(二)历次重大地震中的钢结构

第2节历次重大地震中的钢结构

在本节中重点介绍一下美国北岭地震和日本阪神地震中钢结构的震害特点及其原因分析，以及，对以后钢结构的抗震设计有什么启示。

2.1美国北岭地震和日本阪神地震中的钢结构震害

2.1.1日本阪神地震简介

日本是一个多地震的国家，每年有感地震约1～2千次，8级以上地震每15年一次，7~8级地震每1～2年一次，6～7级地震每年15次左右。日本地震遍及全境，发生在日本及其周围地区的地震约占全世界地震的l0％。

1995年1月17日清晨5时46分在日本关西近畿地区兵库县发生了自1923年以来在高度人口密集地区最大一次地震。造成本次地震的起因为关西明石海峡地壳断层活动所致。震级M=6.8，震度为6度，约相当于我国烈度表10度。震源在距神户市南部20km的谈路岛的正下方20km处。地震持续时间约为20秒左右。

根据地震观测记录结果，最大加速度约为813gal，最大速度约为90kine，卓越周期约为0.5～0.8s。

本次地震主要表现为竖向地震。地表的道路、绿地、港口码头普遍开裂，裂缝宽度为10cm～50cm。地基下沉l0cm~100cm，个别地基下沉达2m左右。液化现象十分严重，喷砂、冒水，人工填海地基与原有地基严重脱离，最大脱开距离达2m左右。神户地区地下土质大部分为砂质粉土，厚度约为20～30m，再往下则为一般风化岩及中风化岩。

地震中有5400多人死亡，3万多人受伤，30多万人无家可归。大地震引起火灾、停电、停煤气，切断了高速公路、电气火车、地下电车以及新干线；使码头破坏停运，港口瘫痪，只有航空港正常运行。地震造成的经挤损失估计在l000亿美元以上，约占日本国GDP(国内年生产总值)的2%。损失十分惨重。建筑物的损失(包括造成人员伤亡)占了56％。

本次地震烈度分布情况如下面的震度分布图见图2-1所示。

图2-1 日本阪神地震烈度分布图

2.1.2日本阪神地震中钢结构建筑中的几种震害表现

两种罕见的破坏现象

即，钢柱脆断和多层钢结构房屋中间楼层整层被震塌现象，这是令人一时不解和意想不到的钢结构罕见破坏现象。

1) 钢柱的脆断

发生在芦屋市海滨城高层住宅小区的厚板箱形钢柱的脆断，和神户市JR 三之宫车站的圆钢管桂脆断，是阪神钢结构震害中最为实出而又罕见的构件脆断代表实例(见图2-2)

这在日本也是从来没见到过的。这种脆性破断，如果没有很大的外部拉力作用，是很难 想象会出现这样断裂的，这种破坏显然不属于正常设计和施工问题，至多有所牵连。

以芦屋市海滨城高层住宅钢柱的破断为例，小区高层住宅是1975年至1979年期间建成的。为柱、梁、斜撑等构件组成的巨型钢框架结构。该区为人工填土层，住宅基础采用了钢管桩支承处理。柱子为壁厚50mm 的500mm ×500mm 箱形断面，材料为SM50。设计和加工是比较精心的，不会存在较大问题。然而，此次地震中，使整个占地20万2

m 的海滨城小区共计5l 栋高层住宅中，经统计一共出现有53根柱子被震断的现象。有焊缝处破断的，也有母材上破断的。芦屋市海滨城小区高层住宅鸟瞰图见图2-3。

按巨型框架结构设计考虑(见图2-4) ，则该基本框架结构第7层和第12层(包括推及17图2-2 钢柱截面脆断实例 (a)—厚50mm 的500mm ×500mm 箱形柱脆断(中间为硬币，以示断缝大小)；(b)—厚壁圆钢管柱的脆断

图2-3 芦屋市海滨城小区高层住宅鸟瞰图

图2-4 小区住宅框架结构的基本形式 （△—住户；x —桁梁方向；y —开间方向）

层、22层)是起巨型梁作用的，其第6层、第11层的柱子，就相当于框架柱的柱头，第l 层和第8层柱子相当于柱脚，地震时在这些较弱的柱头柱脚层破坏是可以理解的。然而异常的是，如第4层也发生了总计有12根柱子在焊接部位(包括热影响区)脆断(见图2-5)，这就使人难以解答了，除非焊接有缺陷，否则难以解释，那么究意问题何在呢?

现在，我们先从层数方面来看，小区计有l 4层、19层、24层、29层等4种住宅形式。但破坏现象以19层和24层住宅居多，14层的住宅总共只有6处出现裂缝，且较轻微，而所有29层的超高层钢结构房屋，则一根未损。图2-6中所示出的某栋住宅破坏的柱子是：第4层有5根，第l 层有1根(见虚线部位)。

据了解，当初设计时是考虑地震中的框架，是由支撑→梁→柱顺序屈服的，而且即使是柱子屈服，也应该是第6层或第l 层先屈服。不料此次地震中杆件破坏的情况却恰好相反，不但未出现屈服现象，却突然出现被拉断破坏；同时，支撑和粱的破坏是由柱子先破坏引起的，破坏的梁仅有16处，支撑则仅有6处，远远少于柱子的破坏的5l 处数量。(且都发生在第6层以下)，整个破坏顺序被颠倒过来了。当然，在此次地震力作用下，柱、梁和支撑都是满负荷作用的，也无所谓破坏顺序的先后了。但它却可以给我们的分析提供启示。

我们可以从图2-6中进一步看到，被震裂的支撑，其腹板和下翼缘有明显的开裂和屈曲现象，紧邻的柱子有一通裂缝，下面梁的上翼缘也出现了裂缝，这种破坏现象：很可能就是柱子被上拨拉断后引起的，当然梁的裂缝与焊接固索也有关；这一破坏现象，留下的各杆件破坏程度和可依循的破坏顺序痕迹，是表露得甚为明显的。

在上述柱子破坏的情况下，整个框架结构的梁和支撑，仍能继续发挥一定抗震作用。据日本技术人员按图2-6结构破坏形式，通过计算机分析表明，此时的结构还能抗御5度(相当代国地震表裂度8度)的余震。

因此，破坏的主导因素看来可以从竖向地震力、材料、焊接等方面来综合考虑。从常识上讲，柱子受压是长期的，破断显然是由瞬间强大的拉力引起的。因此，如按薄壁型钢受 压试验得来的设计柱子方法，应用到厚板受拉柱子上去，就应当慎重对待。

如从地震力方面来考虑，通过粗略估算，表明柱子系拉断破坏大体是符合的。根据芦屋市火车站附近大阪煤气站设置的地震仪地震中留下的记录可知，该地地震当时的水平最大加速度值是792Gal ，即以此7．922/m s 。水平加速度作用于芦屋市海滨城的小区框架结构上，在扣除建筑物自重等因素后，柱子地震中产生的拉力约达+50MN ；而按500×500×图2-5 某栋住宅柱子的脆断

（见缺线部位）例示

图2-6 支撑杆件的被切断 (a)—框架柱； (b)—支撑的破坏； (c)—梁上翼缘开裂