抗震結構設計（第5版）

緒論1.1地震與地震動地震的定義：——地球內部緩慢積累的能量突然釋放而引起的地球表層的振動。——地殼運動在某些階段發生急劇變化時的一種災害性自然現象。（500萬次，1％，18次）.唐山地震（1976年，24.2萬，100億人民幣）

唐山市文化路青年宮，為磚混結構的二層樓房，7.8級地震時倒塌一層，7.1級地震時除四根門柱外，全部坍塌。唐山地震

開灤煤礦醫院，為磚混結構的五層樓房（局部七層），僅西部轉角殘存。唐山地震

唐山市開灤煤礦救護樓，為磚混結構人字木屋架的三層樓房，墻倒頂塌。

唐山地震

唐山市河北省礦業學院圖書館，三層高的閱覽室，系裝配式純框架結構，西頭倒毀，東頭框架幸存。（此處為唐山地震重點保護遺跡之一）

唐山地震震后唐山一角1972年唐山火車站臺灣集集地震（1999年，2400人，94億美元）臺灣集集地震臺灣集集地震臺灣集集地震云林縣六市中山國寶二期大樓座落在大智路上，為12層鋼筋混凝土住宅和商務混合大樓，其中二棟自樓梯間相接處分裂，東側樓6層以下全部塌陷，并向東側倒在鄰房4層樓公寓上。西側樓5層以下全部倒塌，并向西傾倒在另一棟大樓上，柱子間距介于8米到10米，且柱子數量偏少。

臺灣集集地震

彰化縣員林鎮邦富貴名門大樓座落在中山路惠明街口，為16層鋼筋混凝土集合住宅大樓。地震時其中一棟傾倒靠在呈L型平面大樓上，柱子間距7至10米。造成傾倒的原因是底層柱子數量太少，間距太大。臺灣集集地震臺灣集集地震臺灣集集地震臺灣集集地震石崗大壩攔截大家溪，是臺中縣主要飲用水源之一，全長700米。9·21地震中受斷層作用北段三跨泄洪道斷塌，斷裂處南側拱起約9.8米，北側約2米。蓄水功能全失，上游水庫底床露出地表。

印度地震（2001年，2萬人，45億美元）印度地震印度地震土耳其地震（1999，7.8級，1.6萬人，

200億美元）伊茲米特市的一幢建筑物底層破壞，造成整體傾斜，左邊的一幢層層倒塌。土耳其地震伊茲米特市一樓房底層空曠，結構不合理，房屋整體傾斜，二樓成了一樓。

土耳其地震一座二層小學教學樓被完全摧毀。人員傷亡土耳其地震公路橋梁破壞地表破壞我國地震情況抗震設防的國土面積：82.7%.20世紀全球兩次死亡20萬人以上的大地震：①1920年，寧夏海源地震，8.5級，23.4萬人;②1976年，唐山地震，7.8級，24.2萬人.統計結果：我國大陸地震約占世界大陸地震的1/3。1900年以來，死于地震人數有55萬之多,占全球地震死亡人數的53％。防災減災的工作內容地震的監測預報：預測地震發生的時間、地點和強度，準確度？(有減災實效的預測大概是10%。中長期年度預測的水平高一點，在30%－40%)。地震作用預測：地震強度量化為作用在結構上的作用力，地震作用的估計相當粗糙。地震作用效應分析：抗震設計。工程設計人員的責任：利用現有的研究成果對未來可能遇到的地震精心設防，盡量減輕震害。1.1.1

