地震及結構抗震的基本知識

第一章

地震及結構抗震的根本知識1.1 地震成因與地震類型1.2 地震涉及其傳播1.3 地震震級與地震烈度1.4 中國地震的特點與地震災害1.5結構的抗震設防1.1 地震成因與地震類型全世界每年發(fā)生的地震約達五百萬次。人們能感覺到的地震叫有感地震，占地震總數的1％左右。造成災害的強烈地震平均每年發(fā)生十幾次。強烈地震會引起地震區(qū)地面劇烈搖晃和顛簸，并會危及人民生命財產平安和造成工程建筑物的破壞。地震還可能應起火災、水災、山崩、滑坡以及海嘯。1.1.1 地球構造地球是一個近似于球體的橢球體，平均半徑約6370km，赤道半徑約6378km，兩極半徑約6357km。從物質成分和構造特征來劃分，地球可分為三大局部：地殼、地幔和地核(圖1.1)。圖1.1 地球斷面與地殼剖面(a)地球斷面 (b)分層結構(c)地殼剖面地殼地殼是地球外外表的一層很薄的外殼，它由各種不均勻的巖石組成。地殼的下界稱為莫霍界面，或稱莫霍不連續(xù)面。地殼的厚度在全球變化很大，大陸內一般厚16～40km，高山地區(qū)厚度更大，中國西藏高原及天山地區(qū)厚達70km。海洋下面厚度最小，一般為10～15km，最薄的約5km。世界上絕大局部地震都發(fā)生在地殼內。2.地幔

地殼以下到深度約2895km的古登堡界面為止的局部為地幔，約占地球體積的5／6。地幔由密度較大的黑色橄欖巖等超基性巖石組成，其中上地幔物質結構不均勻，中、下地幔局部是比較均勻的。由于地幔能傳播橫波(剪切波)，所以根據推算，地幔應為固體。3.地核古登堡界面以下直到地心的局部為地核，地核半徑約為3500km，又可分為外核和內核。據推測，地核的物質成分主要為鎳和鐵。由于至今還沒有發(fā)現有地震橫波通過外核，故推斷外核處于液態(tài)，而內核可能是固態(tài)。地球各局部的密度隨深度增加而增大，地球內部的溫度隨深度增加而升高。1.1.2地震的發(fā)生過程地震就是地球內某處巖層突然破裂，或因局部巖層塌陷、火山爆發(fā)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，從而引起了地面的運動。發(fā)生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距離叫震源深度。震源深度、震中距、震源距震源：地球內部斷層錯動并引起周圍介質振動的部位震中：震源正上方的地面位置震源深度:從震中到震源的距離震中距：地面某處至震中的水平距離震中距在100公里-1000公里的稱為近震震中距超過1000公里的稱為遠震震源震源深度震中等震線震中距震源深度在60公里以內的地震為淺源地震震源深度超過300公里的地震叫深源地震震源深度介于60-300公里之間的地震為中源地震世界上絕大局部地震是淺源地震，中源地震比較少，而深源地震為數更少。一般來說，對于同樣大小的地震，當震源較淺時，涉及范圍較小，而破壞程度較大；當震源深度較大時，涉及范圍那么較大，而破壞程度相對較小。1.1.3 地震的成因與類型構造地震——原因：地殼構造運動影響：發(fā)生數量大、影響范圍廣

(占地震總數約90﹪)火山地震——原因：火山爆發(fā)工程地震的主要研究對象誘發(fā)地震——原因：人工爆破；礦山開采；工程活動影響：一般不太強烈，個別情況會造成嚴重的地震災害天然地震地震類型一般造成較大災害的都為構造地震，尤以淺源構造地震造成的危害更大。因此，從工程抗震角度來說，主要是研究占全球地震發(fā)生總數約90％的構造地震。構造地震亦稱“斷層地震〞。由地殼〔或巖石圈，少數發(fā)生在地殼以下的巖石圈上地幔部位〕發(fā)生斷層而引起。圖1.2 斷層運動的種類(a)正斷層 (b)逆斷層 (c)橫向斷層a、巖層的原始狀態(tài)b、受力發(fā)生彎曲c、巖層破裂發(fā)生震動地震形成的局部機制：地球板塊運動板塊之間的相互作用力地殼中巖層變形變形積聚超過巖石所能承受的程度巖體就會發(fā)生突然斷裂或錯動地震構造地震成因.avi1.2地震涉及其傳播地震引起的振動以波的形式從震源向各個方向傳播，這就是地震波。地震波是震源輻射的彈性波，一般分為體波和面波。地震波的組成：體波：在地球內部傳播的波面波：沿地球表面?zhèn)鞑サ牟v波(壓縮波)橫波(剪切波)注：橫波周期較長，振幅較大樂夫波瑞雷波注：面波周期長，振幅大；比體波衰減慢，能傳到很遠的地方1.2.1體波體波是指通過地球本體內傳播的波，它包含縱波與橫波兩種。

