大地的狂怒--地震
原創：iStructure
----結構倒塌案例分析系列
在公眾號開設之初，小 i 寫了4篇結構倒塌案例分析的文章，分別是關於自然力量、偶然作用、設計失誤、空間結構破壞詳見文末鏈接。作為倒塌案例分析的終篇，我們今天說說結構工程師永遠繞不開的一個問題--地震。
地震是地球釋放能量的一種方式，像是地球的脈動、大地的狂怒。對於地震的最早記載可以追溯到很久以前，現代結構抗震理論從20世紀初兩次大地震的反思開始，至今經過了一百年曲折的發展。
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。進入21世紀之後，大地震似乎更加頻繁了。
限於篇幅，這裡只簡要介紹一點地震知識，以及對工程抗震設計有較大推動作用的幾次地震。
地震ABC
按成因分類，地震可分為塌陷地震、火山地震和構造地震。地殼運動引起的構造地震，佔總地震數的90％以上。絕大部分的破壞性地震為構造地震。
全球地殼可以分為六大板塊，太平洋、歐亞、美洲、非洲、印度－澳洲、南極板塊，各大板塊內部又有一些較小的板塊。板塊間的不協調的相對運動，引起巖層變形積累，達到一定程度突然破裂釋放的巨大能量，形成了地震。
從世界地震的分佈圖上可以看到，大小板塊邊緣都是地震集中處，最主要的地震帶有兩條：
1.環太平洋地震帶,約佔世界地震總數75％以上.
2.歐亞地震帶(至印度與環太平洋地震帶相遇).
世界上受地震威脅較多的國家有中國、日本、智利、墨西哥、美國、紐西蘭、義大利、土耳其等。我國位於歐亞板塊東南端，東為太平洋板塊和菲律賓板塊，南為印度洋板塊，歐亞板向東、太平洋板塊向西、印度洋向北擠，造成我國是地震多發、分佈範圍。
地震對建築的破壞程度與地震震級、震源深度、震中距、場地特性、建築特性等多因素相關,影響關係也比較複雜。
推動結構抗震設計的地震
回頭看工程抗震發展的歷史，也是人類從歷次地震中吸取經驗和教訓，不斷前進的過程。
1906年 美國舊金山地震 [M7.8]
發生在20世紀初的兩次大地震，1906年的美國舊金山地震[震級M7.8]、1908年的義大利Messina地震[M7.1]，被認為是現代建築結構抗震理論的起點。
San Andreas斷層錯動長達7m
大量建築倒塌，80%城區被毀
震後發生了嚴重的次生火災
人們開始注意到，地震引起的水平慣性力對結構造成破壞。於是，提出把地震作用看成一個水平力，取值為建築物總重量乘以一個係數。靜力法最早由日本學者大房森吉提出，佐野利器教授到舊金山考察震害後，於1914年建議地震係數取K=0.1。
靜力法將整個建築假定為一個剛體，只隨地面同步運動。根據牛頓運動定律，最大地震作用力等於建築總質量m與地面最大加速度a的乘積。靜力法的概念清楚、原理簡單，第一次將力學概念引入到抗震設計中，具有劃時代的意義。
1923年 日本關東地震 [M7.9]
1923年，日本關東地區發生7.9級的大地震，屬於城市直下型地震。地震和次生火災對東京和橫濱兩座城市造成了毀滅性的破壞。當時以鋼筋混凝土建造的建築物很少，大部分磚造房屋倒塌毀壞，木造建築則毀於大火。
以關東大地震為契機，1924年日本建築法規正式引入「地震作用係數」，將建築物重量的10%作為地震水平力作用於結構上(K=0.1)。此外，建議盡量增大建築物剛度的剛性設計法，以及限制建築高度在31m以下。1927年美國UBC規範第一版也採用了靜力法(K=0.1)。
靜力法將建築視為剛體的假設是有問題的。對於高度很低、剛度非常大的建築，這一假設尚可。但是，當建築高度略微增加、剛度有限時，作用在結構上的加速度呈放大的趨勢。
註：本圖不夠嚴謹，大家輕拍
經過數次地震檢驗後人們發現，靜力法按K=0.1並不能保證建築安全。1950年代，日本建築法將地震作用係數法提高，取K=0.2。
考慮到建築自身自振頻率的不同對地震作用的影響，20世紀中期，美國學者M.A.Biot提出由實測地震波計算反應譜的概念。美國學者Housner將多個實測的地震波代入單自由度動力反應方程，計算最大彈性地震反應，從而得出結構最大地震反應與結構自振週期的關係曲線。
之後，許多學者相繼提出用於抗震設計的設計反應譜。反應譜理論較真實地考慮了結構振動特點，計算簡單實用，目前仍是各國抗震規範中的主要方法之一。
後來，伴隨著計算機和結構分析理論的發展，多自由度複雜體系的時程分析得以實現。人們也發現結構的地震作用隨著自振週期增加而減小，柔性設計成為一種新的思路。1963年，日本施行了新的建築基準法，廢止了建築高度限制，城市高層建築開始發展。然而，隨後發生的一系列地震又暴露出許多設計問題。
1964年 美國阿拉斯加地震 [M9.2]
1964年 日本新瀉地震 [M7.6]
從1964年美國阿拉斯加地震[M9.2]、1964年日本新瀉地震[M7.6]、1968年十勝沖地震[M7.9]中磚石結構和混凝土結構損傷較為嚴重，而鋼結構建築的震災相對較小。
人們認識到，基於地震係數法的計算未必能保證建築安全，結構的延性和耗能對於抗震更加重要，並在抗震設計方法中引入與結構塑性變形能力有關的特性係數，強震下結構的彈塑性變形和耗能機製成為抗震研究的一個重要方向 [我國現行抗規引入了屈服強度係數]。同一時期，伺服式載入和振動臺試驗被應用於抗震研究中。
在1964年的新瀉地震和美國阿拉斯加地震中，還出現了地基失效、沙土液化的現象。含水的砂土在地震波的晃動下變得像流沙一樣能夠滑動，失去了承載力，導致建築整體下陷或傾倒。從此，防止地基液化成為建築地基抗震的一部分。