地震及其成因1.地球的構造地球是一個半徑約為6400km的橢圓球體，由三層不同的物體組成。

(1)表面層：很薄的地殼，平均厚30～40km；

(2)中間層：地幔,厚約2900km；

(3)內層：地核，平均半徑厚約3500km。1.地球的構造地殼：各種結構不均勻厚薄不一巖石組成。陸地:平均厚度30～40km海洋：平均厚度5～8km，

世界上絕大部分的地震都發生在這一薄薄的地殼內。地幔：主要由質地堅硬的橄欖巖組成。上地幔：40～70km巖石層，和地殼成巖石圈；

70～700km為厚幾百公里軟流層。下地幔：物質密度增大。

地幔是地殼運動的根源：（1）地球內部的溫度隨深度的增加而升高。地下200km～700km其溫度由600℃升至2000℃。

（2）地球內部的壓力是不均衡的，在地幔上部約900MPa,地幔中部為3700MPa。1.地球的構造地幔內部的物質在熱狀態和不均衡的壓力作用下緩慢的運動著。（地震產生的根源）地核：地球的核心，主要構成物質是鎳、鐵。外核（厚2100km）處于液態；內核（厚1400km）處于固態。地震觀測發現：地震橫波不能通過外核（即不能通過液體）。

地震僅發生在地球的地殼和地幔上部(700km）。2.地震類型和成因地震類型：按產生地震的原因分：火山地震：由于火山爆發而引起的地面振動。7％。陷落地震：由于地表或地下巖層突然發生大規模的陷落和崩塌所引起小范圍的地面振動。3％。構造地震:由于地殼構造運動造成地下巖層斷裂或錯動引起的地面振動。90％，破壞性大，影響面廣。※在工程抗震設計中僅考慮構造地震的設防問題。2.地震類型和成因構造地震的成因：板塊構造學說。全球巖石圈；六大板塊；地幔軟流層對流；各板塊相互擠壓、碰撞；積累能量，變形應力；巖層斷裂和錯動，彈性波，地面振動，地震。2.地震類型和成因地震序列：在一定時間內相繼發生在相鄰地區的一系列大小地震。主震：最大的一次地震。前震：主震之前發生的地震。余震：主震之后發生的地震。主震型地震：主震震級很突出，其釋放的能量占全序列中絕大部分，60％。震群型地震：主震震級不突出，多發型地震，30％。單發型地震：無前震和余震，孤立型地震，10％。2.地震類型和成因地震的空間特征（常用術語）：震源：地球內部斷層錯動并輻射出地震波的部位；震中：震源在地面上的投影點；震中區：震中周圍的地區(極震區)；震中距：地面某處至震中的水平距離；震源深度：震中到震源的垂直距離；等震線：把地面上破壞程度相近的點連成的曲線。2、地震類型和成因按震源的深淺不同，地震又可分為：淺源地震：震源深度在60km以內。85%。中源地震：震源深度在60~300km范圍內。12%。深源地震：震源深度超過300km。3%(720km)。

2002年6月29日晨1：20發生于吉林的7.2級地震，震源深度為540km，無破壞。

1960年2月29日發生于摩洛哥艾加迪爾城的5.8級地震，深度為3km。震中破壞極為嚴重，但破壞僅局限在震中8km內。1.1.2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并釋放能量,這種從震源地方的巖石破裂產生的彈性波。分為體波和面波。體波：在地球內部傳播，包括縱波和橫波。縱波：是由震源向外傳播的疏密波，其介質質點的振動方向與波的前進方向一致，從而使介質不斷地壓縮和疏松。縱波特點：周期短，振幅小，波速快，

200-1400m/s

，使建筑物產生上下顛簸。1.1.2地震波橫波：是由震源向外傳播的剪切波，其介質質點的振動方向與波前進的方向相垂直。橫波特點:周期長、振幅大、波速慢，100-800m/s，使建筑物產生水平方向搖晃在一般情況下：縱波速度Vp=1.67Vs（Vs橫波速度）縱波：初波（primarywave)，P波橫波：次波（secondarywave)，S波1.1.2地震波面波：沿地球表面傳播；主要有瑞雷波和洛夫波。洛夫波（L波）：傳播時將使質點在與波前進方向相垂直的水平方向上作蛇形運動。瑞雷波（R波）：傳播時將使質點在波的前進方向與地表面法向組成的平面內做逆向橢圓運動。1.1.2地震波面波特點：比體波傳播速度慢、振幅大、周期長、衰減慢、傳播遠，使建筑物既產生上下顛簸又產生左右搖晃。建筑物一般在橫波和面波都到達時振動最為激烈。因面波的能量比體波的大，所以造成建筑物和地表的破壞以面波為主。1.1.3地震強度1.1.3.1震級震級：反映地震強度大小的指標，用M表示。

