6434人死亡,43792人受伤,超详细的阪神地震钢结构震害报告

地震是地球释放能量的一种方式,像是地球的脉动。在有准确记载的20世纪里,平均每年发生187.0~7.9级的大地震,每年发生1次超过8.0级的特大地震。

现代结构抗震理论从1906
美国旧金山地震 [M7.8]1923
日本关东地震 [M7.9] 两次大地震的反思开始,至今经过了一百年曲折的发展。


2001-2015
世界上震级大于6.5的地震分布

1980年代起,新材料、新抗震理论发展,以及隔震结构、减震结构的研究,进一步向工程实用转化。学者提出越来越先进的理论和方法,人们对建筑抗震技术的信心越来越多,尤其是强度、延性、耗能都表现优异的钢结构。

但是,1994年美国北岭地震[M6.7],钢结构出现了比较严重的震害,引起了人们北岭恐惧的担心。



1994年美国北岭地震震害

很快北岭恐惧的恶梦变成了现实。1995年,日本关西兵库县南部发生了矩震级M6.9的阪神大地震,震源深度20公里,震动加速度达到0.834g。所引起的地壳运动,将大阪等城市向不同方向移运14厘米(官方统计有6434人死亡,43792人受伤,房屋受创而必须住到组合屋的有32万人)。


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错动


阪神地震是日本继1923年关东大地震后,损失最严重的一次。特别值得注意的是,有大约1000栋钢结构建筑遭受损坏,其中上百栋整体倒塌。很多钢结构发生了预料之外的脆性破坏。本文主要介绍了阪神地震中钢结构的震害现象,以及简要分析。

震害整体统计

阪神地震后,调查了993栋钢结构建筑,其震害程度的比例为:严重破坏/倒塌、中等破坏、轻微损坏和无损坏的比例为1333。震害程度与结构形式的相关性不明显。采用方钢管柱的纯框架,梁柱节点引起的破坏稍多一些。


震害与结构形式、柱子截面的关系

R-R为普通框架、R-B为单方向支撑的框架

B-B为双向支撑框架;H为柱截面形状

钢结构的破坏位置主要发生在柱子、梁柱节点和无撑框架的柱脚。梁柱节点采用较小的角焊缝的案例,有约50%发生了破坏。而采用全熔透焊接的案例,有21%破坏。



钢结构梁破坏的案例比较少,多数梁能够发挥塑性,但也有少数脆性破坏案件。


钢梁下翼缘塑性发展和局部屈曲


梁腹板屈曲


梁端母材的延性破坏


梁梁拼接处塑性发展



阪神地震中钢柱破坏震害数量比较多,柱子的破坏主要发生在首层和柱脚位置。尤其是冷弯成型的方钢管柱(cold formed rectangular hollow sections columns, RHS)。包括局部屈曲、母材开裂、柱端部的变形过大、柱拼接连接等破坏形式。


冷弯成型的方钢管柱从角部扩展的开裂


首层柱底部的脆性断裂(外包砼柱脚)


首层柱底部的局部屈曲

冷成型方钢管在地震作用下表现的延性很差。震害调查中,63个采用冷成型方钢管的无支撑框架,在梁柱节点发生破坏,其中的70%处于倒塌或严重破坏的状态。


冷弯成型的方钢管柱,自拼接焊缝延伸的脆性破坏


冷弯方钢管柱:母材的脆性破坏

主要原因是,在焊接应力和冷弯应力影响下,方管柱总体残余应力大、延性较差,尤其角部可能产生微隙的扩展,在地震下容易出现热影响区母材和焊缝的开裂,并向柱本体延伸。

超高层建筑的地震作用大,钢柱在瞬间高应力作用下,发生了焊缝或母材脆性断裂的几个案例。


柱子侧焊接热影响区的脆性破断


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


底层方形钢柱的屈曲和过大变形


▲ H形钢柱的屈曲





阪神地震中,许多梁柱节点发生脆性破坏。现场螺栓拼接节点比现场栓焊连接节点的破坏比例小。


两种节点连接形式的破坏比例

工厂焊接的节点破坏形式主要为母材断裂、焊缝破坏、和溶接端破坏。其中母材的断裂多数是受到扇形过焊孔的应力集中引发的。


左为上翼缘、右为下翼缘

AC为焊缝热影响区、B为缝缝(缺陷)

D为由扇形切口处应力集中导致的断裂

焊接节点的断裂位置


下翼缘
扇形过焊孔应力集中,引起的脆性断裂


下翼缘
扇形过焊孔应力集中,引起的脆性断裂

采用角焊缝连接翼缘的节点承载力不足、变形能力差。调查中,采用角焊缝的29个案例,有约一半发生了破坏;而采用全熔透焊接的21案例,仅3例破坏。


梁端角焊缝连接破坏

冷成型方柱的柱梁节点的破坏,一种是伴随着梁端塑性变形,连接焊缝的断裂;另一种是柱截面的开裂,伴随着梁端明显的屈曲。此类震害的建筑残余变形角在1/100左右。


节点处柱面板和横隔板的撕裂

圆钢管柱梁柱节点的破坏,较少发生柱子本体,主要为焊缝热影响区和扇形过焊孔引起的脆性断裂。采用贯通型横隔板的节点也发现一些破坏,发生在梁的下翼缘,此时梁已进入塑性或屈曲。


