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第2章 从1985-1995这十年中学习地震
2.1在最近的地震中损坏的钢结构
对设计地震地区建筑物的结构工程师来说，他们的主要工作是防止地震发生时人们受伤、保护人们生活和工作的建筑物的安全、评估和解释由严重的地面运动造成的破坏。而专家的责任是思考：“为什么在经过大量的研究工作之后，还会发生如此损害？”。 结构工程中有这种悖论：工程师虽然可以从不得当的结构性错误中吸取教训，但并不一定会从成功的例子中学习（彼得罗斯基，1985）。如果工程师能够了解结构在地震中发生了怎样的破坏，那么一个失败的建筑结构比相安无事仍然屹立的建筑结构对设计概念更有推动作用。 因此，研究地震期间结构是如何破坏的是结构工程师改进设计方法的一个突破口。
这一情况可以很好地用钢结构的例子说明。长期以来大家都认为，设计实践中钢材是优良的材料强度和延展性。为了举例说明这个良好的行为，在许多文件中，只提到了墨西哥城的Torre Latino-Americana大楼的出色表现，而没有表明这个建筑的基本周期远远大于Michoachan地面运动的主要周期，而且结构由岩石支撑的桩。因此，抗震需求相对较低（Osteraas和Krawinkler，1989，De Buen，1996）。这是上一章提到的泛化危险的一个例子。与此相反的是，最近的米却肯的严重地震（1985），Northridge（1994）和Kobe（1995）都严重损害了钢铁作为抗震结构最适合材料的形象。这是一个提示迹象，在同一个地方，墨西哥城，托雷拉美洲大厦的情况被认为是钢结构的良好表现的例子，钢结构的第一次整体崩溃发生在：皮诺苏亚雷斯建筑。在北岭和神户地震中，具有相同损伤特征的钢结构接头性能不佳表明设计理念存在一些一般性的错误。而且在两种情况下，当设计和细节完全按照设计理念和标准规定进行时，也会产生损坏，从而加大对结构工程师的挑战。
一般来说，当发生这种故障时，观察到的损害取决于以下因素（Corsanego，1995）：
- 建筑物的一般特点;
- 局部土壤的性质;
- 建筑物的弱抗震性;
- 结构抗震的认识不足;
- 标准和规定不足；
- 设计错误，与标准规定相反;
- 施工质量差，缺乏维护。
从结构工程师的角度来看，地震后分析的最重要方面是从每次地震活动之后总结的经验教训，他们坚信最好的老师是大自然的，大自然是一个全面的实验室，它正确解释自然界中发生了什么的（McClure， 1989）。
在以下各节中，介绍了后期的钢结构中最有名的故障，并对上述因素进行了仔细的分析。 提供了详尽的参考资料，以便有可能找到补充信息。 预期此分析的结果，有必要加强规范中加入的延展性概念和实际的延展性需求。 因此，在规范中，延性概念不起作用的情况下（Eisenberg，1995），改进这些规范是结构工程师的关键问题。
2.2米却肯地震
2.2.1. 地震特征
1985年9月19日，由于墨西哥太平洋沿岸的俯冲活动，发生了8.1级的大地震，震中位于距离墨西哥南部墨西哥城350公里的Zacatula市。 这次地震是在墨西哥西南部产生的5.8到8.1级之间的地面动作中最严重的。 图 2.1a显示了这些地震中的一些，1985年事件的破裂面积（Reinoso等，1992，Iglesias和Gomez-Bernal，1992）
R
Figure 2.1: Michoacan earthquake: (a) Magnitude and epicenter of some Mexican earthquakes; (b) Response spectra for Mexico City Valley (after Reinoso et al, 1992)
A
Figure 2.1: (continued) (c) Accelerogram at Zacatula (near epicenter), Tacubaya (hill) and SCT (lake) (after Fischinger, 1997)
