地震與抗震設計的基本知識

地震與抗震設計的基本知識地震與抗震設計的基本知識地震與抗震設計的基本知識§1.1地震與地震波

地震——地球內某處因地球構造運動巖層突然破裂，或因局部巖層塌陷、火山爆發(fā)、其他原因等發(fā)生了振動，并以波的形式傳到地表引起地面的顛簸和搖晃，從而引起的地面運動。1.1.1地震的分類地震的分類人為地震自然地震構造地震火山地震塌陷地震自發(fā)地震非自發(fā)地震——分布廣，發(fā)生次數(shù)多，影響范圍廣1.1.2震源、震中與震中距震源——地殼深處發(fā)生巖層斷裂、錯動而釋放能量的地方。震源深度——震源至地面的距離。淺源地震：60km以內（世界上絕大部分地震是淺源地震）；中源地震：60～300km以內；300km以上為深源地震。震中——震源正上方的地面位置。地方震：震中距在100km以內的地震；近震：震中距在100～1000km之間的地震；震中距大于1000km的地震稱遠震。震中距——地面上某點至震中的距離。圖1.1震源、震中、震中距與震中區(qū)1.1.3地震波地震波：地震引起的振動以波的形式從震源向各個方向傳播。分為體波和面波。體波是通過地球本體傳遞的波，包括縱波和橫波。面波為沿地表傳播的次生波，指樂甫(Love)波和瑞雷(Rayleigh)波。1）體波縱波是由震源向四周傳播的拉壓波，其介質質點的振動方向與波的傳播方向一致，在固體和液體介質中都能傳播。橫波是由震源向四周傳播的剪切波，其介質質點的振動方向與波的傳播方向垂直，只能在固體介質中傳播。