横隔板焊缝热影响区的断裂

梁柱焊接节点的下翼缘容易产生焊接缺陷。在阪神地震时,即使工地的焊接管理做得很充分的建筑,这种节点破坏形式的仍然达到梁端牛腿式连接节点的3倍。下图对比了两者在最大抗力、变形性能方面的差异。


工地连接和梁端牛腿式连接的荷载变形关系

延性设计的结构表现良好,节点延性破坏,甚至发生钢材拉伸颈缩现象。这类结构未发生较大的整体变形,内外建筑装饰也没发生明显的破坏。

高强螺栓连接的表现比较好,很少出现脆性破坏。栓的破坏主要发生在梁端腹杆连接处。


腹板螺栓在弯剪组合作用下的破坏震害


方钢管柱内部横隔板角焊缝不足

导致柱子钢板面外较大的变形



柱脚的破坏主要集中在锚栓、柱底焊缝和锚固底板的变形。其中由锚栓引起的破坏数量最多,在今后的设计应予以重视。


外露式柱脚:锚栓剪断


外露式柱脚:锚栓拉出

锚栓的破坏有断裂和拉出两种,均会导致柱脚承载力和耗能能力下降。此外,柱脚的破坏形式还有柱与底板焊缝破坏、柱脚抗剪破坏、外包混凝土破坏等。

从各式柱脚的破坏比例来看,约50%的外露式和外包式柱脚发生了损伤,而埋入式柱脚的损伤比例仅13%


锚栓破坏:外包式柱脚



外包柱脚:混凝土破坏导致严重破坏



由于支撑构件的长细比一般比较大,地震中的破坏形式以失稳和节点连接破坏为主。


▲ H形支撑失稳破坏


槽钢支撑的失稳破坏


支撑端部节点板破坏


方管截面的支撑:高强螺栓连接破坏

地震中支撑的瞬时力可能远大于设计值

截面为小型材的支撑(角钢、圆钢、钢板条),比大断面型材(H型钢、圆管、方管)的破坏更严重。


支撑节点偏心导致柱子脆断





空间结构的震害较轻,破坏主要发生在支座、支座附近的杆件,以及支撑构件。


支座处混凝土保护层剥落


支座抗剪破坏,移位


网架支座处杆件断裂、屈曲


焊接球节点连接破坏


大跨连桥结构:弦杆和斜腹杆失稳破坏

疑似因两侧建筑相向的挤压运动导致的




钢支座的主要破坏形式,包括上下铸钢件破坏、抗剪键破坏、销轴耳板剪切破坏、锚栓拉起或破断、底板破坏、周边混凝土结构破坏等。


销轴支座的被剪断


铸钢支座的脆性断裂


固定球铰支座上盘铸钢件的抗剪脆性破坏


底板下方的后灌浆变形能力差

底板下方的后灌浆变形能力差,在地震作用非常容易开裂、破碎,进而导致锚栓的预紧力丧失,支座的抗剪和抗拉能力迅速下降。这种震害在311东日本大地震和熊本地震中也大量出现。日本工程设计和学者做了一些相关改近的研究,包括垫橡胶块,或者引入摩擦阻尼,以提高支座的变形和耗能能力。

混凝土结构

在阪神地震中,大量的高架桥柱墩和建筑结构中的短柱,出现严重的脆性剪切破坏,甚至导致结构整体倒塌破坏地震导致阪神地区超过四分之一的高架桥不可使用。



高架桥混凝土柱脆性剪切破坏导致的整体倒塌





日本根据震害调查提出了修订的《建筑基准法》,对已有建筑物进行耐震鉴定和改修。同时,引入了依据性能的设计方法,要求保证结构本身的抗震性能外,还要满足地震后的正常功能以及生命财产的保护。我国设计规范也吸取了阪神地震的教训,对设计方法和构造做了相应改进。


震后重建的神户港

阪神地震中减震和隔震结构的表现很好,促进了这两种新技术的迅速发展,多种新型的减震隔震装置被开发和应用。


隔震结构示意

随着科学技术的发展,各种新技术相互融合。主动控制、被主动控制的减隔震技术,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迅速地得到应用。相信有一天,依靠人类的集体智慧,我们能够完美应对大地的狂怒

1:阪神地震的震中靠近人口建筑密集的城市,虽然震级不算大,但震中烈度非常高,造成了大量的建筑物、高架桥梁、铁路、城市水电气设施破坏。阪神地震引发了学者对城市直下型地震的关注。[:我国1976年的唐山大地震(M7.5)也属于城市直下型地震]

Taochun Yang
Author: Taochun Yang

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