地震與抗震設(shè)計(jì)的基本知識(shí)地震與抗震設(shè)計(jì)的基本知識(shí)地震與抗震設(shè)計(jì)的基本知識(shí)§1.1地震與地震波

地震——地球內(nèi)某處因地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)。1.1.1地震的分類(lèi)地震的分類(lèi)人為地震自然地震構(gòu)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(cuò)動(dòng)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?xún)?nèi)（世界上絕大部分地震是淺源地震）；中源地震：60～300km以?xún)?nèi)；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?xún)?nèi)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(chēng)遠(yuǎn)震。震中距——地面上某點(diǎn)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(dòng)以波的形式從震源向各個(gè)方向傳播。分為體波和面波。體波是通過(guò)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(lè)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(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，在固體和液體介質(zhì)中都能傳播。橫波是由震源向四周傳播的剪切波，其介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，只能在固體介質(zhì)中傳播。

圖1.2體波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dá)。式中：E為介質(zhì)的彈性模量；

G為介質(zhì)的剪切模量；μ為介質(zhì)的泊松比；ρ為介質(zhì)的密度。在彈性介質(zhì)中，兩者關(guān)系2）面波面波是在地表面?zhèn)鞑サ牟ǎ址Q(chēng)為L(zhǎng)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(lè)浦波兩種形式。瑞雷波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在波的行進(jìn)方向與地表法向組成的平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，像波浪效應(yīng)。樂(lè)浦波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在與波的行進(jìn)方向垂直的水平方向作剪切型運(yùn)動(dòng)，在地面上表現(xiàn)為蛇形運(yùn)動(dòng)。圖1.3面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形式地震波示意圖地震記錄上，縱波最先到達(dá)，橫波到達(dá)較遲，面波在體波之后到達(dá)，一般當(dāng)橫波或面波到達(dá)時(shí)地面振動(dòng)最強(qiáng)烈。地震波記錄是確定地震發(fā)生的時(shí)間、震級(jí)和震源位置的重要依據(jù)，也是研究工程結(jié)構(gòu)物在地震作用下的實(shí)際反應(yīng)的重要資料。圖1.4地震曲線(xiàn)圖1.1.4地震動(dòng)由地震波傳播所引發(fā)的地面振動(dòng)，通常稱(chēng)為地震動(dòng)。其中，在震中區(qū)附近的地震動(dòng)稱(chēng)為近場(chǎng)地震動(dòng)。地震動(dòng)的三要素：地震動(dòng)的峰值（最大振幅）頻譜持續(xù)時(shí)間§1.2地震強(qiáng)度的衡量地震強(qiáng)度的大小的衡量體系：1.震級(jí)2.烈度1.2.1地震的能量：震級(jí)地震震級(jí)——地震震級(jí)是度量地震本身強(qiáng)度大小的指標(biāo)，它是地震的基本參數(shù)之一，用符號(hào)M表示。里氏震級(jí)——震級(jí)的大小是在距震中100km處標(biāo)準(zhǔn)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(lái)的地震S波最大水平振幅A（以μm計(jì)）的常用對(duì)數(shù)值：對(duì)于淺源地震，常用如下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示震級(jí)M與地震能量E（單位為erg，1erg=10-7J）之間的關(guān)系：(1.4)(1.5)基于震級(jí)的地震分類(lèi)：小于2級(jí)的地震叫作微震，人們感覺(jué)不到，只有儀器才能記錄下來(lái)；2～4級(jí)地震叫有感地震人能感覺(jué)到；5級(jí)以上地震就要引起不同程度的破環(huán)，統(tǒng)稱(chēng)為破壞性地震；7級(jí)以上地震則稱(chēng)為強(qiáng)烈地震或大震，8級(jí)以上就稱(chēng)為特大地震。