一、前言
2011年3月11日，14：46（东京时间），在日本东北（Tohuku）地区以及关东（Kanto）地区的东北部，发生了M9.0级的地震，随后引发了海啸（Tsunami）。本次发震机制属于逆冲型，是由于北美板块和太平洋板块之间的俯冲形成的。这次东北大地震在日本境内是有史以来发生最强的地震，同时也是美国地质调查局（U.S.GeologicalSyrvey）自1900年以来观测到最强的地震记录之一（第四强）。灾难给日本东部造成了空前的损失。
Fig.1.1 JMA Seismic Intensity Map
Fig.1.2 Locations of Surveyed Citis and Towns
Fig.1.3 The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group
据官方数据统计，3月11日截止至7月23日，死亡人数共15562人，失踪人数共5306人，受伤人数共5690人；共114000座房屋发生倒塌，120186座房屋处于基本倒塌状态。对比1995年发生的阪神（Kobe）大地震（死亡人数为6434人，受伤人数为43792人，倒塌房屋共186175座），死亡人数超过了当年的1.5倍，但倒塌房屋的数量仅为当时的61.2%。
Fig.1.4 People death, missing and injured
Fig.1.5 Total collapse and half collapse ofhouses
那么，对比房屋受损和倒塌的数量而言，伤亡为何会如此惨重？实际上，自1981年《新耐震设计法》（弹塑性大震演算法的导入）到2000年《基于性能的抗震设计法》（主要是阪神大地震后重视修复性）的结构设计方法以及相关规范的颁布，日本建筑物是具有足够抗震能力和抗倒塌能力的。
1995年阪神地震后，木结构建造比例是有所减少的，主要是因为阪神大地震中大量的木结构房屋燃烧并导致大量的伤亡。但在其后的10年里，木结构的数量又开始上升，主要用于私人住宅。单纯从抗震防倒塌的角度来讲，木结构具有自重轻，受地震作用小，弹性变形能力强，与现代耗能构件相结合可以创造出理论上很理想的抗震结构。但是说起“311”，留在人们意识中的，远不只有“地震”两个字，是的，还有巨大的海啸（Tsunami）。在巨大的海啸面前，木结构不堪一击。其实，日本M9.0级地震中倒塌直接导致的人员伤亡几乎可以忽略不计，而正是由于这巨大的海啸带走了成千上万的生命。
Fig.1.6 Photo by Shoichi ANDO（Fukushima，21 April 2011）
Fig.1.7 Before.1(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.8 After.1(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.9 Before.2(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.10 After.2(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.11 Before.3(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.12 After.3(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.13 Before.4(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.14 After.4(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.15 Before.5(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.16 After.5(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.17 Before.6(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.18 After.6(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.19 Before.7(宫古市田老地区，Photos by BRI)
Fig.1.20 After.7(宫古市田老地区，Photos by BRI)
二、地震烈度和地面运动实测记录
图2.2显示了日本境内受冲击过程中观察到的地震烈度分布。星号（★）代表的震中位置。JMA在栗原市，观察其地震烈度为7度，宫城、福岛、茨城和枥木县区域内观察到的地震烈度为6 +度，延伸至岩手、群马、埼玉和千叶县为6度。
Fig.2.1 JMA Seismic Intensity Distribution for the Main Shock
在东北地震中，有大量的强震记录被地震观测台站所记录下，图2.2显示了栗原市（Tsukidate）、仙台市（Sendai）及日立市（Hitachi）的加速度时程和阻尼比为5%时的伪速度谱。从加速度时程记录上来看，在南北方向的最大的加速度已经几乎达到了3700cm/s2，相当于3.8倍左右的重力加速度。从右边的伪速度谱来看，在0.2秒区间内，速度响应达到峰值，这表明地震的地面运动主要以短周期占主导地位。
Fig.2.2 Acceleration Waveforms and Pseudo Velocity ResponseSpectra recorded atK-NET Stations
Fig.2.3 Pseudo Velocity Response Spectrum at some K-NET observepoints
上面主要介绍了近震的几个主要城市，那么再来看看这次地震对周边地区的影响。距离390km以外的东京湾（Skyscraper on TokyoBay）所捕捉到的时程记录如下图2.4所示，按5%阻尼比分析得到的伪速度谱如图2.5所示。
Fig.2.4 Displacement Waveforms recorded at Tokyo bay（01F）
Fig.2.5 Pseudo Velocity Response Spectrum with the damping ratioof 5% at at Tokyobay（01F）
同样，再来看看距离770km以外的大阪（Osaka Sakishima office）所捕捉到的时程记录如下图2.6所示，按5%阻尼比分析得到的伪速度谱如图2.7所示。