M=lgA

（里氏震級）A——在距震中100km處用標準地震儀記錄以微米為單位的最大水平地動位移。標準地震儀：指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數為0.8，放大倍數為2800倍的地震儀。震級表示一次地震釋放能量的多少，一次地震只有一個震級。1.1.3.1震級震級M與地震釋放能量E（爾格）之間的關系：

lgE=11.8+1.5M(1爾格=10-7J)能量越大，震級就越大；震級相差一級，能量相差約32倍；相差二級，能量相差1000倍。一個6級地震相當于一個兩萬噸級的原子彈。到目前為止，世界上記錄到的最大一次地震是1960年5月23日發生在智利的8.9級地震。1.1.3.1震級按震級，地震分類：

微震——2級以下人感覺不到有感地震——2-4級人有感覺

破壞性地震——5級以上有破壞

強烈地震——7級以上有破壞特大地震——8級以上有破壞

由于震源深淺、震中距大小等不同，地震造成的破壞也不同。震級大，破壞力不一定大；震級小，破壞力不一定就小。1.1.3.2地震烈度地震烈度：指地震時某一地區的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強弱程度。簡稱烈度。用I表示。影響烈度的因素：震級、震中距、震源深度、地質構造和地基條件等。一般而言，震級越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。即一次地震的震級只有一個，但距離震中不同的地點，地震烈度就不同。對淺源地震，震級與震中烈度的關系：

M＝0.58I0+1.51.1.3.2地震烈度地震烈度表制定標準：根據地震時人的感覺、器物的反應、建筑物破壞和地表現象劃分的地震烈度表是評定烈度的標準和尺度。《中國地震烈度表》將地震烈度分為1-12度。從工程抗震的角度，烈度表中對應于不同烈度給出了地面運動最大加速度和最大速度無感1室內個別靜止中的人感覺2懸掛物微動門、窗輕微作響室內少數靜止中的人感覺3懸掛物明顯擺動，器皿作響門、窗作響室內多數人感覺。室外少數人感覺。少數人夢中驚醒43（2-4）31（22-44）不穩定器物翻倒門窗、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落。抹灰出現微細裂縫室內普遍感覺。室外多數人感覺。多數人夢中驚醒56（5-9）63（45-89）河岸和松軟土出現裂縫。飽和砂層出現噴砂冒水。地面上有的磚煙囪輕度裂縫掉頭損壞——個別磚瓦掉落、墻體微細裂縫驚惶失措，倉皇逃出613（10-18）125（90-177）河岸出現坍方。飽和砂層常見噴砂冒水。松軟土上地裂縫較多。大多數磚煙囪中等破壞輕度破壞——局部破壞開裂，但不妨礙使用大多數人倉皇逃出725（19-35）250（178-353）干硬土上亦有裂縫。大多數磚煙囪嚴重破壞中等破壞——結構受損，需要修理搖晃顛簸，行走困難850（36-71）500（354-707）干硬土上有許多地方出現裂縫，基巖上可能出現裂縫。滑坡、坍方常見。磚煙囪出現倒塌嚴重破壞——墻體龜裂，局部倒塌，修復困難坐立不穩。行動的人可能摔跤9100（72-141）1000（708-1414）山崩和地震斷裂出現。基巖上的拱橋破壞。大多數磚煙囪從根部破壞或倒毀倒塌——大部倒塌，不堪修復騎自行車的人會摔倒。處不穩狀態的人會摔出幾尺遠。有拋起感10地震斷裂延續很長。山崩常見。基巖上的拱橋毀壞毀滅11地面劇烈變化，山河改觀12速度加速度

