北嶺大地震

1994年1月17日凌晨4時31分，洛杉磯地區發生里氏6.6級地震，震中位於聖費蘭多峽谷，北緯34度12.53分，西經118度32.44分，在洛杉磯西北方向20英里處，屬淺源地震，震源深度為12英里。當地震級ML=6.4，面波震級為MS=6.6~6.7，地震矩震級為MW=6.6。發生地震時大多數人還處於沉睡之中，還沒有來得及反應，災難就降臨了。在持續30秒的震撼中，大約有11000多間房屋倒塌，震中30公里範圍內高速公路、高層建築或毀壞或倒塌，煤氣、自來水管爆裂，電訊中斷，火災四起，直接和間接死亡58人，受傷600多人，財產損失300多億美元。

地震發生後，加州政府立即派出了300支搜尋營救隊前往災區實施應急救援，這些營救隊員裝備有高科技的監聽儀器及可以深入到廢墟縫隙裏面進行拍攝的錄像設備。營救人員運用這些先進的設備救出了許多被困、受傷的居民。

地震當天，克林頓總統簽署了一項向災區提供4億多美元聯邦緊急援助的文件，並派出一個特別小組前往災區處理善後賑災事宜。美國紅十字會在受災最嚴重的北嶺地區設立了18個避難所，向災民發放帳篷、食品、衣物等生活用具。

地震發生後，當局還組織了大批專家，對未受損的建築物進行可行性鑑定，並將10000多間危房予以封鎖，以待拆除。

洛杉磯地區位於美國西海岸，正好處於全球最大的地震帶--環太平洋地震帶範圍內，是一個地震高發地區。後經科技人員勘測，地在下兩萬米左右的深處有一條活動斷層，專家們認為，這是造成本次地震的罪魁禍首。

本次地震號稱該地區歷史上有數的大地震，但僅死亡58人。其死亡人數之少，主要歸功於洛杉磯地區建築物具備了良好的防震功能。當地政府和人民在該地多次發生地震後，樹立了較強的意識，在建造房屋時，大都採用木質結構，植根於堅實的岩層中，並依山勢而佈局，所以當地房屋的抗震性能非常優越，在發生地震時能夠避免倒塌，大在降低了傷亡人數。但從另一方面分析，本次地受傷亡人數雖然很少，但經濟損失高達300億美元。這是因為洛杉磯地區是全美第二大城市帶，經濟密度相當高，災害的放大效應非常明顯，形成了低人口死亡率、高經濟損失率的災情特徵。

本次地受傷亡人數雖然很少，但經濟損失高達300億美元是因為：

1、震中位於聖費爾南多河谷的諾恩裏奇，離洛杉磯市中心只有32.19公里（而1989年普里埃塔7.1級地震離洛杉磯市中心則有96.56多公里），震區不僅人口密度大，經濟密度更大。

2、地震發生在當地時間凌晨4時31分，人們大多酣睡在沉沉的夢鄉中，對地震毫無防範，幸虧洛杉磯市處於多震區，1989年又發生過7.1級地震，大多數房屋抗震性能好，受到7.1級地震破壞的房屋也進行了加固，否則後果更不堪設想。

3、震前沒有預報。市政當局和市民毫無心理準備，地震發生後難以進入緊張有序的應急狀態，造成一些混亂。據報道地震當晚有73人因掠奪、搶劫、盜竊和違反宵禁命令而鋃鐺被捕。所幸美國法制比較完善，各州有一系列關於減輕災害的法律，減災工作有章可循。因此震後10分鐘，聯邦緊急事務管理局（FEMA）和加州緊急事務辦公室（OES）開始迅速組建現場指揮部，接着成立幾十個救助中心，震後20分鐘，廣播、電視等到新聞媒介就及時請專家介紹震情，宣傳安全防震知識，為指導市民救災和安定社會起了推動作用。

4、洛杉機市交通高度發達，造價昂貴的高速公路和立交橋高度集中（僅洛杉磯地區就有2523座高架橋），震中又十分接近，致使地震損失過大。

5、地震不僅造成停水斷電，通訊阻塞，而且造成煤氣管道破裂，引起100多處火災，致使地震損失擴大。

6、儘管洛杉磯市大多數建築物抗震性能較高，1989年7.1級地震破壞的建築物也進行了修復和加固，但是，仍存在一些抗震性能差的建築，這次地震被毀建築基本上都屬於這類建築，致使2.5萬人無家可歸。