1.2.2地震的影響：烈度等級(jí)地震烈度：是地震對(duì)地面影響的強(qiáng)烈程度，主要依據(jù)宏觀的地震影響和破壞現(xiàn)象來(lái)判斷。對(duì)于一次地震，表示地震大小的震級(jí)只有一個(gè)，而同一次地震中，不同地方的烈度是不同的。等烈度線(xiàn)：對(duì)應(yīng)于一次地震，在受到影響的區(qū)域內(nèi)具有相同烈度的各個(gè)地點(diǎn)的外包線(xiàn)震中區(qū)的烈度稱(chēng)為震中烈度。對(duì)于中淺源地震，震中烈度與震級(jí)的大致對(duì)照關(guān)系如表1.2震級(jí)M23456788以上震中烈度I01~234~56~77~89~101112表1.2震級(jí)與震中烈度的關(guān)系地震烈度把地震的強(qiáng)烈程度，從無(wú)感到建筑物毀滅及山河改觀等劃分為若干等級(jí)，列成表格，以統(tǒng)一的尺度衡量地震的強(qiáng)烈程度。我國(guó)現(xiàn)行《中國(guó)地震烈度表》(GB/T17742)采用12等級(jí)的地震烈度劃分，見(jiàn)表1.3。地震烈度人的感覺(jué)房屋震害其他震害現(xiàn)象水平向地震動(dòng)參數(shù)類(lèi)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(wú)感——————Ⅱ室內(nèi)個(gè)別靜止中的人有感覺(jué)——————Ⅲ室內(nèi)少數(shù)靜止中的人有感覺(jué)—門(mén)、窗輕微作響—懸掛物微動(dòng)——Ⅳ室內(nèi)多數(shù)人、室外少數(shù)人有感覺(jué)，少數(shù)人夢(mèng)中驚醒—門(mén)、窗作響—懸掛物明顯擺動(dòng)，器皿作響——表1.3中國(guó)地震烈度表Ⅴ室內(nèi)絕大多數(shù)、室外多數(shù)人有感覺(jué)，多數(shù)人夢(mèng)中驚醒—門(mén)窗、屋頂、屋架顫動(dòng)作響，灰土掉落，個(gè)別房屋墻體抹灰出現(xiàn)細(xì)微烈縫，個(gè)別屋頂煙囪掉磚—懸掛物大幅度晃動(dòng)，不穩(wěn)定器物搖動(dòng)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(hù)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(dòng)；河岸和松軟土出現(xiàn)裂縫，飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水；個(gè)別獨(dú)立磚煙囪輕度裂縫0.63(0.45~0.89)0.06(0.05~0.09)B個(gè)別中等破壞，少數(shù)輕微破壞，多數(shù)基本完好C個(gè)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(hù)外，騎自行車(chē)的人有感覺(jué)，行駛中的汽車(chē)駕乘人員有感覺(jué)A少數(shù)毀壞和/或嚴(yán)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(jiàn)噴水冒砂，松軟土地上地裂縫較多；大多數(shù)獨(dú)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(yán)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(dú)立磚煙囪嚴(yán)重破壞2.50(1.78~3.53)0.25(0.19~0.35)B個(gè)別毀壞，少數(shù)嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞C少數(shù)嚴(yán)重和/或中等破壞，多數(shù)輕微破壞0.20~0.40Ⅸ行動(dòng)的人摔倒A多數(shù)嚴(yán)重破壞或/和毀壞0.49~0.71干硬土上多處出現(xiàn)裂縫，可見(jiàn)基巖裂縫、錯(cuò)動(dòng)，滑坡、塌方常見(jiàn)；獨(dú)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(yán)重和/或中等破壞C少數(shù)毀壞和/或嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞0.38~0.60Ⅹ騎自行車(chē)的人會(huì)摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會(huì)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(dú)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(yán)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(gè)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(lèi)型：