縱波是由震源向外傳遞的壓縮波，質點的振動方向與波的前進方向一致，如圖1.3(a)所示周期短、振幅小，在固體、液體里都能傳播。橫波是由震源向外傳遞的剪切波，質點的振動方向與波的前進方向垂直，如圖1.3(b)所示周期長、振幅較大，只能在固體介質中傳播。圖1.3 體波傳播示意圖(a)壓縮波 (b)剪切波波的前進方向波的前進方向質點振動方向質點振動方向返回縱波與橫波的傳播速度理論上可分別用下式計算：λ──拉梅常數；E──介質的彈性模量；γ──介質的泊松比；ρ──介質的密度；G──介質的剪切模量。在彈性介質中，這兩種體波的傳播速度之比為(1.3)一般情況下，(1.3)式的值大于1，因此縱波傳播速度比橫波傳播速度要快，在儀器觀測到的地震記錄圖上，一般也是縱波先于橫波到達。因此，通常也把縱波叫P波，把橫波叫S波。通過(1.1)、(1.2)和(1.3)式，不僅可以得到兩種體波的傳播速度和它們之間的關系，還可以得到介質的一些彈性參數。1.2.2 面波面波是指沿介質外表(或地球地面)及其附近傳播的波，一般可以認為是體波經地層界面屢次反射形成的次生波，它包含瑞雷(Rayleigh)波和樂甫(Love)波兩種。地震瑞雷波傳播時，質點在波的傳播方向與地外表法向組成的平面內做逆進橢圓運動，如圖1.4所示。樂甫波的傳播，類似于蛇行運動，質點在與波傳播方向相垂直的水平方向作剪切型運動，如圖1.5所示。質點在水平向的振動與波行進方向耦合后會產生水平扭轉分量，這是樂甫波的一個重要特點。圖1.4 瑞雷波振動軌跡返回(a)剖面(b)射線圖1.5 面波質點振動示意圖(a)瑞雷波質點振動 (b)樂甫波質點振動返回地震波的傳播以縱波最快，橫波次之，面波最慢。在地震記錄上，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，破壞作用大地震波在傳播過程中能量衰減，地面振動減弱，破壞作用減輕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，也是研究工程結構物在地震作用下的實際反響的重要資料。1.2.3地震波的主要特性

及其在工程中的應用

由震源釋放出來的地震波傳到地面后引起地面運動，這種地面運動可以用地面上質點的加速度、速度或位移的時間函數來表示，用地震儀記錄到的這些物理量的時程曲線習慣上又稱為地震加速度波形、速度波形和位移波形。在目前的結構抗震設計中，常用到的那么是地震加速度波形。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.最大幅值

最大幅值是描寫地震地面運動強烈程度的最直觀的參數，在工程實際中得到最普遍的接受與應用。在抗震設計中對結構進行時程反響分析時，往往要給出輸入的最大加速度峰值，在設計用反響譜中，地震影響系數的最大值也與地面運動最大加速度峰值有直接的關系。2.頻譜特性對時域的地震加速度波形進行變換，就可以了解這種波形的頻譜特性，頻譜特性可以用功率譜、反響譜和傅里埃譜來表示。圖1.6是根據日本一批強地震記錄求得的功率譜，它們是同一地震、震中距近似相同而地基類型不同的情況，顯示出硬土、軟土的功率譜成分有很大不同。圖1.6 地基功率譜示意圖(a)軟土 (b)硬土返回軟土地基上地震加速度波形中長周期分量比較顯著；而硬土地基上地震加速度波形那么包含著多種頻譜成分，一般情況下短周期的分量比較顯著。利用這一概念，在設計結構物時，人們就可以根據地基土的特性，采取剛柔不同的體系，以減少地震引起結構物共振的可能性，減少地震造成的破壞。3.持續(xù)時間

強震持續(xù)時間對結構物破壞的影響主要表現在結構物開裂以后的階段。如果結構物在開裂后又遇到了一個加速度峰值很大的地震脈沖并且結構物產生了很大的變形，那么結構的倒塌與一般的靜力試驗中的現象比較相似，即倒塌取決于最大變形反響。另一種情況是，結構物從開裂到倒塌，往往要經歷幾次、幾十次甚至幾百次的反復振動過程，在某一振動過程中，即使結構最大變形反響沒有到達靜力試驗條件下的最大變形，結構也可能由于長時間的振動和反復變形而發(fā)生倒塌破壞。顯然，在結構已發(fā)生開裂時，連續(xù)振動時間越長，結構倒塌的可能性越大。1.3 地震震級與地震烈度