面對如此慘重的震後損失，不禁發人深思，如下是對結構抗震的論述：

抗震結構體系是抗震設計應考慮的最關鍵問題，結構方案選取是否合理，對安全和經濟起決定性的作用。

1、地震動的性質和結構的地震反應

抗震概念設計在選擇建築結構的方案和採用抗震措施時，要考慮地震動的性質及其對建築影響，應注意地震的不確定性及其一定的規律性。

(1) 地震及其影響的不確定性

一個建築場地的地面運動也是不確定的。實際上，一個地區的地面運動，是從震源傳來的地震波達到所在地區的基岩面，並輸入土層後的一種輸出(或反應)。地面運動的性質除土層又是一個非線性的系統，隨輸入的強度不同，濾波作用也不同。因此，一個場地地面運動的性質，隨震源機制、震級大小、震中距和傳播途徑中土層性質的不同，不是恆定不變的。

不同性質的地面運動對建築的破壞作用不同。破壞嚴重的主要由於建築在這個頻帶範圍內的選擇性共振的結果。美國北嶺地震，靠近地震斷裂同距離斷裂稍多一點的建築破壞不同。

台灣集集地震，同一地裂縫兩邊，上盤的建築同下盤的建築破壞程度差別很大。

(2) 地震及其影響的若干規律性

地震的震級大小和震中距的遠近，對地面運動和結構的反應有重要的影響。一般來説，震級大、震源破裂的尺度大，地震波的週期長，而且地震波的傳播距離遠，地震動的持續時間長，其結果是對遠距離的較柔性的建築影響大。

場地的土層軟硬和覆蓋層厚度，對地面運動的譜特性有重大的影響。土層愈軟，覆蓋層愈厚，反應譜的特徵週期愈長。

建築的地震破壞，具有積累的性質。近年來在地震模擬振動台上進行的砌體結構和鋼筋混凝土構件的試驗表明，砌體結構在較大的加速度峯值的地震波輸入時產生裂縫，並在反覆多次輸入地震作用的情況下，砌體由裂縫到散落以至倒塌；混凝土構件在反覆多次輸入地震波作用下，由鋼筋屈服，混凝土裂縫發展到混凝土碎裂，鋼筋斷裂；實際地震震害也可見到類似的震害積累情況。

抗震設計的任務是考慮到地震及其影響的不確定性和結構抗震能力的一些規律性結合起來，使選取的建築抗震結構方案、細部構造能具備較好的抗震能力。

2、建築結構應具有多道抗震防線

結構多道抗震防線的概念，一是要求結構具有良好的吸能能力，二是要求結構具有儘可能多的贅餘度。結構系統的吸能和耗能能力，主要依靠結構或構件在預定部位產生塑性鉸，但結構體系或構件如果沒有贅餘度，則某些部分塑性鉸的形成，使“結構”變成“機構”，並可能失穩和倒塌。

一般來説，靜不定的次數愈高，結構的抗震愈有利，但這不是充分 的條件，為使結構各部分有效地發揮抗震能力，需要把能量耗散在整個結構的平面上和高度方向上。這要求在結構的適當部位設置一系列容許發生的屈服區，使這些並不危險的部位有意識地首先形成塑性鉸，或發生可以修復的破壞，從而使主要的承重構件得到很大程度的保護。有以下幾種處理方法：

(1) 結構體系由若干具有延性很好的分部結構組成，各部分結構之間用聯繫構件連接，作為結構的“耗能元件”。此種“耗能元件”，應進行良好的設計，採取合理的構造措施，使整個結構在中、小地震下不壞，在預估的大地震下產生可允許的破壞，並消耗相當的地震輸入能量，保證所連接的分部結構不壞，從而維持了整個結構體系的穩定和繼續承受豎向荷載的能力，達到“裂而不倒”的設計要求。這種多道防線的應用例子，是具有連梁的耦聯抗震牆，其中連梁便起到結構“耗能元件”的作用。1964年美國阿拉斯加地震中安克雷廳市的麥克金列建築的抗震牆連梁破壞便是一個例子。

(2) 多道防線的結構體系類似框架-抗震牆結構系統。這種系統的主要抗側力構件是抗震牆，是第一道防線，當抗震牆在一定強度的地震作用下遭受可允許的損壞，剛度降低或部分退出工作，並吸收相當的地震能量扣，框架部分起到第二道防線的作用。這種體系的設計既要考慮到抗震牆承受大部分的地震力，又要考慮到抗震牆剛度降低後框架部分能承擔一定的抗側力作用。新規範規定，規則的框架-抗震牆結構中，任一層框架部分按框架和抗震牆協同工作分析的地震剪力不小於結構底部總地震剪力的20%或框架部分各層按協同工作分析的地震剪力最大值的1.5倍(取二個值的較小值設計)；不規則的框架-抗震牆結構框架部分承擔的地震剪力，可按降低的抗震牆剛度與框架協同分析結果取值。