Fig.2.6 Displacement Waveforms recorded at Osaka bay（01F）
Fig.2.7 Pseudo Velocity Response Spectrum with the damping ratioof 5% at at Osakabay（01F）
根据东京和大阪的观测记录，东北大地震整整持续了10分钟之久，这在日本历次地震中，是空前的。那么，从伪速度反应谱来看，反应峰值均处在长周期区域，也就意味着对高层及超高层建筑的影响更大。按照日本现行的建筑基准法规定，第一阶段设计对应的地震动烈度等级对于中低层建筑约为80cm/s2的地面峰值加速度；对于高层建筑物约为25cm/s的地震峰值速度。在第二阶段设计中，对于中低层建筑物，地震峰值加速度约为400cm/s2；对于高层建筑物，地面峰值速度则约为50cm/s。根据东北地区和关东地区的反应谱来看，东北地区以短周期成分影响震害为主，而关东地区则以长周期成分影响震害为主，实际峰值均超过了建筑基准法规定的限值。
Fig.2.8 Pseudo Velocity Response Spectrum of observed motions
Fig.2.9 Site amplification factors for Sa(5%) horizontalcomponents
Fig.2.10 Design earthquake motions for high-rise buildings
三、木结构主要震害
Fig.3.1 Damage of House cause by Ground Transformation
Fig.3.2 Damage of House with Store
Fig.3.3 Large-scale Wood Building renovated to a Factory
Fig.3.4 Dozo with Residual Deformation
Fig.3.5 Collapsed Wood House
Fig.3.6 Breakage of Entrance Part
Fig.3.7 Collapsed Barn
Fig.3.8 Collapsed House
四、钢筋混凝土结构主要震害
Fig.4.1 First-Story Collapsed Building
Fig.4.2 Close-up View of the Fallen Story
Fig.4.3 Mid-story Collapsed Building
Fig.4.4 Shear Cracks on First-story Columns
Fig.4.5 Shear Failure of Column
Fig.4.6 Shear Failure of Wall with Opening
Fig.4.7 Appearance of Damaged Building
Fig.4.8 Crushing at the Bottom of Column on the Multi-storyShear Wall
Fig.4.9 Damage on the Bottom of SRC Column and Shear Wall
Fig.4.10 Close-up View of the Bottom of SRC Column
Fig.4.11 Damage on Boundary Beam with Opening
Fig.4.12 Shear Crack on Column with Framed Steel Braces inretrofitted buildings
Fig.4.13 Damage to non-structural walls of residential buildingsretrofitted by oil damper
五、钢结构震害
Fig.5.1 Buckling of Brace
Fig.5.2 Net Section Fracture at Bolt Hole
Fig.5.3 Fracture at column top
Fig.5.3 Fracture at brace crossing
Fig.5.4 Fracture of Bolts
Fig.5.5 Buckling of diagonal member
Fig.5.6 Spalling of Concrete
Fig.5.7 Cracking of Column Base Concrete
六、非结构构件震害
Fig.6.1 Dropping of Ceiling Materials
Fig.6.2 Dropping of Ceiling Materials
Fig.6.3 Breakage of Windows
Fig.6.4 Falling of Ecterior Finish Materials
七、隔震结构主要震害
Fig.7.1 Peeled off of paint on U-shape dampers
Fig.7.2 Lead Damper and Crack on the Surface
八、海啸冲击破坏
在日本，众多沿海城市均设置了海啸避难所（建筑物），这类建筑是依据日本内阁会议通过的设计规程所设计的。根据规范规定，结构海啸抗侧力需要超过3倍设计淹没深度的静水压力设计。设计淹没深度是当地的历史记录的最大淹没深度。
Fig.8.1 Overturning
Fig.8.2 Movement and washed away
Fig.8.3 Tilting by scouring
Fig.8.4 Fracture of wall(300mm thickness)
Fig.8.5 Debris impact
Fig.8.6 Collapse
Fig.8.7 Large residual deformation
九、结语
对于建筑师和结构工程师而言，了解和分析已建成建筑物遭受震害的经验和教训是十分重要的。每年世界上发生的大地震很多，如果从整个城市的抗震性能以及经济活动可持续性的角度出发，还应该考虑大地震后建筑的可修复性。
毫无疑问，一个国家的建筑物总体抗震性能取决于其经济实力及技术水平，同时也离不开人们对于“抗震”的认知程度以及重视程度，有些时候，生命容不得我们投机取巧，因为那是无法挽回的。
尽管地震还不能被准确预测，预警机制也还有待完善。但与地震工程不同的是，结构设计是可控的，如何保证结构在地震或者其他灾害中，满足预期的性能要求，将损失降到最低，这是每一个结构工程师的职责，所以请带着颗敬畏之心去创建美好家园而努力吧。
（摘自网络）