其它現象

一般房屋

人的感覺烈度地震區劃：是指根據歷史地震、地震地質構造和地震觀測資料，在地圖上按地震情況的差異劃出的不同區域。（1990版，基本烈度不同的5個地區）。2001年版的《中國地震動參考區劃圖》，是確定我國城鎮抗震設防烈度、設計基本地震加速度和設計地震分組的依據，具有法律效應。1.1.4地震區劃與地震影響基本術語抗震設防烈度：按國家規定的權限批準的作為一個地區抗震設防依據的地震烈度。用Id表示。規范規定：一般情況下，設防烈度可采用《中國地震動參數區劃圖》中的地震基本烈度。基本烈度：一個地區未來50年內一般場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的基本烈度。用Ib表示。也稱為偶遇烈度或中震烈度。

相當于475年一遇的最大地震的烈度。設計基本地震加速度：是指50年設計基準期超越概率為10%的地震加速度的設計取值，即地震動的峰值加速度。設計地震分組地震波的特性：地震波在傳播過程中高頻分量比低頻分量衰減得快（縱波衰減最快，面波傳播最遠）。震級大震中距遠的地震波其主導頻率為低頻分量，考慮結構物本身的自振周期，共振效應。一般來說，在宏觀烈度大體相同條件下，震級較大震中距較遠的地震對長周期柔性結構的破壞比中小級震級震中距較近的情況嚴重的多。同樣烈度下，不同震級和震中距的地震對不同建筑物造成的破壞程度是不同的。設計地震分組《建筑抗震設計規范》將設計地震劃分為三組以反映近、中、遠震的影響。不同的設計地震分組，采用不同的設計特征周期。對于Ⅱ類場地，第一、二、三組的設計特征周期分別為：0.35s、0.40s、0.45s.1.2地震活動性1.2.1世界地震活動性全世界地震主要分布于以下兩個帶：（1）環太平洋地震帶:經我國臺灣。（2）歐亞地震帶(喜馬拉雅－地中海地震帶):經我國橫斷山脈、喜馬拉雅山區。這兩個地震帶釋放的能量，約占全球所有地震釋放能量的98%。

我國正好介于地球的兩大地震帶之間。1.2.2我國地震活動我國的主要地震帶：（1）南北地震帶：北起賀蘭山，向南經六盤山、穿越秦嶺沿川西至云南省東北，縱貫南北。（2）東西地震帶：北面的一條：沿陜西、山西、河北北部向東延伸，直至遼寧的千山一帶。南面的一條：自帕米爾起，經昆侖山、秦嶺，直至大別山區。1.2.2我國地震活動六個地震活動區臺灣及其附近海域；喜馬拉雅山脈活動區；南北地震帶；天山地震活動區；華北地震活動區；東南沿海地震活動區；

我國目前處于地震活躍期；臺灣大地震最多，新疆，西藏次之。1.3地震災害1.3.1概述分類:直接災害:一次災害，地面運動引起的地表破壞，建筑物倒塌等。次生災害:二次災害，由直接災害繼發的地震后火災、水災、海嘯、毒氣逸散等。誘發災害:三次災害，由前兩種災害引起的工廠停產，城市癱瘓，瘟疫蔓延等。1.3.1.1地表破壞地表破壞：如地面裂縫、滑坡塌方、塌陷、液化等。地面破壞豐源市獅子會館及水源路被斷層拱起4m滑坡塌方砂土液化地面噴水冒砂砂土液化地面噴水冒砂土壤液化后留下的噴沙孔1.3.1.2工程結構的破壞唐山地震灤河大橋被震垮如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂等。1.3.1.2工程結構的破壞承重構件強度不足1.3.1.2工程結構的破壞承重構件強度不足1.3.1.2工程結構的破壞