(3) 在結構上設置專門的耗能元件。研究利用摩擦耗能或者利用材料塑性耗能的元件，預期在大地震時，相當一部分的地震能量消耗於這種耗能元件，以減少輸入主體結構的地震能量，達到減輕主體結構的破壞。

3、建築結構應避免豎向強度與剛度突變

建築抗震性能的好壞，除取決於總體的強度、變形和吸能能力外，避免局部的抗震薄弱環節是十分重要的。某一層間，某一構件，均可能成為結構的抗震薄弱環節。薄弱環節的形成，往往由於以下的原因：

(1) 剛度突變。剛度突變是由於建築體型複雜或抗震結構體系在豎向佈置的不連續不均勻產生。剛度不連續不均勻的部位，產生應力集中，如果設計時沒有作必要的加強，便先於相鄰部位進入屈服，剛度進一步減小，在地震反覆作用下，該部位的塑性變形繼續發展，我們稱之為塑性變形集中，最終可能導致嚴重破壞甚至倒塌。

(2) 屈服強度比突變。屈服強度比的含義不是指截面實際承載力本身，而是一個相當的比值，即各層按實際配筋和材料標準強度計算的層間實際抗剪承載力同該層彈性層間剪力的比值。這個比值是影響結構彈塑變形的重要參數。實際結構各樓層的屈服強度比往往是不均勻的，如果給出各樓層屈服強度比沿樓層高度分佈的折線圖，則該分佈曲線的凹點將會形成結構抗震的弱部位，在地震作用下率先屈報而出現較大的彈塑性變形。

結構的塑性變形集中是相當複雜的問題。結構彈塑性時程分析表明，即使是規則的，剛度和強度變化均勻的結構系統，仍然在某些部位先於其它部位進入屈服，同樣在率先進入屈服的部位發展變形，即一個結構體系在複雜的地震作用下各部分不會同時進入屈服狀態；屈服強度分佈不均勻的結構，彈塑性變形更為複雜。確切地探明每一個結構抗震薄弱部位的彈塑性變形還有許多困難。因此，當前還是儘可能從體型上和結構體系的設計上，使剛度和強度變化均勻，儘量減少形成薄弱部位的因素，努力減少變形集中的程度，並採取相應的抗震構造措施提高結構的變形能力。

4、抗震結構體系應具有良好的吸能能力

抗震結構體系應具有良好的吸能能力，即抗震結構體系應同時具備必要的強度、剛度和良好的延性(或變形能力)。如果抗震結構體系有較高的抗側力強度，但同時卻缺乏足夠的延性，如不配筋的砌體結構，這樣的結構在地震時很容易破壞，其抗震性能是不好的；另一方面，如果結構有較大的延性，但抗側力的強度不高，剛度不足，如純框架結構，這樣在不大的地震作用下就產生較大的變形，其抗震性也是不理想的，歷次大地震中，鋼筋混凝土純框架嚴重破壞，甚至倒塌，是屢見不鮮的。較高的抗側力強度、剛度和較大的變形能力的結合，使抗震結構體能做較大的功，具有較大的吸能能力，結構便具有較大的抗震潛力。

砌體結構，如果加上週邊約束或砌體中配置鋼筋，便有較好的變形能力，其抗震潛力就大了；有較大變形能力的框架結構，如果在框架中增加牆，形成帶框的抗震牆，其抗震潛力也就大了。日本武滕清對高層鋼框架建築，鑲入帶豎縫的預製混凝土牆板，不僅增加了柔性框架的抗側力強度和剛度，以阻止側力作用過大的位移，同時大大地改善了在強地震中結構有能量吸收能力和延性性能。在抗震牆結構體系中，如果鋼筋混凝土抗震牆設計得正確，將具有足夠的強度和延性，對抗震帶來很大的好處。因為類似這樣的結構有很好的“強韌性”，具有很大的抗震潛力。

5、各類結構構件應具有良好的延性

各類結構構件是組成抗震結構體系的基本元件，每一個結構構件如都能設計成具有良好延性(變形能力)，避免脆性破壞，則結構經受地震破壞會仍能修復使用。在規範中提出的“ 設防烈度可修”的設防目標，就是依靠提高的延性能力來達到；提出對構件和連接的要求，以及規範的全部抗震措施，便是為提高各類結構構件的延性能力而作的規定。