圖1.2體波質點振動形式縱波的傳播速度與橫波的傳播速度(1.1)(1.2)(1.3)上式大于1，因此縱波比橫波先到達。式中：E為介質的彈性模量；

G為介質的剪切模量；μ為介質的泊松比；ρ為介質的密度。在彈性介質中，兩者關系2）面波面波是在地表面?zhèn)鞑サ牟ǎ址Q為L波。它是由體波經(jīng)地層界面多次反射、折射形成的次生波。面波主要有瑞雷波和樂浦波兩種形式。瑞雷波傳播時，介質質點在波的行進方向與地表法向組成的平面內作橢圓運動，像波浪效應。樂浦波傳播時，介質質點在與波的行進方向垂直的水平方向作剪切型運動，在地面上表現(xiàn)為蛇形運動。圖1.3面波質點振動形式地震波示意圖地震記錄上，縱波最先到達，橫波到達較遲，面波在體波之后到達，一般當橫波或面波到達時地面振動最強烈。地震波記錄是確定地震發(fā)生的時間、震級和震源位置的重要依據(jù)，也是研究工程結構物在地震作用下的實際反應的重要資料。圖1.4地震曲線圖1.1.4地震動由地震波傳播所引發(fā)的地面振動，通常稱為地震動。其中，在震中區(qū)附近的地震動稱為近場地震動。地震動的三要素：地震動的峰值（最大振幅）頻譜持續(xù)時間§1.2地震強度的衡量地震強度的大小的衡量體系：1.震級2.烈度1.2.1地震的能量：震級地震震級——地震震級是度量地震本身強度大小的指標，它是地震的基本參數(shù)之一，用符號M表示。里氏震級——震級的大小是在距震中100km處標準地震儀（指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數(shù)為0.8，放大系數(shù)為2800倍的地震儀）記錄下來的地震S波最大水平振幅A（以μm計）的常用對數(shù)值：對于淺源地震，常用如下經(jīng)驗公式來表示震級M與地震能量E（單位為erg，1erg=10-7J）之間的關系：(1.4)(1.5)基于震級的地震分類：小于2級的地震叫作微震，人們感覺不到，只有儀器才能記錄下來；2～4級地震叫有感地震人能感覺到；5級以上地震就要引起不同程度的破環(huán)，統(tǒng)稱為破壞性地震；7級以上地震則稱為強烈地震或大震，8級以上就稱為特大地震。1.2.2地震的影響：烈度等級地震烈度：是地震對地面影響的強烈程度，主要依據(jù)宏觀的地震影響和破壞現(xiàn)象來判斷。對于一次地震，表示地震大小的震級只有一個，而同一次地震中，不同地方的烈度是不同的。等烈度線：對應于一次地震，在受到影響的區(qū)域內具有相同烈度的各個地點的外包線震中區(qū)的烈度稱為震中烈度。對于中淺源地震，震中烈度與震級的大致對照關系如表1.2震級M23456788以上震中烈度I01~234~56~77~89~101112表1.2震級與震中烈度的關系地震烈度把地震的強烈程度，從無感到建筑物毀滅及山河改觀等劃分為若干等級，列成表格，以統(tǒng)一的尺度衡量地震的強烈程度。我國現(xiàn)行《中國地震烈度表》(GB/T17742)采用12等級的地震烈度劃分，見表1.3。地震烈度人的感覺房屋震害其他震害現(xiàn)象水平向地震動參數(shù)類型震害程度平均震害指數(shù)峰值加速度(m/s2)峰值速度(m/s)Ⅰ無感——————Ⅱ室內個別靜止中的人有感覺——————Ⅲ室內少數(shù)靜止中的人有感覺—門、窗輕微作響—懸掛物微動——Ⅳ室內多數(shù)人、室外少數(shù)人有感覺，少數(shù)人夢中驚醒—門、窗作響—懸掛物明顯擺動，器皿作響——表1.3中國地震烈度表Ⅴ室內絕大多數(shù)、室外多數(shù)人有感覺，多數(shù)人夢中驚醒—門窗、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落，個別房屋墻體抹灰出現(xiàn)細微烈縫，個別屋頂煙囪掉磚—懸掛物大幅度晃動，不穩(wěn)定器物搖動或翻倒0.31(0.22~0.44)0.03(0.02~0.04)Ⅵ多數(shù)人站立不穩(wěn)，少數(shù)人驚逃戶外A少數(shù)中等破壞，多數(shù)輕微破壞和/或基本完好0.00~0.11家具和物品移動；河岸和松軟土出現(xiàn)裂縫，飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水；個別獨立磚煙囪輕度裂縫0.63(0.45~0.89)0.06(0.05~0.09)B個別中等破壞，少數(shù)輕微破壞，多數(shù)基本完好C個別輕微破壞，大多數(shù)基本完好0.00~0.08Ⅶ大多數(shù)人驚逃戶外，騎自行車的人有感覺，行駛中的汽車駕乘人員有感覺A少數(shù)毀壞和/或嚴重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞0.09~0.31物體從架子上掉落；河岸出現(xiàn)塌方，飽和砂層常見噴水冒砂，松軟土地上地裂縫較多；大多數(shù)獨立磚煙囪中等破壞1.25(0.90~1.77)0.13(0.10~0.18)B少數(shù)中等破壞，多數(shù)輕微破壞和/或基本完好C少數(shù)中等和/或輕微破壞，多數(shù)基本完好0.07~0.22Ⅷ多數(shù)人搖晃顛簸，行走困難A少數(shù)毀壞，多數(shù)嚴重和/或中等破壞0.29~0.51干硬土上出現(xiàn)裂縫，飽和砂層絕大多數(shù)噴砂冒水；大多數(shù)獨立磚煙囪嚴重破壞2.50(1.78~3.53)0.25(0.19~0.35)B個別毀壞，少數(shù)嚴重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞C少數(shù)嚴重和/或中等破壞，多數(shù)輕微破壞0.20~0.40Ⅸ行動的人摔倒A多數(shù)嚴重破壞或/和毀壞0.49~0.71干硬土上多處出現(xiàn)裂縫，可見基巖裂縫、錯動，滑坡、塌方常見；獨立磚煙囪多數(shù)倒塌5.00(3.54~7.07)0.50(0.36~0.71)B少數(shù)毀壞，多數(shù)嚴重和/或中等破壞C少數(shù)毀壞和/或嚴重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞0.38~0.60Ⅹ騎自行車的人會摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會摔離原地，有拋起感A絕大多數(shù)毀壞0.69~0.91山崩和地震斷裂出現(xiàn)，基巖上拱橋破壞；大多數(shù)獨立磚煙囪從根部破壞或倒毀10.00(7.08~14.14)1.00(0.72~1.41)B大多數(shù)毀壞C多數(shù)毀壞和/或嚴重破壞0.58~0.80Ⅺ—A絕大多數(shù)毀壞0.89~1.00地震斷裂延續(xù)很大；大量山崩滑坡——BC0.78~1.00Ⅻ—A幾乎全部毀壞1.00地面劇烈變化，山河改觀——BC注：①數(shù)量詞的含義為：個別指10%以下；少數(shù)指10%-15%；多數(shù)指50%-70%；大多數(shù)指70%-90%；普遍指90%以上。