图2.1c显示了Zacatula市（靠近震中）和墨西哥城（Tacubaya和SCT站）的记录。人们可以看到这三个记录的地面加速度和自然时期的巨大差异。这次地震的最大问题是解释为什么在记录的地面运动中有如此多的重要差异，以及为什么在与震中距离很远的地方产生了如此大的破坏，当正常的衰减定律表明预期会有更低的加速度在这样的距离。第一个答案是由于地震是内插式的，源头位置很深，影响范围很大。墨西哥城的土壤特征也在灾难性事件中发挥了关键作用。墨西哥城谷是一个封闭的盆地，在古代由水和风筝运送的材料填充。由于岩石分解，周围的山丘逐渐侵蚀，最好的元素被水运入盆地（Diaz-Rodriguez，1995）。从基础工程角度来看，墨西哥城底层已分为三个区域：山区，过渡带和湖区（图2.1b）。湖面包括一层20至30米深的粘土。场地效应的特征在于在粘土层的共振频率处的大的放大。该扩增和显性期也在图2.1b（Reinoso等人，1992，Chavez-Garcia，1995，Fischinger，1997）中给出。这些时期在山区的0.5秒之间变化，湖泊面积达到5.2秒，解释了一些地区（Abbiss，1989）和大能谱的扩增12.7倍（Fajfar，1995）。时间也是非常不同的：湖面积约140秒。山区，约30秒。因此，这次地震是长时间基础的结构最具破坏性的事件之一，如多层钢筋抗震框架。
2.2.2关于钢结构损坏的一般信息
墨西哥城的建筑物每两年平均震动一次，大小为7级或更大的地震。因此，预计墨西哥城的建筑物不但在一次地震期间遭受降级的严重影响，而且在数次地震期间遭受了累积的破坏（Reinoso等，2000）。 1985年严格考验了100多座钢结构。其中，建于1957年之后的有59座建筑，从7层到22层（Osteraas和Krawinkler，1989年，Teran-Guilmore和Bertero，1992）。这是在强烈地震期间对钢结构行为进行现场验证的第一个非常重要的现场验证，总体上表现非常差。这种意想不到的行为的主要原因是双共振现象，地震波土壤和土壤结构，导致所需的延展性超过正常需求。比第一个更高的模式的影响，造成了上层故事的损害，以及相邻建筑物之间的碰撞。
在墨西哥城，最常用的钢结构是抗震框架（MRF）。通常，该系统由箱形柱（2个通道和盖板，或四个焊接板），H形截面柱和梁（热轧或焊接）或由角部构成的桁架梁组成。 MR框架表现得很好。在这41座建筑物中，一次遭受严重的结构性破坏，需要进行部分拆除，一个受到可修复的损坏和三个轻微的结构性损坏。所有这些受损的建筑物都有10个或更多的故事，具有很长的基础期。通过压缩对角线的屈曲，损坏集中在焊接梁柱连接处或桁架梁中。
在墨西哥城地区使用的第二种类型是钢制双系统，一些支架的MR框架。 在这25座这样的建筑物中，两座共有三座，共有四座，其中一座部分受到不同程度的破坏，其余的都没有损坏。 皮诺苏亚雷斯建筑的倒塌是最有名的案例。
第三种是混合双系统，由钢框架和混凝土剪力墙组成。 在六座被调查的建筑物中，一次持续严重的结构性破坏，一次遭受轻微的结构性破坏，主要集中在桁架梁上。
77阿姆斯特丹街大厦（11层楼）建于1970年左右，是一个一湾的架构（Osteraas和Krawinkler，1989），（图2.2）。柱由两个通道和两个焊接板组成，并且梁被焊接在I型部分上。该建筑物报告的损坏是两个纵向墙体中的砖石填充墙严重破裂，横框架前四层的连接失效。连接类型构成非常弱的环节，因为从梁到柱的唯一可靠的力传递似乎从梁法兰切片板通过全穿透焊接到柱盖板发生。连续板和盖板之间的填充焊缝由于地震引起的连接中产生的力矩和从梁到柱的力传递转移到立即发生裂缝的垂直焊缝而断裂。在这些条件下，连接作为半刚性接头。尽管在这次地震中经历了大量的非弹性反转，但是由于二次效应，这种恶化不足以导致结构的完全崩溃。这是由于结构的冗余特性，这允许重新分配时刻。这些连接损坏是对下一个北岭和神户地震证实的结构工程师的第一个报警信号，关于错误的构想关节的错误行为，以及需要提供具有足够延展性的连接，确保第二线力传递。
2.2.3皮诺苏亚雷斯大厦
图3.3a所示的Pino Suarez综合体包括五座高层钢结构建筑：两栋相同的15层建筑（A和E楼）和三栋相同的22层建筑（B，C和D建筑）（Osteraas和 Krawinkler，1989）。 复合体站在两层钢筋混凝土地铁站上，作为一个刚性的基础。
在地震期间，建筑物D在建筑物E上倒塌，建筑物B和C受到严重破坏。 由于建筑物C已经接近崩溃，所以它代表了一个非常罕见的情况，可以在失败之前，在最终状态一级研究一座建筑物。 建筑物C和D的布局和典型细节如图2.3b所示。 结构系统由耐力框架和服务核心周围的支撑系统组成，在横向方向上包括两个X支撑的托架，在外部纵向框架中包括一个托架。 梁是桁架梁，由角部和板元组成。 桁架纵向是双重的，横向是单一的。 所有的柱是焊接箱部分，组成四个相同厚度的板。 支架由双T横截面组成，三个板焊接在一起。
