(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20万2m 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50(mm)方管柱子断面乘以材料SM50的抗拉强度，柱子的抗拉破断能力约为+45NM ，显然．原设计主要承受轴压力的柱子，其抗震拉力大大小于地震力。

如再考虑加上场地回填土加速度的增幅作用，以及地震作用力可能比设定值还大等因素，框架结构中某些薄弱环节的柱子，发生断裂的可能性无疑是必然的了。

这仅仅是大致推断。

由于柱子是拉断的，震后的加固处理就较为简单了，在保证柱子原有抗压承载能力条件下，只考虑加加劲板处理就可以了。

这既是应急措施，也可以作为永久性的加固依据，因为象此种千年间才能遇到的罕遇地震，起码在上百年内是不会再出现的了。

该小区就是以此法进行加固，只是受到使用上的影响，仅考虑在柱子的两个面上进行加固。

2）多层钢结构房屋中间楼层的坍塌多层房屋结构出现的中间搂层整层坍塌，是阪神地震中建筑震害中十分重要的一个特征，在钢结构方面有下述两种破坏状态：一种是，采用冷弯方钢管作箱形柱子的4～5层钢结构房屋，地震作用后中间层整层不 见了。

本来在一般地震水平力作用下．多层房屋结构的破坏往往发生在首层，而此次地震中有不少结构除了首层破坏的特别多外；而凡是中间层破坏的，首层却奇迹般地存在下来，此时破坏的是第2层以上的某层被整层震毁。

图2-7是一座4层钢结构房屋。

地震中把整个第3层推毁了的情况。

在图2-8，还示出了第3层柱子焊接破坏的细部，此处很明显表现出柱子焊接没有采用熔透焊，这是该柱子破坏因设计或是固施工未有采用正确焊接连接的一个结果。

另一种是，采用工型钢做柱子的4层钢结构房屋，第l 层和第2层沿弱轴方向倒塌了，只保留下了第3层。

而第4层却整层不翼而飞了(见图2-9)。

为什么会出现整层中间层被推毁的现象呢?这是一个令人纳闷而又至今还未能找到贴切理论解答的问题。

这种破坏现象。

尤其在钢筋砼结构中出现不少，究其因，除与本次地震的作用特性有关外。

目前只能从结构设计与施工角度作些笼统分析：如，建筑物的平面形状(条形建筑长向地震反应要比短向大)；结构高度方面的竖向刚度(柱断面／层高)和水平刚度(柱断面惯性矩／层高)不均匀变化，一般越往上柱子断面越细；设计地震力的估算不足(被推毁的某层有可能就因所估算的地震力比新规范规定的小)；抗震墙设偏了，地震时引起了结构受扭，或因某层突然未设抗震墙，导致刚性突变；地震中的P —δ效应增大(如框架侧移的增大)；中间层某层结构自振周期与场地土周期(往往在1秒以下)一致而引起共振；旧抗震规范中没有考虑梁先于柱屈服；采用的钢材强度低(如原先的SS4l 钢比SM50钢的抗拉强度低)；焊接设计不合理、施工质量不良等等，因素是多方面的,问题是复杂的，需要进一步更深入图2-7 中间层被推毁了 的钢结构房屋图2-8 柱子对接未作熔透焊研究。

另外几种破坏形式1） 设计不合理引起的破坏此次地震中明显发现因设计不合理的破坏现象，莫过于节点设计的错误所引起的破坏了。

如采用工型钢作柱子时，型钢断面本有强弱轴之分，沿腹板方向一般是强轴，沿翼缘方向则是弱轴，当梁与柱子强轴方向连接时，一般应在柱子与梁上下翼缘相交部位内侧相应处设置加劲板，以改善传力性能。

然而，由于有的柱子在该部位未能设置加劲板，或设置了却位置不当，或是高了或低了，结果引起了节点的明显破坏(见图2-10)。

图2-10显示了地震中的梁柱节点分离，及柱翼缘被切断的情况，柱子内的加劲板没有与梁的上下翼缘同高；同时梁端采用的是角焊缝，没有采用熔透焊。

合理做法见图2-11。

2）施工中焊接不良引起的破坏 根据以往地震经验，焊接质量不良往往是发生建筑震害的一个重要因素。

阪神地震中受损的钢结构，也大多与焊接因素有关：① 未采用熔透焊有些本应采用剖口焊的焊缝却做成了角焊缝，且角焊缝又未能将母材熔化，以致成了贴 角的表皮焊，这导致地震中不少焊接件因此被轻易拉开造成了破坏。

图2-12就是这样一个图2-9 仅中间层被保留下来(a)—保留了第3层； (b)—第3 层底脚损坏的细部 图2-10 梁柱节点设计不合理引起的破坏图2-11 加劲板的合理位置1—强轴上的梁；2—弱轴上的梁；3—I 型钢柱；4—加劲板实例。

在图2-12(b)中还能看出采用错误的角焊缝导致I 型母材被拔出的痕迹。

图2-12(c)则剖示了剖口焊、正确(见√号)与错误(见×号)的角焊缝的特点。

②点焊热影响引起的破坏点焊往往是钢结构拼装中焊接临时固定的措施，可是它又是焊件在外力作用下破坏的导 火线。