②表中房屋包括以下3種類型：

A類——木架構和土、石、磚墻建造的舊式房屋；

B類——未經(jīng)抗震設防的單層或多層磚砌體房屋；

C類——按照Ⅶ度抗震設防的單層或多層磚砌體房屋。使用說明如下：①用該標準評定地震烈度時，Ⅰ度~Ⅴ度應以地面上以及底層房屋中的人的感覺和其他震害現(xiàn)象為主；Ⅵ度~Ⅹ度應以房屋震害為主，參照其他震害現(xiàn)象，當用房屋震害程度與平均震害指數(shù)評定結果不同時，應以震害程度評定結果為主，并綜合考慮不同類型房屋的平均震害指數(shù)；Ⅺ度和Ⅻ度應綜合房屋震害和地表震害現(xiàn)象。②當采用高樓上人的感覺和器物反應評定地震烈度時，適當降低評定值。③當采用低于或高于Ⅶ度抗震設計房屋的震害程度和平均震害指數(shù)評定地震烈度時，適當降低或提高評定值。④當采用建筑質量特別差或特別好房屋的震害程度和平均震害指數(shù)評定地震烈度時，適當降低或提高評定值。⑤農(nóng)村可按自然村，城鎮(zhèn)可按街區(qū)為單位進行地震烈度評定，面積以1km2左右為宜。⑥當有自由場地強震動記錄時，水平向地震動峰值加速度和峰值速度可作為綜合評定地震烈度的參考指標。

