小编写了4篇结构倒塌案例分析的文章，分别是关于自然力量、偶然作用、设计失误、空间结构。作为倒塌案例分析的终篇，我们今天说说结构工程师永远绕不开的一个问题--地震。
地震是地球释放能量的一种方式，像是地球的脉动、大地的狂怒。对于地震的最早记载可以追溯到很久以前，现代结构抗震理论从20世纪初两次大地震的反思开始，至今经过了一百年曲折的发展。
描述地震的插图，发生于公元前4世纪,意大利
在有准确记载的20世纪里，平均每年发生18次7.0~7.9级的大地震，每年发生1次超过8.0级的特大地震。进入21世纪之后，大地震似乎更加频繁了。
2001-2015年 世界上震级大于6.5的地震分布
限于篇幅，这里只简要介绍一点地震知识，以及对工程抗震设计有较大推动作用的几次地震。
按成因分类，地震可分为塌陷地震、火山地震和构造地震。地壳运动引起的构造地震，占总地震数的90％以上。绝大部分的破坏性地震为构造地震。
全球地壳可以分为六大板块，太平洋、欧亚、美洲、非洲、印度－澳洲、南极板块，各大板块内部又有一些较小的板块。板块间的不协调的相对运动，引起岩层变形积累，达到一定程度突然破裂释放的巨大能量，形成了地震。
地球板块构造及1963-1998年世界地震分布
从世界地震的分布图上可以看到，大小板块边缘都是地震集中处，最主要的地震带有两条：
1.环太平洋地震带,约占世界地震总数75％以上.
2.欧亚地震带(至印度与环太平洋地震带相遇).
板块构造地震几种形式
世界上受地震威胁较多的国家有中国、日本、智利、墨西哥、美国、新西兰、意大利、土耳其等。我国位于欧亚板块东南端，东为太平洋板块和菲律宾板块，南为印度洋板块，欧亚板向东、太平洋板块向西、印度洋向北挤，造成我国是地震多发、分布范围。
地震对建筑的破坏程度与地震震级、震源深度、震中距、场地特性、建筑特性等多因素相关,影响关系也比较复杂。
回头看工程抗震发展的历史，也是人类从历次地震中吸取经验和教训，不断前进的过程。
1906年 美国旧金山地震 [M7.8]
发生在20世纪初的两次大地震，1906年的美国旧金山地震[震级M7.8]、1908年的意大利Messina地震[M7.1]，被认为是现代建筑结构抗震理论的起点。
1906年的美国旧金山地震
San Andreas断层错动长达7m
大量建筑倒塌，80%城区被毁
震后发生了严重的次生火灾
人们开始注意到，地震引起的水平惯性力对结构造成破坏。于是，提出把地震作用看成一个水平力，取值为建筑物总重量乘以一个系数。静力法最早由日本学者大房森吉提出，佐野利器教授到旧金山考察震害后，于1914年建议地震系数取K=0.1。
静力法将整个建筑假定为一个刚体，只随地面同步运动。根据牛顿运动定律，最大地震作用力等于建筑总质量m与地面最大加速度a的乘积。静力法的概念清楚、原理简单，第一次将力学概念引入到抗震设计中，具有划时代的意义。
1923年 日本关东地震 [M7.9]
1923年，日本关东地区发生7.9级的大地震，属于城市直下型地震。地震和次生火灾对东京和横滨两座城市造成了毁灭性的破坏。当时以钢筋混凝土建造的建筑物很少，大部分砖造房屋倒塌毁坏，木造建筑则毁于大火。
日本关东大地震,1923年,M7.9,横滨震后场景
以关东大地震为契机，1924年日本建筑法规正式引入“地震作用系数”，将建筑物重量的10%作为地震水平力作用于结构上(K=0.1)。此外，建议尽量增大建筑物刚度的刚性设计法，以及限制建筑高度在31m以下。1927年美国UBC规范第一版也采用了静力法(K=0.1)。
静力法将建筑视为刚体的假设是有问题的。对于高度很低、刚度非常大的建筑，这一假设尚可。但是，当建筑高度略微增加、刚度有限时，作用在结构上的加速度呈放大的趋势。
注：本图不够严谨，大家轻拍
经过数次地震检验后人们发现，静力法按K=0.1并不能保证建筑安全。1950年代，日本建筑法将地震作用系数法提高，取K=0.2。
考虑到建筑自身自振频率的不同对地震作用的影响，20世纪中期，美国学者M.A.Biot提出由实测地震波计算反应谱的概念。美国学者Housner将多个实测的地震波代入单自由度动力反应方程，计算最大弹性地震反应，从而得出结构最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。
Housner教授的反应谱
之后，许多学者相继提出用于抗震设计的设计反应谱。反应谱理论较真实地考虑了结构振动特点，计算简单实用，目前仍是各国抗震规范中的主要方法之一。
Housner和Newmark教授各自关于反应谱的著作
后来，伴随着计算机和结构分析理论的发展，多自由度复杂体系的时程分析得以实现。人们也发现结构的地震作用随着自振周期增加而减小，柔性设计成为一种新的思路。1963年，日本施行了新的建筑基准法，废止了建筑高度限制，城市高层建筑开始发展。然而，随后发生的一系列地震又暴露出许多设计问题。
1964年 美国阿拉斯加地震 [M9.2]
1964年 日本新泻地震 [M7.6]
从1964年美国阿拉斯加地震[M9.2]、1964年日本新泻地震[M7.6]、1968年十胜冲地震[M7.9]中砖石结构和混凝土结构损伤较为严重，而钢结构建筑的震灾相对较小。
人们认识到，基于地震系数法的计算未必能保证建筑安全，结构的延性和耗能对于抗震更加重要，并在抗震设计方法中引入与结构塑性变形能力有关的特性系数，强震下结构的弹塑性变形和耗能机制成为抗震研究的一个重要方向 [我国现行抗规引入了屈服强度系数]。同一时期，伺服式加载和振动台试验被应用于抗震研究中。
在1964年的新泻地震和美国阿拉斯加地震中，还出现了地基失效、沙土液化的现象。含水的砂土在地震波的晃动下变得像流沙一样能够滑动，失去了承载力，导致建筑整体下陷或倾倒。从此，防止地基液化成为建筑地基抗震的一部分。
