作者：楊笑天

地震是地球釋放能量的一種方式，像是地球的脈動。在有準確記載的20世紀裏，平均每年發生18次7.0~7.9級的大地震，每年發生1次超過8.0級的特大地震。

現代結構抗震理論從1906年 美國舊金山地震 [M7.8]和1923年 日本關東地震 [M7.9] 兩次大地震的反思開始，至今經過了一百年曲折的發展。

從1980年代起，新材料、新抗震理論發展，以及隔震結構、減震結構的研究，進一步向工程實用轉化。學者提出越來越先進的理論和方法，人們對建築抗震技術的信心越來越多，尤其是強度、延性、耗能都表現優異的鋼結構。

但是，1994年美國北嶺地震[M6.7]，鋼結構出現了比較嚴重的震害，引起了人們「北嶺恐懼」的擔心。

很快「北嶺恐懼」的惡夢變成了現實。1995年，日本關西兵庫縣南部發生了矩震級M6.9的阪神大地震，震源深度20公里，震動加速度達到0.834g。所引起的地殼運動，將大阪等城市向不同方向移運1～4釐米。

阪神地震是日本繼1923年關東大地震後，損失最嚴重的一次。特別值得注意的是，有大約1000棟鋼結構建築遭受損壞，其中上百棟整體倒塌。很多鋼結構發生了預料之外的脆性破壞。本文主要介紹了阪神地震中鋼結構的震害現象，以及簡要分析。

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震害整體統計

阪神地震後，調查了993棟鋼結構建築，其震害程度的比例為：嚴重破壞/倒塌、中等破壞、輕微損壞和無損壞的比例為1：3：3：3。震害程度與結構形式的相關性不明顯。採用方鋼管柱的純框架，樑柱節點引起的破壞稍多一些。

R-R為普通框架、R-B為單方向支撐的框架

B-B為雙向支撐框架；H和□為柱截面形狀

鋼結構的破壞位置主要發生在柱子、樑柱節點和無撐框架的柱腳。樑柱節點採用較小的角焊縫的案例，有約50%發生了破壞。而採用全熔透焊接的案例，有21%破壞。

鋼 梁

鋼結構梁破壞的案例比較少，多數梁能夠發揮塑性，但也有少數脆性破壞案件。

▲ 鋼樑下翼緣塑性發展和局部屈曲

▲梁腹板屈曲

▲梁端母材的延性破壞

▲ 梁梁拼接處塑性發展

鋼 柱

阪神地震中鋼柱破壞震害數量比較多，柱子的破壞主要發生在首層和柱腳位置。尤其是冷彎成型的方鋼管柱(cold formed rectangular hollow sections columns, RHS柱)。包括局部屈曲、母材開裂、柱端部的變形過大、柱拼接連接等破壞形式。

▲ 冷彎成型的方鋼管柱從角部擴展的開裂

▲ 首層柱底部的脆性斷裂（外包砼柱腳）

▲ 首層柱底部的局部屈曲

冷成型方鋼管在地震作用下表現的延性很差。震害調查中，63個採用冷成型方鋼管的無支撐框架，在樑柱節點發生破壞，其中的70%處於倒塌或嚴重破壞的狀態。

▲ 冷彎成型的方鋼管柱，自拼接焊縫延伸的脆性破壞

▲ 冷彎方鋼管柱:母材的脆性破壞

主要原因是，在焊接應力和冷彎應力影響下，方管柱總體殘餘應力大、延性較差，尤其角部可能產生微隙的擴展，在地震下容易出現熱影響區母材和焊縫的開裂，並向柱本體延伸。

超高層建築的地震作用大，鋼柱在瞬間高應力作用下，發生了焊縫或母材脆性斷裂的幾個案例。

▲ 柱子側焊接熱影響區的脆性破斷

▲ 高層建築鋼柱拼接焊縫斷裂

高層建築焊接箱形柱：母材脆性斷裂

▲ 底層方形鋼柱的屈曲和過大變形

▲ H形鋼柱的屈曲

梁 柱 節 點

阪神地震中，許多樑柱節點發生脆性破壞。現場螺栓拼接節點比現場栓焊連接節點的破壞比例小。

▲ 兩種節點連接形式的破壞比例

工廠焊接的節點破壞形式主要為母材斷裂、焊縫破壞、和溶接端破壞。其中母材的斷裂多數是受到扇形過焊孔的應力集中引發的。

左為上翼緣、右為下翼緣

AC為焊縫熱影響區、B為縫縫(缺陷)

D為由扇形切口處應力集中導致的斷裂

▲ 下翼緣 扇形過焊孔應力集中，引起的脆性斷裂

▲ 下翼緣 扇形過焊孔應力集中，引起的脆性斷裂

採用角焊縫連接翼緣的節點承載力不足、變形能力差。調查中，採用角焊縫的29個案例，有約一半發生了破壞；而採用全熔透焊接的21案例，僅3例破壞。

▲ 梁端角焊縫連接破壞

冷成型方柱的柱樑節點的破壞，一種是伴隨著梁端塑性變形，連接焊縫的斷裂；另一種是柱截面的開裂，伴隨著梁端明顯的屈曲。此類震害的建築殘餘變形角在1/100左右。

▲ 節點處柱面板和橫隔板的撕裂

圓鋼管柱樑柱節點的破壞，較少發生柱子本體，主要為焊縫熱影響區和扇形過焊孔引起的脆性斷裂。採用貫通型橫隔板的節點也發現一些破壞，發生在梁的下翼緣，此時梁已進入塑性或屈曲。

