XK星空 “CES结构”兼具高抗震性和出色的可建性——它们是什么？

铃木胜

专业领域: 钢筋混凝土结构、钢-混凝土组合结构、抗震设计

建立下一代建筑结构，供日本这个被称为“地震之国”的国家使用。日本是一个小岛国，国土面积不到世界总面积的025%，但约20%的60级以上地震发生在日本及其周边地区。人们还担心不久的将来会发生大地震，例如南海海槽地震。为了最大限度地减少地震损害，开发、设计和建造无忧的抗震建筑结构将变得越来越重要。另一个紧迫的问题是随着工作人口继续老龄化，确保建筑工地未来的工人安全。

铃木胜副教授的专业是地震工程，他的目标是一举解决这两个问题。他正在研发一种名为混凝土包钢（CES）的新型混凝土结构，该结构具有出色的可建造性（无需熟练技术）和出色的抗震性。仅由纤维增强混凝土和钢框架组成的 CES 结构作为日本“地震之国”的潜在主流建筑结构类型而受到关注，因为日本正面临人口下降的时代。

指明 CES 结构实际使用的合理途径

即使人们知道钢筋混凝土 (RC) 结构和钢 (S) 结构作为建筑结构类型，许多人也可能没有听说过结合了 RC 和 S 结构的钢框架钢筋混凝土 (SRC) 结构。 SRC建筑在日本大正时期发展起来，并以独特的方式演变。作为抗震性能突出的建筑结构，已应用于大型建筑和高层建筑。然而，自1990年以来，日本建造的建筑物数量迅速下降，主要原因是设计和施工复杂导致建设周期较长、成本较高。尽管如此，1995年阪神大地震造成的建筑损坏调查结果表明，SRC建筑的整体抗震性能明显优于其他结构。因此，日本于 2001 年开始对 CES 结构进行研发，该结构仅由钢框架和纤维增强混凝土 (FRC) 组成，作为一种建筑方法，可实现卓越的可建性，同时利用 SRC 结构的高抗震性。

“在CES结构中，SRC结构的钢筋并未被拆除。而是用FRC（即通过添加维尼纶纤维增强混凝土）取代了其防止混凝土掉落的功能。通过这种简单的方法，FRC只需浇筑在钢框架上，因此不需要SRC施工中所需的复杂钢筋工作。因此，我们可以在确保高抗震性的同时缩短施工周期和降低施工成本。”

CES 结构特别适合日本这个地震多发国家，人们担心工作人口的减少。铃木博士在硕士课程的第一年参与了这项研究。本科时的一位老师恰好是CES的创始人，他开始通过实验和分析来评估结构性能，这是实现CES结构实用化的关键工作。

十三年后，即 2022 年 5 月，这本书AIJ 基于性能评估概念的混凝土钢结构 (CES) 建筑结构设计指南（草案）由日本建筑学会出版。这本书是由铃木博士和他的同事合作编写的，提出了 CES 结构实际应用的明确路线图。

“在这本书中，我解释了抗震墙的结构设计方法，以及 CES 结构中结构构件的分析模型。这些对于设计 CES 结构的建筑的结构分析至关重要。我特别希望学生们，他们将成为下一代结构设计师，阅读这本书，为建筑结构的发展做出贡献。”

首次阐明CES结构中柱底座的结构性能

带着对 CES 结构未来传播的厚望，铃木博士研究了“柱基部分”，即建筑物和地基之间的边界。这是此前缺乏彻底验证的一点。他目前正在分析从开裂到破坏的动力特性，并利用结构性能的动力特性研究建筑物的抗震性能。

采用包钢的 CES 结构有两种柱基类型，具体取决于钢框架是否嵌入基础结构中。非预埋式在可施工性方面优于预埋式，但抗震性能远不如预埋式，因此每种类型都有优点和缺点。

“在建筑设计和施工中，工期、成本、抗震等各种因素错综复杂地交织在一起。因此，作为研究人员，我们认为预见各种情况，进行各种性能评估，从而提供多种选择，以便设计者能够根据自己的情况选择最佳方案，这一点非常重要。”

博士。铃木从结构实验开始。目的是观察向嵌入式测试样本施加模拟地震运动的力后的开裂情况。结果证实：首先，嵌入深度越浅，抗剪力越低；其次，阻力的大小根据是否有支撑嵌入钢架的底板而不同。这项工作首次展示了 CES 结构中嵌入式柱底座的结构性能。

接下来，为了提高非嵌入型的抗震性能，铃木博士通过在底板下侧制作带有防滑加固的测试样本来进行结构实验。这里的结果证实，防滑筋提高了抗剪力的能力，但试件侧面的基础混凝土存在损坏，因此该方法弊大于利。

像铃木博士这样在地震工程领域同时进行实验和分析研究的研究人员是不寻常的，他认为这是自己的优势之一。 “通过从实验和分析的角度进行研究，我不仅限于理论计算。我还可以通过实验演示混凝土中响应地震运动的力流和阻力，并用数字表达以前考虑的假设”

在每次柱基实验中，他还观察到结构在不失效的情况下所能承受的最大力，他正在将这些结果发展成设计CES结构所需的构件承载力评估公式的建议。

遭遇 CES 结构塑造了他的研究生涯

博士。铃木的目标是推进日本的地震工程，除了这项研究之外，他还致力于许多主题的研究。一个例子是他建立的一个系统，通过使用变形前后的高分辨率照片数据，可以对地震中发生的整个建筑物的混凝土裂缝进行可视化。该系统还可以自动确定损坏程度。

“目视观察整个建筑物中出现的小裂缝既耗时又麻烦。这是不现实的。因此，我开发了一种系统，可以通过数字图像相关 (DIC) 技术进行自动判断，我希望它可以大大提高确定建筑物安全性的效率，这在地震后是必要的。”

博士。铃木来自静冈县，该地区可能遭受南海海槽地震。从他上小学的时候起，就定期发生演习灾难，每个学生的椅子上都装有防灾罩。由于家乡地区的脆弱性，他有很多机会思考地震。他还伴随着做榻榻米的祖父，经常看到当地正在建设的房屋，这影响了他选择了地震与建筑相结合的抗震设计道路。回顾他的研究活动，他说“我与 CES 结构的相遇塑造了我的生活。”

“很少有人在研究 CES 的产品结构，所以我越努力，就能得到越多的成果。我可以带着在世界上建立新结构的热情进行研究，这是一个很大的动力。”

当我们听到“建筑设计”这个词时，人们往往会想到设计的艺术方面，但铃木博士希望他的学生成为强大的结构设计师。在这里，我们可以概括地看到他的想法：“我们在日本做建筑，所以我们无法摆脱结构问题。”

“CES 是我希望人们在日本这样的地震多发国家使用的一种结构类型。我热切期待有一天能够亲眼看到第一座采用 CES 结构建造的建筑，今后我将继续进行实验和分析，以进一步提高 CES 结构的精度和可靠性。我的目标是成为这一领域的领导者，被社会信赖为地震工程领域的“首选”人物。”

发布日期：2024 年 3 月/采访日期：2023 年 7 月

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