些建筑中的人们安全的结构无论是在日常生活中还是在发生灾难时。一个让您时刻感到安心的系统。
Shoichi Yoshiki（东京工业大学科技创新研究所副教授，自 2020 年起担任 OPERA 总经理）
结构材料的“规模效应”
通过全面实验进行性能分析
东日本大地震已经过去10年了。为了实现一个安全可靠的社会，各个领域都在吸取地震的教训并重新制定对策，从澄清地震发生机制到地方政府重新评估疏散计划。建筑行业也开发并逐步推广抗震技术，以保护建筑物免受地震晃动（图1）。
图1：东京工业大学铃鹿台校区J2楼地基安装的隔震橡胶装置。此外，还引进了隔震层阻尼器、传感器、强震仪等各种装置。它是一座汇集了城市地震工程精华的建筑。
另一方面，近年来，城市中超高层建筑层出不穷。超高层建筑可容纳整条街道的人口，高度超过100米，广泛用于商业、住宅、办公和教育用途，可被视为社会和经济中心。
如果一个高层建筑较多的城市遭遇大地震，一旦超高层建筑被地震损坏，影响将是不可估量的。东京工业大学研究生院科学技术研究科副教授 Shoichi Yoshiki 正在开展产学共创平台联合研究推进项目（OPERA）的“可持续社会活动”项目，目标是打造超级- 即使在大地震后仍能维持日常生活的高层建筑。技术共创联盟 (SOFTech) 开发相关技术。
建筑物的抗震性能通常通过向柱和梁等结构构件施加载荷来模拟地震作用来评估。对于超高层建筑、桥梁等大型结构，日本尚无可以测试大型结构抗震性能的大型实验装置。因此，安全性能验证实验通常采用可放置在实验装置上的按比例缩小的测试模型进行。如果这种实验方法能够明确由于全尺寸构件和比例模型之间的尺寸差异而引起的物理特性的差异，那么它可以被认为是一种有效的评估方法。
然而，目前我们只能想象各种尺寸效应并计算结构是否安全。因此，必须采取多种安全对策，导致施工成本上升。 Yoshiki说：“如果我们创建一个可以评估全尺寸试验体抗震性能的大型实验装置，我们就可以准确地评估它。由于需要更多的建设资金，所以有必要让尽可能多的人了解大型实验装置的必要性”。
为此，为了确认结构材料的尺度效应钢结构超高楼抗震，Yoshiki在实验中对不同尺寸、不同焊接缺陷的钢框架结构模型施加载荷，考察了全尺寸结构发生断裂时的受力和变形（图 2）。本次实验结果表明，结构构件连接部位的变形能力存在明显的尺寸效应，这让参与实验的众多技术人员再次认识到进行足尺实验的必要性。 Yoshiki指出了大型结构的问题：“隔震装置之一的板式橡胶支座是由分层的钢板和橡胶制成的，尺寸越大，在批量生产中就越难使它们均匀一致”另外，单次焊接的焊缝宽度通常为3毫米至4毫米，如果要精确生产四分之一比例的模型钢结构超高楼抗震，焊缝宽度必须小于1毫米。 ，无法实现如此精细的焊接。
图2：在参与SOFTech的众多公司和结构技术人员的注视下进行了全面的破坏性实验。准备了三种不同尺寸的几何相似的钢梁，并研究了导致梁断裂所需的力和变形。研究结果表明:如果钢梁焊接时的缺陷形状相似,其尺寸越接近真实尺寸,钢梁的变形能力越小,且焊接部位的允许缺陷尺寸存在尺寸效应。 。
另外，如果想要制作钢筋混凝土的比例试验体，水泥中掺入的碎石和沙子的尺寸也必须按照严格的比例减小，这在现实中也是不可能实现的。如上所述，通过规模试验推断建筑结构的抗震性能存在局限性。因此，Yoshiki的研究团队表示，他们将继续敦促有关部门建造能够准确评估结构构件抗震性能的大型实验装置。
还需要非结构部件的评估方法
安装传感器进行实验
超高层建筑内部如果遭到破坏，就很难继续使用。事实上，在很多情况下，虽然结构构件没有受到太大损坏，但墙壁、天花板等非结构构件却遭到破坏，导致建筑物无法使用。
建筑物的设计一般分为柱、梁等结构构件和天花板、隔断等非结构构件。即使在东日本大地震之后，抗震性能评价仍然以结构构件为主要研究对象。 “非结构构件的抗震性能也必须得到准确评估和改进，否则就不可能建造出灾后能够继续安全使用的建筑，”Yoshiki说。
由于非结构构件的抗震性能此前并未像结构构件那样进行研究，因此尚不清楚如何测量以及如何测量来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，并通过模拟地震效应的变形对其进行破坏性测试（图3）。墙壁上安装了大量传感器，监测构件的变形和晃动。目标是确定地震震动如何传递到墙壁并造成损坏。