1985年 墨西哥城地震 [M8.0]
墨西哥城是建在一個湖泊的沉積層之上，湖泊盆地周邊是硬介質，而內部是軟介質。地學專家形象地比喻它是，建在「一個碗果凍」上的大城市。
1985年的墨西哥大地震發生在城市西南岸的太平洋底，距離墨西哥城400公里之遙，卻造成了非常嚴重的破壞。
原來，地震波在湖泊盆地內的疏鬆土體中多次反射，使得地面震動的幅度比基岩增大數倍，且地震波的卓越週期(約2s)十分突出，導致5~15層的建築破壞最為嚴重。
多層建築基本全部整體倒塌
而旁邊的高層建築(約20層)結構基本完好
林同炎先生設計的美洲銀行大廈基本完好，18層
從墨西哥城地震的特點出發，工程師開始關注地震卓越週期、場地特徵週期、軟土場地地震對建築的影響。
1994年 美國北嶺地震 [M6.7]
1995年 日本阪神地震 [M6.9]
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。日本提出了大地震保有耐力設計(Design against Level-2 EQ)設計方法，研究建築物的極限抗震性能，人們對建築結構抗震技術越來越有的信心。
但是，隨後1994年的美國北嶺地震[M6.7]，鋼結構仍然出現了比較嚴重的震害，引起了人們「北嶺恐懼」的擔心。
1994年美國北嶺地震震害
很快「北嶺恐懼」在日本變成了現實。1995年，日本關西兵庫縣南部發生了矩震級M6.9[里氏7.3級]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。
在歷史上，日本絕大多數地震發生在面向太平洋的關東地區，所以關東的房屋、橋樑等設施抗震指標更高，而關西的抗震要求則不那麼嚴格。阪神地震是日本繼1923年關東大地震後，損失最嚴重的一次。
1995年阪神大地震的加速度和震度(日本)
阪神地震震中的地表上下錯動
混凝土柱子抗剪破壞
一部分鋼結構發生了預料之外的脆性破壞，引起了嚴重的後果。研究學者和工程師開始重新審視了鋼結構的抗震性能和設計方法。註：關於阪神地震震害的分析，以後有機會再詳細展開。
冷彎方鋼管柱:母材的脆性破壞
某高層建築焊接箱形柱：母材脆性斷裂
柱腳錨栓被拉斷
鋼樑下翼緣：過焊孔應力集中導致的脆斷
銷軸支座的被剪斷
鑄鋼支座的脆性斷裂
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，自2000年全面施行。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]
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
地震次生災害
地震次生災害是指由地震誘發的火災、水災、海嘯、滑坡、泥石流、有毒物質污染等，其造成的損失可能比地震直接災害還大。例如，1923年日本關東大地震後的火災、1970年祕魯大地震後山體滑坡和泥石流。近年最嚴重的地震次生災害，則當屬海嘯。
3次9.0級以上的地震均引起了巨大海嘯(2005年前)
左下角的淺藍色為1960年智利大地震的能量
圖：1906~2005年，地球地震釋放的能量
1960年的智利大地震，是地震監測史上規模最大的地震，矩震級達9.4~9.6[wiki]，里氏震級8.5。關於智利大地震的震級說法不一，因為它的能量實在太大了。從1906~2005年的地震能量佔比圖看，智利大地震及其餘震獨佔約1/4。
1960年的智利地震,海嘯Hmax=25m
梯度線為傳播時間h
1964年的阿拉斯加地震，海嘯Hmax=67m
梯度線為傳播時間h
1960年地震引起的海嘯，在智利海岸掀起了高達25米的海浪，主海嘯穿越太平洋，又侵襲了夏威夷、日本、菲律賓、澳洲東南部與阿拉斯加的阿留申羣島，經過24小時甚至傳到了我國東海岸，整個太平洋的海水被震蕩了數天。人類在大自然的力量面前，顯得十分渺小。
2004年印度洋大地震引發的海嘯
距地震數千公里外的夏威夷被海嘯襲擊
地震數日之後Cordón Caulle火山爆發
1960年的智利地震
2011年，日本311大地震引發的海嘯
地震和海嘯導致福島核電站泄露事故
我國的絕大部分地區都受到地震的威脅，在全國450個城市中有大約75%位於地震區，數次地震震災嚴重。工程抗震設計和研究是防災減災的關鍵，我們任重而道遠。
樂觀一點看，嚴格遵守抗震設計的建築在的地震中表現得比較好，近年的一些大地震甚至幸運地實現了「零傷亡」。從現代地震理論起步到今天，人類應對地震的過程從「毫無抵抗能力」到「可能做到零傷亡」，僅僅100年而已。
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：本文中地震採用矩震級，數值來源於維基百科，如有疑義感謝留言指正。
注2：由於里氏震級與震源的物理特性沒有直接的聯繫，並且存在「震級飽和」的問題。矩震級是由加州理工學院的金森博雄教授於1977年提出的，比較全面地描述地震的物理特性，如地層錯動的規模和地震的能量等。20世紀70年代以後，地震學者普遍認為矩震級能更準確地反應地震的規模大小。
參考資料：
http://1.wikipedia.org/wiki
2.阪神地震震害調查報告
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