§1.3地震活動性及地震災害1.3.1世界地震活動性在地球上震中的分布是沿一定深度和規(guī)律地集中在某些特定的大地構造部位，總體呈帶狀分布。通?？梢詣澐殖?條全球規(guī)模的地震活動帶，其中環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶是世界上2條主要的地震活動帶。圖1.6世界地震震中分布示意圖1.3.2我國地震活動性中國是世界上多地震國家之一。地處世界上兩個最活躍的地震帶中間，東瀕環(huán)太平洋地震帶，西部和西南部是歐亞地震帶所經(jīng)過的地區(qū)。圖1.7中國地震災害分布示意圖南北地震帶北起賀蘭山，向南經(jīng)六盤山，穿越秦嶺沿川西至云南省東北，縱貫南北。(2)東西地震帶主要的東西地震帶有2條，北面的一條沿陜西、山西、河北北部向東延伸，直至遼寧北部的千山一帶；南面的一條自帕米爾起，經(jīng)昆侖山、秦嶺，直到大別山區(qū)。據(jù)此，我國大致可以劃分成6個地震活動區(qū)：①臺灣及其附近海域；②喜馬拉雅山脈活動區(qū)；③南北地震帶；④天山地震活動區(qū)；⑤華北地震活動區(qū)；⑥東南沿海地震活動區(qū)。1.3.3地震災害地震災害主要表現(xiàn)：地表破壞、建筑物破壞、因地震而引起的各種次生災害。1）地表破壞(1)地裂縫強烈的地震發(fā)生時，地面斷層將達到地表，從而改變地形和地貌。按其成因可以分為以下2種類型：①構造性地裂縫：由于地下斷層錯動延伸到地表而形成的裂縫；②重力性地裂縫：由于在強烈地震作用下引起的地面激烈震動的慣性力超過了土的抗剪強度所致。(2)噴水冒砂當?shù)叵滤惠^高、砂層埋深較淺的平原地區(qū)，特別是河流兩岸最低平的地方，地震時地震波產(chǎn)生的強烈振動使得地下水壓急劇增加，地下水經(jīng)過地裂縫或其他通道冒出地面。當?shù)乇硗翆訛樯巴翆踊蚍弁翆訒r，會造成砂土液化甚至噴水冒砂現(xiàn)象。(3)地表下沉在強烈地震作用下，在地下存在溶洞的地區(qū)或者由于人們的生產(chǎn)活動產(chǎn)生的空洞如礦井或者地鐵等，強烈地震發(fā)生時，地面土體將會產(chǎn)生下沉，造成大面積陷落。此外，在松軟而壓縮性高的土層中，地震使土顆粒間的摩擦力大大降低，土層變密實，造成地面下沉。(4)滑坡常發(fā)生在陡峻的山區(qū)，在強烈地震的搖動下，由于陡崖失穩(wěn)常引起塌方、山體滑移、山石滾落等現(xiàn)象。(5)山石崩裂2）建筑物的破壞建筑物的破壞可以因前述地表破壞引起，在性質上屬于靜力破壞；更常見的建筑物破壞是由于地震地面運動的動力作用引起，在性質上屬于動力破壞。建筑物的破壞情況與結構類型和抗震措施等有關，根據(jù)破壞形態(tài)和原因可分為3類：①結構喪失整體性造成破壞；②承重結構承載力或變形能力不足引起破壞；③地基失效引起的破壞。3）次生災害次生災害是指由一次災害誘發(fā)的，如地震后引起的火災、水災、海嘯、逸毒、瘟疫等災害?！?.4建筑抗震設計的基本要求1.4.1相關術語①地震基本烈度：指該地區(qū)在一定時期（我國是50年）內，在一般場地條件下可能遭遇超越概率為10%的地震烈度值。它是一個地區(qū)進行抗震設防的依據(jù)。②抗震設防分類：根據(jù)建筑遭遇地震破壞后，可能造成人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟損失、社會影響的程度及其在抗震救災中的作用等因素，對各類建筑所做的設防類別劃分。③抗震設防烈度：按國家規(guī)定的權限批準作為一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度。一般情況下，取50年內超越概率10%的地震烈度，即基本烈度。④抗震設防標準：衡量抗震設防要求高低的尺度，由抗震設防烈度或設計地震動參數(shù)及建筑抗震設防類別確定1.4.2建筑抗震設防分類和設防標準抗震設防是指對建筑工程進行抗震設計計算和采取抗震構造措施，以達到抗震的效果。1）建筑抗震設防分類根據(jù)建筑的使用功能及其重要性，按其受地震破壞時產(chǎn)生的后果及其嚴重性，抗震設防的建筑工程分為以下4個抗震設防類別：①特殊設防；②重點設防；③標準設防；④適度設防；2）建筑抗震設防標準我國規(guī)范對各抗震設防類別建筑的抗震設防標準在地震作用計算和抗震措施方面做了規(guī)定，見表1.4建筑抗震設防類別地震作用計算抗震措施甲類應按批準的地震安全性評價的結果且高于本地區(qū)抗震設防烈度的要求確定應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施；但9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施乙類應按本地區(qū)抗震設防烈度確定（6度時可不進行計算）應按高于本地區(qū)抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施；但9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎的抗震措施，應符合有關規(guī)定丙類應按本地區(qū)抗震設防烈度確定（6度時可不進行計算）應按本地區(qū)抗震設防烈度確定丁類一般情況下，應按本地區(qū)抗震設防烈度確定（6度時可不進行計算）允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低表1.4各抗震設防類別建筑的抗震設防標準1.4.3建筑抗震設防的目標我國《抗震規(guī)范》提出的“三水準”抗震設防目標是：①第一水準：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續(xù)使