地震与抗震理论发展：从历史地震到现代抗震技术的进步

地震是地球释放能量的一种方式，就像地球的脉动一样。有准确记录的20世纪，平均每年发生7.0级至7.9级大地震18次，8.0级以上特大地震每年发生1次。

现代结构抗震理论始于对1906年旧金山地震[M7.8]和1923年日本关东地震[M7.9]两次大地震的反思，经历了一百年的曲折发展。

2001-2015年全球6.5级以上地震分布

20世纪80年代以来，新材料、抗震新理论的发展，以及隔震结构、减震结构的研究进一步转化为实际工程应用。学者们提出了越来越多先进的理论和方法，人们对建筑抗震技术，特别是强度、延性、能耗等优异的钢结构越来越有信心。

然而，在1994年美国北岭地震[M6.7]中，钢结构遭受了较为严重的震害，引发了人们对“北岭恐惧”的担忧。

1994 年美国北岭地震造成的损失

很快，“北岭恐惧”的噩梦就变成了现实。 1995年，日本关西兵库县南部发生了M6.9级阪神大地震。震源深度为20公里，振动加速度达到0.834g。由此产生的地壳运动使大阪等城市向不同方向移动了 1 至 4 厘米。

1995 年阪神大地震（日本）的加速度和震级

阪神地震震中地表上下移动

阪神地震是日本自1923年关东大地震以来最具破坏性的地震。特别值得注意的是，约有1000座钢结构建筑受损，其中数百座完全倒塌。许多钢结构都经历过意想不到的脆性破坏。本文主要介绍阪神地震中钢结构的震害现象，并进行简要分析。

总体地震损失统计

阪神地震后，对993栋钢结构建筑进行了调查，震害等级比例为：重度损坏/倒塌、中度损坏、轻微损坏、无损坏，比例为1:3:3:3。震害程度与结构形式的相关性不明显。对于纯方钢管柱框架，梁柱节点造成的破坏稍多。

震害与结构形式与柱截面的关系

RR是普通帧，RB是单向支持的帧

BB为双向支撑架； H、□为柱截面形状

钢结构的损坏部位主要发生在无支撑框架的柱、梁柱节点和柱脚处。在梁柱节点采用较小角焊缝的情况下，大约有 50% 会被损坏。在全熔透焊接的情况下，21%被损坏。

钢梁

钢结构梁损坏的案例相对较少。大多数梁都能发挥塑性，但也有少数发生脆性破坏。

▲ 钢梁下翼缘塑性发展及局部屈曲

▲梁腹板屈曲

▲梁端母材的延性破坏

▲梁与梁节点的塑性发展

钢柱

阪神地震中发生了较多的钢柱损坏，且柱的损坏主要发生在首层和柱基处。特别是冷成型矩形空心型材柱（RHS 柱）。包括局部屈曲、基材开裂、柱端过度变形、柱拼接连接等破坏形式。

▲冷弯方钢管柱角部裂纹延伸

▲首层柱底部脆性断裂（覆盖混凝土柱脚）

▲一层柱底部局部屈曲

冷弯方钢管在地震作用下延展性较差。震害调查中，63座冷弯方钢管无支撑框架在梁柱节点处受损，其中70%处于倒塌或严重损坏状态。

▲ 冷弯方钢管柱，脆性破坏从拼接焊缝处延伸

▲冷弯方钢管柱：母材脆性破坏

主要原因是在焊接应力和冷弯应力的影响下，方管柱整体残余应力较大，延展性较差，特别是拐角处可能出现微间隙扩展，对基体造成破坏。热影响区的金属和焊缝在地震作用下容易发生变形。裂纹并向柱体延伸。

超高层建筑受地震影响较大。钢柱曾经历过多起焊缝或母材在瞬时高应力作用下发生脆性断裂的案例。

▲柱侧焊接热影响区脆性断裂

▲高层建筑钢柱拼接焊缝断裂

高层建筑焊接箱形柱：母材脆性断裂

▲底层方钢柱屈曲、变形过大

▲H型钢柱屈曲

梁柱节点

在阪神地震中，许多梁柱节点发生脆性破坏。现场螺栓连接的损坏率比现场螺栓焊接连接的损坏率小。

▲两种节点连接破坏率

工厂焊接中节点损伤的主要形式是母材断裂、焊缝损伤、焊缝端部损伤。母材的断裂大部分是由扇形过焊孔应力集中造成的。

左边是上法兰，右边是下法兰

AC为焊缝热影响区，B为焊缝（缺陷）

D为扇形切口处应力集中引起的断裂

▲ 焊接节点断裂位置

▲下法兰扇形过焊孔应力集中导致脆性断裂

▲下法兰扇形过焊孔应力集中导致脆性断裂

采用角焊缝连接法兰的接头承载能力不足，变形能力差。在调查过程中，29个使用角焊缝的案例中约有一半被损坏；而采用全熔透焊的21个案例中，只有3个出现损坏。

▲梁端角焊缝连接损坏

冷弯方柱柱梁接头损伤的一类是梁端塑性变形和连接焊缝断裂；二是柱断面开裂，并伴有梁端明显屈曲。此类地震受损建筑物的残余变形角约为1/100。

▲节点处柱板和隔板撕裂

圆钢管柱梁柱节点的损伤很少发生在柱体上，主要是由于焊缝热影响区和扇形过焊孔引起的脆性断裂。当梁进入塑性或屈曲时，在带有贯通式隔板的接头中也发现了一些损坏，这些损坏发生在梁的下翼缘处。