1.3.1 地震震級地震震級是表征地震強弱的指標，是地震釋放多少能量的尺度，它是地震的根本參數之一，是地震預報和其它有關地震工程學研究中的一個重要參數。震級相差一級，釋放能量相差約32倍！震級一般有三種定義，一是近震震級ML，二是面波震級MS，三是體波震級MB。根據地震儀記錄到的地震波圖確定的近震震級M計算：M=logA+R(Δ)震級M與震源釋放能量之間的關系：又稱為里氏震級式中A——記錄圖上量得的以m為單位的最大水平位移；R〔Δ〕——依震中距Δ而變化的起算函數。logE=1.5M+11.8小于2級的地震人們感覺不到，只有儀器才能記錄下來，叫作微震；2～4級地震人就感覺到了，叫有感地震；5級以上地震就要引起不同程度的破環(huán)，統稱為破壞性地震；7級以上地震那么稱為強烈地震。1.3.2 地震烈度地震烈度：地震對地面影響的強烈程度，主要依據宏觀的地震影響和破壞現象來判斷。表1.1是1999年公布的中國地震烈度表。注：一般來說，距離震中近，烈度就高；距離震中越遠，烈度也越低地震烈度表：把地震的強烈程度，從無感到建筑物消滅及山河改觀等劃分為假設干等級，列成表格，以統一的尺度衡量地震的強烈程度。表1.1是1999年公布的中國地震烈度表。等烈度線：具有相同烈度的各個地點的外包線，等烈度線的度數隨震中距的增大而遞減，但有時會出現烈度異常。震中烈度：震中區(qū)的烈度稱為震中烈度震害程度損壞——個別掉磚落瓦，墻體微細裂縫。指數0～0.1；輕度破環(huán)——局部破壞開裂，但不阻礙使用。指數0.11～0.30；中等破壞——結構受損，需要修理。指數0.31～0.50；嚴重破壞——墻體裂縫較寬，局部倒塌，修復困難。指數0.51～0.70；倒塌——大部倒塌，不堪修復。指數0.71～0.90；消滅——墻倒頂塌，蕩然無存。指數0.91～l.0。1.3.3震級與震中烈度的關系對于中淺源地震，震中烈度與震級的大致對照關系如表1.2所示。地震震級(M)23456788以上震中烈度(I0)1～234～56～77～89～101112表1.2 地震震級與震中烈度大致關系依據震級粗略地估算震中烈度的方法地震烈度表：為評定地震烈度而建立起來的標準I0為震中烈度無感

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(wěn)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?；隆⑻匠Ｒ姟４u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(wěn)。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(wěn)狀態(tài)的人會摔出幾尺遠。有拋起感

10地震斷裂延續(xù)很長。山崩常見?；鶐r上的拱橋毀壞毀滅11地面劇烈變化，山河改觀12個別：10%以下少數：10%——50%多數：50%——70%大多數：70%——90%普遍：90%以上速度加速度其它現象一般房屋人的感覺烈度

區(qū)別：地震烈度與震級一次地震，表示地震大小的震級只有一個由于同一次地震對不同地點的影響不一樣，隨著距離震中的遠近會出現多種不同的烈度1.4根本烈度與地震區(qū)劃根本烈度：指一個地區(qū)在一定時期〔我國取50年〕內在一般場地條件下按一定的概率〔我國取10%〕可能遭遇到的最大地震烈度一個地區(qū)進行抗震設防的依據

地震區(qū)劃：依據地質構造資料歷史地震規(guī)律強震觀測資料地震危險性分析計算給出每一地區(qū)在未來一定時限內關于某一烈度〔或地震動加速度值〕的超越概率將國土劃分為不同根本烈度所覆蓋的區(qū)域地震區(qū)劃已經可以給出地震動參數的區(qū)劃結果1.5中國地震的特點與地震災害