A類(lèi)——木架構(gòu)和土、石、磚墻建造的舊式房屋；

B類(lèi)——未經(jīng)抗震設(shè)防的單層或多層磚砌體房屋；

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

§1.3地震活動(dòng)性及地震災(zāi)害1.3.1世界地震活動(dòng)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(gòu)造部位，總體呈帶狀分布。通常可以劃分出4條全球規(guī)模的地震活動(dòng)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(dòng)帶。圖1.6世界地震震中分布示意圖1.3.2我國(guó)地震活動(dòng)性中國(guó)是世界上多地震國(guó)家之一。地處世界上兩個(gè)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(guò)的地區(qū)。圖1.7中國(guó)地震災(zāi)害分布示意圖南北地震帶北起賀蘭山，向南經(jīng)六盤(pán)山，穿越秦嶺沿川西至云南省東北，縱貫?zāi)媳薄?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(guó)大致可以劃分成6個(gè)地震活動(dòng)區(qū)：①臺(tái)灣及其附近海域；②喜馬拉雅山脈活動(dòng)區(qū)；③南北地震帶；④天山地震活動(dòng)區(qū)；⑤華北地震活動(dòng)區(qū)；⑥東南沿海地震活動(dòng)區(qū)。1.3.3地震災(zāi)害地震災(zāi)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(zāi)害。1）地表破壞(1)地裂縫強(qiáng)烈的地震發(fā)生時(shí)，地面斷層將達(dá)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(lèi)型：①構(gòu)造性地裂縫：由于地下斷層錯(cuò)動(dòng)延伸到地表而形成的裂縫；②重力性地裂縫：由于在強(qiáng)烈地震作用下引起的地面激烈震動(dòng)的慣性力超過(guò)了土的抗剪強(qiáng)度所致。(2)噴水冒砂當(dāng)?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(shí)地震波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)使得地下水壓急劇增加，地下水經(jīng)過(guò)地裂縫或其他通道冒出地面。當(dāng)?shù)乇硗翆訛樯巴翆踊蚍弁翆訒r(shí)，會(huì)造成砂土液化甚至噴水冒砂現(xiàn)象。(3)地表下沉在強(qiáng)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(dòng)產(chǎn)生的空洞如礦井或者地鐵等，強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí)，地面土體將會(huì)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(shí)，造成地面下沉。(4)滑坡常發(fā)生在陡峻的山區(qū)，在強(qiáng)烈地震的搖動(dòng)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(zhì)上屬于靜力破壞；更常見(jiàn)的建筑物破壞是由于地震地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力作用引起，在性質(zhì)上屬于動(dòng)力破壞。建筑物的破壞情況與結(jié)構(gòu)類(lèi)型和抗震措施等有關(guān)，根據(jù)破壞形態(tài)和原因可分為3類(lèi)：①結(jié)構(gòu)喪失整體性造成破壞；②承重結(jié)構(gòu)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(zāi)害次生災(zāi)害是指由一次災(zāi)害誘發(fā)的，如地震后引起的火災(zāi)、水災(zāi)、海嘯、逸毒、瘟疫等災(zāi)害。§1.4建筑抗震設(shè)計(jì)的基本要求1.4.1相關(guān)術(shù)語(yǔ)①地震基本烈度：指該地區(qū)在一定時(shí)期（我國(guó)是50年）內(nèi)，在一般場(chǎng)地條件下可能遭遇超越概率為10%的地震烈度值。它是一個(gè)地區(qū)進(jìn)行抗震設(shè)防的依據(jù)。②抗震設(shè)防分類(lèi)：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(jì)損失、社會(huì)影響的程度及其在抗震救災(zāi)中的作用等因素，對(duì)各類(lèi)建筑所做的設(shè)防類(lèi)別劃分。③抗震設(shè)防烈度：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。一般情況下，取50年內(nèi)超越概率10%的地震烈度，即基本烈度。④抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度，由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及建筑抗震設(shè)防類(lèi)別確定1.4.2建筑抗震設(shè)防分類(lèi)和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防是指對(duì)建筑工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算和采取抗震構(gòu)造措施，以達(dá)到抗震的效果。1）建筑抗震設(shè)防分類(lèi)根據(jù)建筑的使用功能及其重要性，按其受地震破壞時(shí)產(chǎn)生的后果及其嚴(yán)重性，抗震設(shè)防的建筑工程分為以下4個(gè)抗震設(shè)防類(lèi)別：①特殊設(shè)防；②重點(diǎn)設(shè)防；③標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防；④適度設(shè)防；2）建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)規(guī)范對(duì)各抗震設(shè)防類(lèi)別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)在地震作用計(jì)算和抗震措施方面做了規(guī)定，見(jiàn)表1.4建筑抗震設(shè)防類(lèi)別地震作用計(jì)算抗震措施甲類(lèi)應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求確定應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施；但9度時(shí)應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施乙類(lèi)應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定（6度時(shí)可不進(jìn)行計(jì)算）應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施；但9度時(shí)應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎(chǔ)的抗震措施，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定丙類(lèi)應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定（6度時(shí)可不進(jìn)行計(jì)算）應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定丁類(lèi)一般情況下，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定（6度時(shí)可不進(jìn)行計(jì)算）允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當(dāng)降低其抗震措施，但抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)不應(yīng)降低表1.4各抗震設(shè)防類(lèi)別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)1.4.3建筑抗震設(shè)防的目標(biāo)我國(guó)《抗震規(guī)范》提出的“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)是：①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)，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使