第一章 抗震基本知識(shí)

第一章緒論§1.1地震基本知識(shí)§1.2地震災(zāi)害§1.3地震震級(jí)與地震烈度§1.4地震動(dòng)特性§1.5建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防2/5/2023

1.1地震基本知識(shí)概述地震類型與成因地震波地震動(dòng)這座“紀(jì)念碑”高寬比很大卻也很結(jié)實(shí)，無(wú)心的紀(jì)錄下了2008年5月12日下午2點(diǎn)28分這個(gè)時(shí)刻。

概述

地震是一種自然現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球每年平均發(fā)生500萬(wàn)次左右的地震，其中，5級(jí)以上的強(qiáng)烈地震約1000次左右。如果強(qiáng)烈地震發(fā)生在人類聚居區(qū)，就會(huì)造成地震災(zāi)害。為了抗御與減輕地震災(zāi)害，有必要進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震分析與抗震設(shè)計(jì)。地殼由各種不均勻的巖石組成。地球的構(gòu)造世界上絕大部分的地震都發(fā)生在這一薄薄的地殼內(nèi)。（地殼巖石長(zhǎng)期積累的變性在瞬間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能而產(chǎn)生地震）

地面為沉積巖，地殼上部為花崗巖巖層，地殼下部為玄武巖巖層（海洋下只有玄武巖巖層）。地幔主要有質(zhì)地堅(jiān)硬的橄欖巖組成。地幔是地殼運(yùn)動(dòng)的根源，其原因：

由于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)不斷釋放能量，地球內(nèi)部的溫度也隨深度的增加而升高，地下200Km到700Km其溫度由600℃升至2000℃，在這一范圍內(nèi)的地幔中存在著一個(gè)厚約幾百公里的軟流層。因溫度分布不均勻，就發(fā)生了地幔內(nèi)部物質(zhì)的對(duì)流；另外地球內(nèi)部的壓力也是不均衡的，在地幔上部約900MPa,地幔中部為3700MPa。地核是地球的核心，分為：（觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：地震橫波不能通過(guò)外核（即不能通過(guò)液體）。外核（厚2100Km）處于液態(tài)內(nèi)核（厚1400Km）處于固態(tài)地核主要構(gòu)成物質(zhì)是鎳、鐵。

1.1.1地震類型與成因按其成因分構(gòu)造地震:由于地球內(nèi)部巖層構(gòu)造變化引起的地震。分布最廣，危害最大?；鹕降卣穑河捎诨鹕奖l(fā)，巖漿猛烈沖出地面起。(我國(guó)沒(méi)有，日本有)。陷落地震：由于地表或地下巖層突然發(fā)生大規(guī)模的陷落和崩塌所引起小范圍的地面震動(dòng)。誘發(fā)地震：由于水庫(kù)蓄水或深井注水等引起的地面震動(dòng)。※在工程抗震設(shè)計(jì)中僅考慮構(gòu)造地震的設(shè)防問(wèn)題構(gòu)造地震的成因和分布成因：斷層說(shuō)在自然界，大規(guī)模的破裂面被稱為地質(zhì)斷層。一條斷層的兩側(cè)可以逐漸地并難以察覺(jué)地互相滑過(guò)；也可以突然破裂，以地震形式釋放能量。

猶他州喀那布附近的切過(guò)巖層的小而清晰的正斷層斷層學(xué)說(shuō)的佐證

----來(lái)自以色列的精彩實(shí)例原來(lái)水平的剛性巖石層在長(zhǎng)時(shí)期作用的構(gòu)造力擠壓下褶皺斷層學(xué)說(shuō)的佐證板塊說(shuō)：大陸漂移假說(shuō)：它是德國(guó)氣象學(xué)家魏格納（Wegener）(1880～1930年)在講課中提出來(lái)的。這一假說(shuō)在約10年時(shí)間內(nèi)沒(méi)有受到地質(zhì)界的重視。在1922年2月16日有一篇評(píng)述魏格納的書(shū)的一無(wú)人署名的短文，發(fā)表于著名的科學(xué)雜志《自然》上，說(shuō)“該書(shū)直接應(yīng)用了物理學(xué)原理，但遭到許多地質(zhì)學(xué)家的強(qiáng)烈反對(duì)”。魏格納假定一個(gè)超級(jí)大陸于3億年前破裂，其碎塊漂移出去形成現(xiàn)今的大陸。作為證據(jù)，他指出不同大陸的大型地質(zhì)構(gòu)造，如非洲西海岸和南美的東海岸似乎可以吻合。這一原理能夠解釋許多地質(zhì)學(xué)問(wèn)題，在以后幾十年代中成為辯論的主要焦點(diǎn)。由洋中脊，海溝和轉(zhuǎn)換斷層構(gòu)成邊界的主要構(gòu)造板塊