▲ 橫隔板焊縫熱影響區的斷裂

樑柱焊接節點的下翼緣容易產生焊接缺陷。在阪神地震時，即使工地的焊接管理做得很充分的建築，這種節點破壞形式的仍然達到梁端牛腿式連接節點的3倍。下圖對比了兩者在最大抗力、變形性能方面的差異。

▲ 工地連接和梁端牛腿式連接的荷載-變形關係

延性設計的結構表現良好，節點延性破壞，甚至發生鋼材拉伸頸縮現象。這類結構未發生較大的整體變形，內外建築裝飾也沒發生明顯的破壞。

高強螺栓連接的表現比較好，很少出現脆性破壞。栓的破壞主要發生在梁端腹桿連接處。

▲ 腹板螺栓在彎剪組合作用下的破壞震害

▲ 方鋼管柱內部橫隔板角焊縫不足

導致柱子鋼板面外較大的變形

柱 腳

柱腳的破壞主要集中在錨栓、柱底焊縫和錨固底板的變形。其中由錨栓引起的破壞數量最多，在今後的設計應予以重視。

▲ 外露式柱腳：錨栓剪斷

▲ 外露式柱腳：錨栓拉出

錨栓的破壞有斷裂和拉出兩種，均會導致柱腳承載力和耗能能力下降。此外，柱腳的破壞形式還有柱與底板焊縫破壞、柱腳抗剪破壞、外包混凝土破壞等。

從各式柱腳的破壞比例來看，約50%的外露式和外包式柱腳發生了損傷，而埋入式柱腳的損傷比例僅13%。

▲ 錨栓破壞：外包式柱腳

▲ 外包柱腳：混凝土破壞導致嚴重破壞

支 撐

由於支撐構件的長細比一般比較大，地震中的破壞形式以失穩和節點連接破壞為主。

▲ H形支撐失穩破壞

▲ 槽鋼支撐的失穩破壞

▲ 支撐端部節點板破壞

▲ 方管截面的支撐：高強螺栓連接破壞

地震中支撐的瞬時力可能遠大於設計值

截面為小型材的支撐(角鋼、圓鋼、鋼板條)，比大斷面型材(H型鋼、圓管、方管)的破壞更嚴重。

▲ 支撐節點偏心導致柱子脆斷

空 間 結 構

空間結構的震害較輕，破壞主要發生在支座、支座附近的桿件，以及支撐構件。

▲ 支座處混凝土保護層剝落

▲ 支座抗剪破壞，移位

▲ 網架支座處桿件斷裂、屈曲

▲ 焊接球節點連接破壞

▲ 大跨連橋結構：弦桿和斜腹桿失穩破壞

疑似因兩側建築相向的擠壓運動導致的

鋼 支 座

鋼支座的主要破壞形式，包括上下鑄鋼件破壞、抗剪鍵破壞、銷軸耳板剪切破壞、錨栓拉起或破斷、底板破壞、周邊混凝土結構破壞等。

▲ 銷軸支座的被剪斷

▲ 鑄鋼支座的脆性斷裂

▲ 固定球鉸支座上盤鑄鋼件的抗剪脆性破壞

▲ 底板下方的後灌漿變形能力差

底板下方的後灌漿變形能力差，在地震作用非常容易開裂、破碎，進而導致錨栓的預緊力喪失，支座的抗剪和抗拉能力迅速下降。這種震害在311東日本大地震和熊本地震中也大量出現。日本工程設計和學者做了一些相關改近的研究，包括墊橡膠塊，或者引入摩擦阻尼，以提高支座的變形和耗能能力。

混凝土結構

在阪神地震中，大量的高架橋柱墩和建築結構中的短柱，出現嚴重的脆性剪切破壞，甚至導致結構整體倒塌破壞地震導致阪神地區超過四分之一的高架橋不可使用。

高架橋混凝土柱脆性剪切破壞導致的整體倒塌

震 災 之 後

日本根據震害調查提出了修訂的《建築基準法》，對已有建築物進行耐震鑒定和改修。同時，引入了依據性能的設計方法，要求保證結構本身的抗震性能外，還要滿足地震後的正常功能以及生命財產的保護。我國設計規範也吸取了阪神地震的教訓，對設計方法和構造做了相應改進。

震後重建的神戶港

阪神地震中減震和隔震結構的表現很好，促進了這兩種新技術的迅速發展，多種新型的減震隔震裝置被開發和應用。

隔震結構示意

隨著科學技術的發展，各種新技術相互融合。主動控制、被主動控制的減隔震技術，高性能材料、電磁材料、形狀記憶合金等新材料也在工程抗震中迅速地得到應用。相信有一天，依靠人類的集體智慧，我們能夠完美應對「大地的狂怒」。

注1：阪神地震的震中靠近人口建築密集的城市，雖然震級不算大，但震中烈度非常高，造成了大量的建築物、高架橋樑、鐵路、城市水電氣設施破壞。阪神地震引發了學者對「城市直下型地震」的關注。[注:我國1976年的唐山大地震(M7.5)也屬於城市直下型地震]

參考資料：

http://1.wikipedia.org/wiki

2.阪神地震震害調查報告

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