▲隔膜焊缝热影响区断裂

梁柱焊接接头下翼缘容易出现焊接缺陷。阪神地震时，即使施工现场的焊接管理非常充分，该类型节点的损坏程度仍是梁端牛腿式连接节点的三倍。下图比较了两者在最大抗力和变形性能方面的差异。

▲ 施工现场连接与梁端牛腿连接荷载-变形关系

延性设计的结构表现良好，节点出现延性破坏，甚至钢材出现拉伸颈缩。该类型结构整体未发生较大变形，内外建筑装饰未见明显损坏。

高强度螺栓连接性能更好，很少发生脆性失效。螺栓损坏主要发生在梁端腹杆连接处。

▲ 弯剪联合作用下腹板螺栓破坏损伤

▲ 方钢管柱内隔板角焊缝不足

造成柱钢板面外变形较大

柱脚

柱脚的损坏主要集中在地脚螺栓、柱底焊缝和锚固底板的变形。其中，地脚螺栓造成的损坏数量最多，在今后的设计中应予以注意。

▲ 裸露的柱基：剪掉地脚螺栓

▲ 裸露的柱座：拔出地脚螺栓

地脚螺栓的损坏有两种类型：断裂和拔出，都会导致柱脚承载能力和耗能能力下降。此外，柱脚的损坏形式还有柱与底板焊缝的损坏、柱脚的剪力损坏、外部混凝土的损坏等。

从各类柱脚破损率来看，裸露式和包裹式柱脚破损率约为50%，而埋地式柱脚破损率仅为13%。

▲ 地脚螺栓损坏：外包柱底座

▲围护柱底座：混凝土损坏导致严重损坏

支持

由于支撑构件的长细比一般较大，地震中的破坏形式主要是失稳和节点连接破坏。

▲ H型支撑失稳与损坏

▲ 槽钢支架失稳及损坏

▲ 支撑端节点板损坏

▲ 方管截面支撑：高强螺栓连接损坏

地震时支架的瞬时受力可能远大于设计值

小截面的支架（角钢、圆钢、钢板条）比大截面的支架（H型钢、圆管、方管）损坏更严重。

▲ 支撑节点偏心导致立柱脆性断裂

空间结构

空间结构的地震损伤较轻，损伤主要发生在支架、支架附近的杆件、支撑构件等处。

▲ 支撑处混凝土保护层剥落

▲ 轴承抵抗剪切损伤和位移

▲ 网格支撑处的杆件断裂、弯曲

▲ 焊接球节点连接损坏

▲ 大跨桥梁结构：弦杆、斜腹杆失稳损坏

怀疑是由于建筑物两侧的建筑物挤压运动造成的。

钢支撑

钢支座的主要损坏形式有上下铸钢件损坏、剪力键损坏、销耳板剪切损坏、地脚螺栓拉起或断裂、底板损坏、周围混凝土结构等

▲ 销轴承被剪切

▲ 铸钢轴承的脆性断裂

▲ 固定球铰轴承上板铸钢件的抗剪切脆性破坏

▲ 底板下后灌浆变形能力差

底板下的后注浆变形能力差，在地震作用下极易开裂、断裂，进而导致锚栓预紧力丧失，剪拉力迅速下降轴承的阻力。这种震害在311东日本大地震和熊本地震中也大量出现。日本工程设计者和学者最近做了一些相关改进的研究，包括添加橡胶块或引入摩擦阻尼来提高轴承的变形和耗能能力。

混凝土结构

阪神地震中，建筑结构中大量高架桥墩和短柱发生严重脆性剪切破坏，甚至导致结构整体倒塌。地震导致阪神地区四分之一以上的高架桥无法使用。

脆性剪切破坏导致高架桥混凝土柱整体倒塌

地震发生后

日本根据震害调查提出修订《建筑标准法》，对现有建筑进行抗震鉴定和改造。同时引入了基于性能的设计方法，要求除了保证结构本身的抗震性能外，还必须满足震后的正常功能，保护生命财产。我国的设计规范也吸取了阪神地震的教训，在设计方法和结构上做出了相应的改进。

神户港震后重建

减震隔震结构在阪神地震中的表现非常好，推动了这两项新技术的快速发展。多种新型减震、隔震装置被研制和应用。

隔震结构图

随着科学技术的发展，各种新技术相互融合。主动控制和主动控制隔震技术、高性能材料、电磁材料、形状记忆合金等新材料也在工程抗震中快速应用。我相信，有一天，依靠人类的集体智慧，我们一定能够完美应对“大地之怒”。

注1：阪神地震的震中靠近人口稠密的城市。虽然震级不大，但震中烈度很高，造成大量建筑物、高架桥、铁路、城市水电设施受损。阪神地震引发了学者们对“城市直接地震”的关注。 【注：我国1976年唐山地震（M7.5）也是城市直震】