美洲板塊，歐亞板塊，印澳板塊，太平洋板塊，南極洲板塊等板塊學(xué)說(shuō)的佐證板塊學(xué)說(shuō)的佐證

1.2地震災(zāi)害中國(guó)地震背景地震的破壞作用

本世紀(jì)以來(lái)，全世界破壞性強(qiáng)的地震平均每年18次，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億美元。126萬(wàn)人死亡，近千萬(wàn)人嚴(yán)重傷殘。我國(guó)本世紀(jì)以來(lái)，發(fā)生6級(jí)以上地震500余次，8級(jí)以上地震9次。一次大地震可在數(shù)10秒鐘之內(nèi)使一座繁榮的城市變成廢墟，人們幾代人的積累和財(cái)富化為烏有。中國(guó)地震背景世界范圍內(nèi)有兩大地震帶環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶我國(guó)主要有兩條地震帶南北地震帶和東西地震帶

在海濱地區(qū)跨圣安德烈斯斷裂的籬笆在1906年舊金山地震時(shí)錯(cuò)動(dòng)了2.6米，遠(yuǎn)處的土地向右移動(dòng)。地震的破壞作用

1988年亞美尼亞地震造成的新鮮斷崖

1976年7月28日,在河北省唐山、豐南一帶發(fā)生了7.8級(jí)強(qiáng)烈地震，唐山地震造成24.2萬(wàn)人死亡，16.4萬(wàn)人受重傷，僅唐山市區(qū)終身殘廢者達(dá)1700多人，倒塌民房530萬(wàn)間。唐山地區(qū)總的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)54億元，公共設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞，災(zāi)情之大舉世罕見(jiàn)。汶川地震2008年5月12日14時(shí)28分04秒震級(jí)：里氏震級(jí)8.0級(jí)最大烈度：11度震中位置：四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)汶川大地震是中國(guó)一九四九年以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震，地震的強(qiáng)度、烈度都超過(guò)了一九七六年的唐山大地震。遇難:69142人失蹤:17551人。地震災(zāi)害直接地表破壞：山石崩裂，地裂，災(zāi)害地陷，噴砂冒水結(jié)構(gòu)物破壞：整體穩(wěn)定性，強(qiáng)度不足，塑性不足，地基失效次生城市、工業(yè)區(qū)破壞：水災(zāi)，火災(zāi)，污染災(zāi)害海嘯

海嘯是一種災(zāi)難性的海浪，通常由震源在海底下50千米以內(nèi)、里氏震級(jí)6.5以上的海底地震引起。水下或沿岸山崩或火山爆發(fā)也可能引起海嘯。在一次震動(dòng)之后，震蕩波在海面上以不斷擴(kuò)大的圓圈，傳播到很遠(yuǎn)的距離，正象卵石掉進(jìn)淺池里產(chǎn)生的波一樣。海嘯波長(zhǎng)比海洋的最大深度還要大，軌道運(yùn)動(dòng)在海底附近也沒(méi)受多大阻滯，不管海洋深度如何，波都可以傳播過(guò)去。2004年12月26日，印度洋發(fā)生強(qiáng)烈地震并引發(fā)海嘯，造成周邊國(guó)家重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。印度洋海嘯造成近30萬(wàn)人遇難。海嘯的起因：1.3地震基本術(shù)語(yǔ)震源、震中、地震波地震震級(jí)地震烈度基本烈度與地震區(qū)劃震源：地下地震的發(fā)源處地球內(nèi)部斷層錯(cuò)動(dòng)并輻射出地震波的部位。（震源不是一個(gè)點(diǎn)，而是有一定的深度和范圍）淺源地震<60km

中源地震60~300km

深源地震>300km地震波按震源深淺，地震又可分為：

震中、震中距、等震線

垂直于震源的地表為震中體波：

縱波：P波，為壓縮波，速度快，產(chǎn)生顛簸。vp=1.67vs

橫波：S波，vs為剪切波，速度稍慢，產(chǎn)生搖晃。

地震P波(縱波)和S波(橫波)運(yùn)行時(shí)彈性巖石運(yùn)動(dòng)的形態(tài)

勒夫波和瑞利波傳播過(guò)程中近地表巖石的運(yùn)動(dòng)

面波：有勒夫波和瑞利波，vR=vL=0.9vs，能量大，破壞大，產(chǎn)生顛簸搖晃。地震波記錄圖地震動(dòng)為什么地震時(shí)人的感覺(jué)是先顛后晃？由地震波傳播所引發(fā)的地面振動(dòng)，通常稱為地震動(dòng)。