1964年,新泻地震的地基液化,建筑整体下陷或倾倒
2011 Christchurch地震，沙土液化，地下水井喷
1985年 墨西哥城地震 [M8.0]
墨西哥城是建在一个湖泊的沉积层之上，湖泊盆地周边是硬介质，而内部是软介质。地学专家形象地比喻它是，建在“一个碗果冻”上的大城市。
1985年的墨西哥大地震发生在城市西南岸的太平洋底，距离墨西哥城400公里之遥，却造成了非常严重的破坏。
1985年墨西哥城大地震地质构造示意
1985年墨西哥城地震波的反应谱
原来，地震波在湖泊盆地内的疏松土体中多次反射，使得地面震动的幅度比基岩增大数倍，且地震波的卓越周期(约2s)十分突出，导致5~15层的建筑破坏最为严重。
多层建筑基本全部整体倒塌
而旁边的高层建筑(约20层)结构基本完好
林同炎先生设计的美洲银行大厦基本完好，18层
从墨西哥城地震的特点出发，工程师开始关注地震卓越周期、场地特征周期、软土场地地震对建筑的影响。
1994年 美国北岭地震 [M6.7]
1995年 日本阪神地震 [M6.9]
从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。日本提出了大地震保有耐力设计(Design against Level-2 EQ)设计方法，研究建筑物的极限抗震性能，人们对建筑结构抗震技术越来越有的信心。
但是，随后1994年的美国北岭地震[M6.7]，钢结构仍然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”在日本变成了现实。1995年，日本关西兵库县南部发生了矩震级M6.9[里氏7.3级]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1～4厘米。
在历史上，日本绝大多数地震发生在面向太平洋的关东地区，所以关东的房屋、桥梁等设施抗震指标更高，而关西的抗震要求则不那么严格。阪神地震是日本继1923年关东大地震后，损失最严重的一次。
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错动
混凝土柱子抗剪破坏
一部分钢结构发生了预料之外的脆性破坏，引起了严重的后果。研究学者和工程师开始重新审视了钢结构的抗震性能和设计方法。注：关于阪神地震震害的分析，以后有机会再详细展开。
冷弯方钢管柱:母材的脆性破坏
某高层建筑焊接箱形柱：母材脆性断裂
柱脚锚栓被拉断
钢梁下翼缘：过焊孔应力集中导致的脆断
销轴支座的被剪断
铸钢支座的脆性断裂
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，自2000年全面施行。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。[注:我国1976年的唐山大地震(M7.5)也属于城市直下型地震]
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
地震次生灾害
地震次生灾害是指由地震诱发的火灾、水灾、海啸、滑坡、泥石流、有毒物质污染等，其造成的损失可能比地震直接灾害还大。例如，1923年日本关东大地震后的火灾、1970年秘鲁大地震后山体滑坡和泥石流。近年最严重的地震次生灾害，则当属海啸。
3次9.0级以上的地震均引起了巨大海啸(2005年前)
左下角的浅蓝色为1960年智利大地震的能量
图：1906~2005年，地球地震释放的能量
1960年的智利大地震，是地震监测史上规模最大的地震，矩震级达9.4~9.6[wiki]，里氏震级8.5。关于智利大地震的震级说法不一，因为它的能量实在太大了。从1906~2005年的地震能量占比图看，智利大地震及其余震独占约1/4。
1960年的智利地震,海啸Hmax=25m
梯度线为传播时间h
1964年的阿拉斯加地震，海啸Hmax=67m
梯度线为传播时间h
1960年地震引起的海啸，在智利海岸掀起了高达25米的海浪，主海啸穿越太平洋，又侵袭了夏威夷、日本、菲律宾、澳洲东南部与阿拉斯加的阿留申群岛，经过24小时甚至传到了我国东海岸，整个太平洋的海水被震荡了数天。人类在大自然的力量面前，显得十分渺小。
2004年印度洋大地震引发的海啸
距地震数千公里外的夏威夷被海啸袭击
地震数日之后Cordón Caulle火山爆发
1960年的智利地震
2011年，日本311大地震引发的海啸
地震和海啸导致福岛核电站泄露事故
我国的绝大部分地区都受到地震的威胁，在全国450个城市中有大约75%位于地震区，数次地震震灾严重。工程抗震设计和研究是防灾减灾的关键，我们任重而道远。>>>多高层建筑结构抗震设计及工程应用 乐观一点看，严格遵守抗震设计的建筑在的地震中表现得比较好，近年的一些大地震甚至幸运地实现了“零伤亡”。从现代地震理论起步到今天，人类应对地震的过程从“毫无抵抗能力”到“可能做到零伤亡”，仅仅100年而已。
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”。
注1：本文中地震采用矩震级，数值来源于维基百科，如有疑义感谢留言指正。
注2：由于里氏震级与震源的物理特性没有直接的联系，并且存在“震级饱和”的问题。矩震级是由加州理工学院的金森博雄教授于1977年提出的，比较全面地描述地震的物理特性，如地层错动的规模和地震的能量等。20世纪70年代以后，地震学者普遍认为矩震级能更准确地反应地震的规模大小。
来源：iStructure微信公众号
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