图3：在全尺寸隔墙上安装传感器进行实验
如果能够通过反复进行这样的实验来建立一种评估非结构构件抗震性能的方法，就有可能实现更安全的设计。另外，如果能够随时监控整个大楼，大楼内的用户可以在发生紧急情况时当场判断是否需要立即疏散。对于未知何时发生的自然灾害，准备工作往往会被推迟，因此 Yoshiki 的团队也在探索即使没有发生地震也可以使用的系统，例如建筑物内设备故障的通知或定期维护的通知等。
确定熊本地震期间建筑物的损坏状况
虽然被判定为“翻新”，但最终还是被拆除了。
Yoshiki开始关注非结构构件安全的契机是2011年东日本大地震和2016年熊本地震。东日本大地震一个月后，Yoshiki前往灾区，调查建筑结构构件的受损情况。宫城县学校体育馆内，天花板倒塌，散落一地（图4）。学校的老师询问Yoshiki体育馆是否还能使用。 Yoshiki说：“我当时无法回答。虽然我以建筑结构和防灾专家的身份去了现场，但我只研究了结构构件是如何受损的。我从来没有想过这座建筑是否可以继续使用。”安全使用。” 。以这次事件为契机，Yoshiki开始研究和开发一种根据建筑物外观来估算建筑物损坏程度的方法。
图4：Yoshiki最初调查的宫城县体育馆。天花板材料脱落并散落在地板上。通过这些经验教训，无天花板体育馆此后开始增加，减轻了随后熊本地震中的损失。
Yoshiki着眼于墙壁和天花板受损时暴露的钢框架结构，并开发了一种根据钢构件上涂的防锈漆剥落程度来估计钢结构损坏程度的方法。此外，考虑到用于提高抗震性能的斜撑在地震作用下会发生弯曲变形，提出了一种根据斜撑弯曲程度来估算结构构件损坏程度的方法。
这些评估方法在熊本地震期间派上了用场。地震发生后，义树立即前往灾区调查，评估了建筑物结构构件的受损情况。在走访一所学校时，发现教室隔墙倒塌，所幸没有造成人员伤亡。建筑物的结构并没有受到任何破坏，因此Yoshiki判断，如果进行翻新的话，建筑物可以继续使用。但据说几年后该建筑就被拆除了（图5）。
图5：由于熊本地震的摇晃，教室的隔墙倒塌。芳树调查发现，学校的结构并没有遭到破坏，但最终整个校舍都被推倒重建。
“无论我们如何重建围墙，没有人愿意在一个让人想起地震灾难的教室里上课”，一位学校官员的这句话至今还留在Yoshiki的脑海里。从那时起，Yoshiki就一直在认真思考建筑使用者到底需要什么安全感和安全感。
了解灾民心理
建造高层建筑供人们避难
基于用户因灾难造成的恐惧而无法继续使用建筑物的经历，从心理角度考虑安心和安全的项目团队也参与了SOFTech。东京工业大学文科研究生院长泽光江副教授使用了坐在椅子上可以模拟地震摇晃的“地震椅”，以及可以摇动实际大小的房间的“全尺寸摇床”。和出汗情况来判断地震时人们的心理和生理状态（图6）。如果未来的研究能够阐明如何提供缓解不安所需的信息，用户应该能够放心地使用安全的建筑。
图6：使用VR眼镜观看晃动的室内图像，坐在“地震椅”上体验晃动，受试者会感到强烈的恐惧感。该实验探索了提供信息以减轻用户过度恐惧感的方法。
除了大学之外，还有许多公司参与 SOFTech。 Yoshiki 团队的科学发现和研究成果在早期阶段就与加入 SOFTech 的建筑公司和材料制造商共享。 Yoshiki对SOFTech的活动充满期待。他说，“如果企业利用大学的研究成果开发相应的产品并投放市场，安全建筑的数量将会不断增加。这将导致创建可容纳人员的‘疏散高层建筑’。”发生大地震时会有很多人。” ’”（图7）。
图7：东日本大地震发生时，首都圈也有强烈震感。工学院大学新宿校区的28层大楼在确认安全后，接纳了地震当天无法回家的人们。 （图片由工学院大学建筑学部久田义明教授提供）
每当大地震发生时，人们都会积极讨论隔震、减震等抗震技术的必要性，但随着时间的推移，这种讨论往往会减少。日本隔震结构协会的一项调查显示，阪神大地震、新泻县中越地震等大地震发生后，采用隔震结构的建筑物数量会大幅增加，但之后增加的幅度会越来越小。 Yoshiki表示：“希望通过产业界和学术界的共同努力，将日本建设成为世界领先的抗灾社会。”在东日本大地震十周年之际，芳树再次坚定了决心。
日语：JSTnews 2021 年 3 月号
中文：JST Objective Japan编辑部