在建筑C中观察到的最明显的局部破坏是第四层箱体柱中的严重局部屈曲（图2.4a）。 横截面的四个板由于焊接失败而分离，从而显着降低柱刚度。 大约25厘米的这些柱的缩短负责支撑V形支架的大梁的大偏转（图2.4b）。 在X支撑系统中也观察到屈曲。 纵向和横向的几乎所有桁架梁都存在局部失效; 许多鞋带成员扣上（图2.4c）（Fischinger，1997）。
Cheng等人（1992），Ger和Chang（1992）和Ger et al（1993）对此失败进行了很好的分析。 对梁和柱进行实验测试。 对于横向桁架梁，获得了2.3的延性系数，其失效是由网片构件造成的。 对于纵向桁架梁，仅获得了1.72和1.71的延性因子，失效是由顶部和弦的局部屈曲和裂纹产生的。 对于柱，在局部屈曲之后，观察到非常不稳定的行为，具有非常差的延性因子。 由于存在支撑系统，柱失效是由于高轴向力和低力矩组合。
根据标准要求，不考虑墨西哥城土壤的具体情况和结构构件的实际延展性，结构设计为等于4的延展性因子。整体结构分析结合成员的具体行为和 墨西哥城地震的特点允许评估结构的实际行为并确定结构构件所需的延展性。 由于土壤条件，柱的需要的延性大于7，长方向梁为7.5，短方向梁为3，在第9层获得最大延展性要求（图2.5）。 将这些所需的延性因子与实验值进行比较，可能会注意到非常大的差异。 因此，非常清楚的是，由于柱和梁的延展性不足，结构的崩塌发生。
Pina Suarez建筑物倒塌提供了一个很好的机会，强调如果不存在必需和可用的延展性之间的一致性，可能会发生什么。
2.3 北岭地震
2.3.1加州地震概述
曾经袭击美国的最大的地震集中在1811年至1812年在田纳西州孟菲斯市附近的新马德里地震带，大小为8.6（Basham，1989）。但最活跃的地震区域沿着国家西部海岸，太平洋和北美构造板块相遇，断层线已经形成（Popov，1994）。加州是环太平洋地震带的一部分，造成世界大约80％的地震。美国西海岸每年遭受数千次冲击，破坏性震级在过去50年每年发生一次。加利福尼亚的地壳被许多大的裂缝或断层所横穿，形成了岩石群体的弱点。已知一些故障是有效的，而其他故障被认为是无效的，但是它们可能会给出意想不到的惊喜。最著名的是南加利福尼亚的圣安地列斯断层，发生最频繁和危险的地震。地震的类型是在浅深度产生的内插运动，这意味着主要特征由近场地面运动类型给出。最近几年沿着圣安地列斯断裂产生的最重要的地震如图2.6所示（Grecu和Moldovan，1994）。几个主要城市地区位于主要的活动断层之外，因此可能受到大地震的近源地面运动。圣安地列斯的故障在旧金山市中心西10公里，向南延伸到洛杉矶的大都会地区。在这些地震中，Loma Prieta和Northridge是从结构工程的角度来看最有趣的。
由于圣安地列斯断层现在有一个非常密集的仪器网络，所以获得了很多非常重要的信息。 在1981年至1994年期间，南加利福尼亚地震网络发现的大约有三万七千次记录的地震提供了计算这些地面运动特征的数据。 在北岭事件期间，在大都会地区记录了200多个强运动加速度图（Magistrale和Zhou，1996）。 这些地震的主要特点如下：
（i）脉冲特性。 记录分析表明，地面运动时间变化的方面与其他众所周知的记录有特别的不同，例如着名的EI Centro记录。 图2.7显示了1979年的帝国谷记录，这是典型的近场地震记录。 这些记录的特征是加速时间历程中的低频脉冲，其转化为速度和位移历史中显着的相干脉冲。
（ii）地面运动的垂直分量。长期以来，对地震动作的研究一直局限于水平构件的检查。垂直地面运动已被很大程度上忽视，因为直到上次记录的地震才远离源头。但是在最近在源头附近发生的地震中，已经观察到垂直地面运动的幅度有时比水平分量更大。这个言论在1979年帝国谷地震期间记录的强烈的地面动议中非常明显（Lew，1992，Chouw，2000）。形式图2.8可以看出，最大垂直加速度最大值通常发生在断层断裂带附近。此外，垂直运动与高于水平运动的频率相关联，表明必须考虑不同的设计光谱。所以，对于加利福尼亚的地震，地面动作的垂直行动是不可忽视的。
（iii）水平和垂直部件的组合。 普遍认为，到达结构的第一波是垂直的，如图2.9a所示，是帝国谷地震。 但在其他情况下，如摩根山地震，垂直和水平运动在时间上几乎完全一致（图2.2b）。 在结构分析中必须考虑这两种情况，因为不能确定出现哪种情况（Elnashai和Papaxoglu，1997）。<!--
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