地震時(shí)，震中及其附近的人們先感覺(jué)到上下顛簸，然后感到前后或左右搖晃。這是因?yàn)榈卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波主要有兩種，一種是縱波，它傳播的速度快，可達(dá)5—6Km/秒；另一種是橫波，它的速度較慢，達(dá)3—4Km/秒。因?yàn)榭v波先到，使人們產(chǎn)生上下顛簸的感覺(jué)；而橫波后到，讓人們感到水平搖晃，對(duì)建筑物的破壞主要是橫波。人們?cè)诟杏X(jué)到“顛”的時(shí)候，要馬上就地避震，因?yàn)榇蟮钠茐牧︸R上就要到了。用標(biāo)準(zhǔn)的地震儀在距震中100km處記錄最大水平位移A（以μm=10-6m計(jì)）。震級(jí)M=logA

查爾斯·里克特（1900～1985年）

震級(jí)是一次地震強(qiáng)弱的等級(jí)?，F(xiàn)國(guó)際上的通用震級(jí)表示為里氏震級(jí)。（Richter）地震震級(jí)震級(jí)與能量的關(guān)系logE=11.8+1.5M震級(jí)差一級(jí)，能量差32倍之多。

按著這個(gè)定義，對(duì)一個(gè)100千米外的地震，如果標(biāo)準(zhǔn)地震儀記錄到1厘米的峰值波振幅（即1‰毫米的104倍），則震級(jí)為4級(jí)。1級(jí)微震，人們無(wú)感覺(jué)。2~4級(jí)有感地震5級(jí)以上破壞性地震7級(jí)以上強(qiáng)烈地震8級(jí)以上特大地震現(xiàn)記錄到的最強(qiáng)地震為8.9級(jí)。唐山地震7.8級(jí)

地震烈度：某一地點(diǎn)地面震動(dòng)的強(qiáng)烈程度，由地面建筑的破壞程度，人的感覺(jué)，物體的振動(dòng)及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈程度而定?，F(xiàn)在主要由地面震動(dòng)的速度和加速度確定。地震烈度注意與震級(jí)區(qū)分。烈度：

一次地震對(duì)某一地區(qū)的影響和破壞程度稱地震烈度，簡(jiǎn)稱為烈度。用I表示。

烈度與震級(jí)的關(guān)系

一般而言，震級(jí)越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影響烈度的因素，除了震級(jí)、震中距外，還與震源深度、地質(zhì)構(gòu)造和地基條件等因素有關(guān)。分項(xiàng)：人的感覺(jué)，大多數(shù)房屋震害程度，其他現(xiàn)象，加速度(水平向)厘米/秒2，速度(水平向)厘米/秒烈度表I度：為無(wú)感覺(jué)，損壞一個(gè)別磚瓦掉落墻體微細(xì)裂縫；河岸和松軟土上出現(xiàn)裂縫。分為1-12度（不同的國(guó)家的分度方法不同）中國(guó)地震烈度表VII（7）度：大多數(shù)人倉(cāng)惶逃出；輕度破壞，局部破壞、開(kāi)裂，但不妨礙使用；河岸出現(xiàn)塌方。飽和砂層常見(jiàn)噴砂冒水。松軟土上地裂縫較多。大多數(shù)磚煙囪中等破壞；加速度125厘米/秒2。Ⅷ（8）度：搖晃顛簸行走困難；中等破壞,結(jié)構(gòu)受損，需要修理；干硬土上亦有裂縫。大多數(shù)磚煙囪嚴(yán)重破壞；加速度250厘米/秒2。

VI（6）度：驚慌失措，倉(cāng)惶逃出；飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水。地面上有的磚煙囪輕度裂縫、掉頭；加速度63厘米/秒2。Ⅹ（10）度：騎自行車的人會(huì)摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會(huì)摔出幾尺遠(yuǎn)，有拋起感；大部倒塌，不堪修復(fù)；山崩和地震斷裂出現(xiàn)，基巖上的拱橋破壞，大多數(shù)磚煙囪從根部破壞或倒毀；

加速度1000厘米/秒2。

Ⅻ（12）度：地面劇烈變化，山河改觀。Ⅸ（9）度：坐立不穩(wěn)行動(dòng)的人可能摔跤；嚴(yán)重破壞,墻體龜裂，局部倒塌，復(fù)修困難；嚴(yán)重破壞，墻體龜裂，局部倒塌，復(fù)修困難；加速度500厘米/秒2?；玖叶扰c地震區(qū)劃

一個(gè)地區(qū)未來(lái)50年內(nèi)一般場(chǎng)地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值稱為該地區(qū)的基本烈度。用Io表示。按國(guó)家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度稱為設(shè)防烈度，用Id表示。建筑所在地區(qū)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（50年）內(nèi)具有超越概率2%-3%的地震烈度。也稱為大震烈度，重現(xiàn)期約為2000年。建筑所在地區(qū)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（50年）內(nèi)出現(xiàn)的頻度最高的烈度。也稱為常遇烈度、小震烈度，用Im表示。其超越概率為63.2%，重現(xiàn)期為50年。