構件連接不牢喪失整體性1.3.1.2工程結構的破壞

基礎失效1.3.1.3次生災害火災1.3.1.3次生災害火災1.3.1.3次生災害水庫壩體倒塌1.3.1.3次生災害

海嘯1.3.1.3次生災害1.3.1.4誘發災害唐山震后工廠廠房工廠停產1.3.1.4誘發災害1.3.2工程地質條件對震害的影響1.3.2.1局部地形條件的影響震害表明：局部孤突地形對震害有較大影響

——對地震強度有放大作用。

1920年寧夏海原8.5級地震中，位于渭河河谷的姚莊烈度為7度，相距僅2km的牛家山莊，坐落在高出河谷100m左右的黃土山嘴上，烈度為9度。

1975年遼寧海城地震中，高差58m的兩個測點，地面加速度相差1.84倍。對高聳孤立的山梁、山包、條狀山嘴、高差較大的臺地、陡坡及故河岸等地段，應估計為不利地段。1.3.2.2局部地質構造的影響局部地質構造：斷層（發震斷層和非發震斷層）發震斷層：具有潛在地震活動的斷層；淺源地震多與斷裂活動有關；地震時，發震斷層可能出現很大的錯動，建筑物嚴重破壞。

1.3.2.2局部地質構造的影響工程上最常遇到的是非發震斷裂。非發震斷裂：與地震活動沒有成因聯系的斷層地震作用下一般不會產生新的錯動,對建筑物破壞無明顯影響。不宜將建筑物橫跨在斷層上,以免可能發生的錯動或不均勻沉降帶來的危害。1.3.2.3地下水位的影響地下水位對建筑物的震害有明顯影響（1）水位越淺，震害越嚴重地下水位深度在5m以內時，震害影響最明顯。（2）地基土的類型不同，地下水位的影響程度亦不同

軟弱土層影響最大：粉砂、細砂、淤泥質土等

粘性土次之。

堅硬土影響最小：碎石、角礫、卵礫石等。1.4結構的抗震設防1.4.1抗震設防的目標抗震設防：對建筑物進行抗震設計并采取一定的抗震構造措施。抗震設防的目的：通過抗震設防，減輕建筑的破壞，避免人員死亡，減輕經濟損失。具體通過“三水準”的抗震設防要求和“兩階段”的抗震設計方法實現。“三水準”抗震設防目標：（1）第一水準：在遭受低于本地區設防烈度的多遇地震影響時，建筑物一般不損壞或不需修理仍可繼續使用。

————小震不壞，結構處于彈性工作階段1.4.1抗震設防的目標（2）第二水準：在遭受本地區規定的設防烈度的地震影響時，建筑物可能有損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用。

———中震可修，允許結構進入非彈性工作階段，但由此造成的結構損壞可控。（3）第三水準：當遭受高于本地區設防烈度的預估罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

————大震不倒，結構有較大的非彈性變形。1.4.1抗震設防的目標小震：發生機會較多的地震。地震烈度概率密度曲線上的峰值所對應的烈度，即眾值烈度時的地震。大震：發生機會極小的地震，罕遇烈度時的地震。1.4.1抗震設防的目標眾值烈度：多遇地震烈度、第一水準烈度。在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為63.2%的地震烈度值。相當于50年一遇的烈度值。

基本烈度：偶遇地震烈度、第二水準烈度。在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度值。相當于474年一遇的烈度值。1.4.1抗震設防的目標罕遇烈度：大震烈度，第三水準烈度。在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為2%～3%的地震烈度值。相當于1600～2500年一遇的烈度值。基本烈度+1度。合肥地區基本烈度為7度，其眾值烈度？罕遇烈度？

1.4.2建筑結構抗震設計方法第一階段設計：

多遇地震作用下承載力驗算——小震不壞；

彈性變形驗算——中震可修；合理的結構布置和抗震構造措施——大震不倒。第二階段設計：罕遇地震下彈塑性變形驗算——大震不倒。

針對特別重要的建筑、地震易倒塌的建筑、有