設(shè)計(jì)地震分組是新規(guī)范新提出的概念，用以代替舊規(guī)范設(shè)計(jì)近震、設(shè)計(jì)遠(yuǎn)震的概念。

在宏觀烈度大體相同條件下，處于大震級(jí)遠(yuǎn)離震中的高聳建筑物的震害比中小級(jí)震級(jí)近震中距的情況嚴(yán)重的多。6度近震6度遠(yuǎn)震7度近震7度遠(yuǎn)震

設(shè)計(jì)地震分組

1.4地震動(dòng)特性地震動(dòng)幅值特性地震動(dòng)頻譜特性地震動(dòng)持時(shí)特性地震動(dòng)幅值特性地震動(dòng)幅值可以是地面運(yùn)動(dòng)的加速度、速度或位移的某種最大值或某種意義下的有效值。它可描述地面震動(dòng)的強(qiáng)弱程度，且與震害有著密切關(guān)系，可作為地震烈度的參考物理指標(biāo)。例如，1940年EL-Centro地震加速度記錄的最大值為341.7cm/s2。地震動(dòng)幅值的大小受震級(jí)、震源機(jī)制、傳播途徑、震中距、局部場(chǎng)地條件等因素的影響。一般來(lái)說(shuō)，在近場(chǎng)內(nèi)，基巖上的加速度峰值大于軟弱場(chǎng)地上的加速度峰值，而在遠(yuǎn)場(chǎng)則相反。

地震動(dòng)頻譜特性所謂地震動(dòng)頻譜特性是指地震動(dòng)對(duì)具有不同自振周期的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性。通?？梢杂梅磻?yīng)譜、功率譜和傅里葉譜來(lái)表示。反應(yīng)譜是工程中最常用的形式，現(xiàn)已稱為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。震級(jí)、震中距和場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的頻譜特性有重要影響，震級(jí)越大、震中距越遠(yuǎn)，地震動(dòng)記錄的長(zhǎng)周期分量就越顯著。硬土且地層薄的地基上的地震動(dòng)記錄包含較豐富的高頻成分，而軟土且地層厚的地基上的地震動(dòng)記錄卓越周期偏向長(zhǎng)周期。地震動(dòng)持時(shí)特性地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度有著較大的影響。在相同的地面運(yùn)動(dòng)最大加速度作用下，當(dāng)強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，則該地點(diǎn)的地震烈度高，結(jié)構(gòu)物的地震破壞就重；反之，當(dāng)強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間短，則該地點(diǎn)的地震烈度低，結(jié)構(gòu)物的破壞就輕。例如，EL-Centro地震的強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間為30s，該地點(diǎn)的地震烈度為8度，結(jié)構(gòu)物破壞較嚴(yán)重；而1966年的日本松代地震，其地面運(yùn)動(dòng)最大加速度略高于EL-Centro地震，但其強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間僅為4s，則該地的地震烈度僅為5度，未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)物破壞。

1.5建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防抗震設(shè)防的目的和要求抗震設(shè)計(jì)方法建筑物重要性分類與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防的目的和要求

許多國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都趨向于以“小震不壞、中震可修、大震不到”作為建筑抗震設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。通過(guò)抗震設(shè)防，減輕建筑的破壞，避免人員死亡，減輕經(jīng)濟(jì)損失。

工程抗震設(shè)防的基本目的

簡(jiǎn)稱為：“小震不壞，中震可修，大震不倒”?！叭疁?zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)第一水準(zhǔn)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。第二水準(zhǔn)：當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。第三水準(zhǔn)：當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞?？拐鹪O(shè)計(jì)方法在進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，原則上應(yīng)滿足上述“三水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防要求。在具體做法上，我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用了簡(jiǎn)化的“兩階段”的抗震設(shè)計(jì)方法。

第一階段設(shè)計(jì)：按多遇地震烈度對(duì)應(yīng)的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和結(jié)構(gòu)的彈性變形。

第二階段設(shè)計(jì)：按罕遇地震烈度對(duì)應(yīng)的地震作用效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。

有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明顯薄弱層的建筑，不規(guī)則的建筑等第一階段的設(shè)計(jì)，保證了第一水準(zhǔn)的承載力要求和變形要求。第二階段的設(shè)計(jì)，則旨在保證結(jié)構(gòu)滿足第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。如何保證第二水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求，尚在研究之中。目前一般認(rèn)為，良好的抗震構(gòu)造措施有助于第二水準(zhǔn)要求的實(shí)現(xiàn)。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001。該標(biāo)準(zhǔn)主要以地震中和地震后房屋的損壞對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響的程度大