1.5.1中國的地震活動與分布中國地處世界上兩個最活潑的地震帶中間，東瀕環(huán)太平洋地震帶，西部和西南部是歐亞地震帶所經過的地區(qū)，是世界上多地震國家之一。中國臺灣大地震最多，新疆、西藏次之，西南、西北、華北和東南沿海地區(qū)也是破壞性地震較多的地區(qū)。表1.3 中國地震烈度分區(qū)總面積及百分比地震烈度分區(qū)<6度6度7度8度≥9度總計總面積(104×km2)201361320689.5959.5所占百分比(%)21383371100可見，中國有79％的國土面積需抗震設防(烈度≥6度)；有8％的國土面積處于較高烈度設防區(qū)(烈度≥8度)。高烈度區(qū)(烈度≥9度)全國共有34個，主要分布在西部，其中24個分布在青藏高原及其周邊，6個在新疆，2個在華北，2個在臺灣；低烈度區(qū)(烈度≤7度)主要分布在華南、內蒙北部、東北、西北等地區(qū)。1.5.2中國地震活動的主要特點中國地震活動分布范圍廣地震的震源淺、強度大位于地震區(qū)的大、中城市多，建筑物抗震能力低強震的重演周期長1.5.3 中國的地震災害中國位于環(huán)太平洋地震構造系和大陸地震構造系世界兩大地震構造系的交匯區(qū)域全球地震帶分布中國地震帶分布中國是世界上地震災害最嚴重的國家，地震造成的人員傷亡，中國居世界首位，地震造成的房屋破壞和倒塌，中國所占的比例也最大。地震災害主要表現在三個方面，即地表破壞，工程建筑物破壞和次生災害。1. 地表破壞地震引起的地表破壞一般有地裂縫、地面下沉、噴砂冒水、滑坡塌方等。地裂縫主要有兩種：一種是強烈地震時由于地下斷層的錯動使地面的巖層發(fā)生錯移形成地面的斷裂，另一種是在故河道、河堤岸邊、陡坡等土質松弱地方產生交錯裂縫，大小形狀不一，規(guī)模也較前一種小。危害：當地裂縫穿過建筑物時，會造成結構開裂直至倒塌。地震引起的地裂地震引起公路錯斷地面下沉：多發(fā)生在軟土分布地區(qū)和礦業(yè)采空區(qū)危害：不均勻沉陷易引起建筑物的破壞甚至倒塌地面下沉滑坡塌方：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、山石滾落等現象。危害：切斷交通通道，沖毀房屋和橋梁、堵塞河流公路中斷噴砂冒水：一般發(fā)生在沿?；虻叵滤惠^高的地區(qū)，地震波的強烈振動使含水層受到擠壓，地下水往往從地裂縫或土質松軟的地方冒出路面，在有砂層的地方那么夾帶砂子噴出形成噴砂冒水現象。危害：液化可以造成建筑物傾斜與倒塌、埋地管網的大面積破壞噴砂冒水2.建筑物破壞地震時各類建筑物的破壞是導致人民生命財產損失的主要原因，也是抗震工作的主要對象。建筑物的地震破壞與建筑物本身的特性密切相關。靜力破壞：建筑物的破壞因地表破壞引起動力破壞：建筑物的破壞由于地震地面運動的動力作用引起主要破壞原因結構物動力破壞機制的分析，是結構抗震研究的重點和結構抗震設計的根底。承重結構強度缺乏兩類動力破壞形式：強度破壞、喪失整體性破壞強度破壞：主要是因為結構承重構件的抗剪、抗彎、抗壓等強度缺乏而形成。如：墻體裂縫、鋼筋混凝土構件開裂或酥裂。喪失整體性破壞：在強度破壞前后，結構物一般進入彈塑性變形階段。此時，在強烈振動下會因為延性缺乏、節(jié)點連接失效、主要承重構件失穩(wěn)等原因而喪失整體性，從而造成局部或整體結構的倒塌。結構喪失整體性建筑物的地震破壞一般可分為根本完好(含完好)、輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌五個等級。其劃分標準如下：根本完好：承重構件完好，個別非承重構件輕微損壞；附屬構件有不同的程度破壞。輕微損壞：個別承重構件輕微裂縫，個別非承重構件明顯破壞；附屬構件有不同程度的破環(huán)。中等破壞：多數承重構件輕微裂縫，局部明顯裂縫；個別非承重構件嚴重破壞。嚴重破壞：多數承重構件嚴重破壞或局部倒塌。倒塌：多數承重構件倒塌。磚房遭到不同程度的破壞是大量的，而磚房的倒塌現象一般在9度以上的高烈度區(qū)才占有較大的比例。一般來說，在7度區(qū)主體結構根本完好，8度區(qū)有一定數量的主體結構局部損壞，9度區(qū)主體結構破壞較重。鋼筋混凝土框架房屋的抗震性能較好，主要是磚填充墻容易發(fā)生破壞，結構上的薄弱層容易發(fā)生破壞，柱端及角柱容易發(fā)生破壞，框架結構的震害統計資料較少。內框架房屋的震害一般較重。地震烈度調查情況震害程度6度7度8度9度10度棟數百分比棟數百分比棟數百分比棟數百分比棟數百分比基本完好輕微損壞中等破壞嚴重破壞倒毀總計230212563—50145.942.311.20.6—1002502317554361340.837.712.28.80.510022245440814914.816.136.227.55.41007351381691014501..67.830.737.523.410021923682293410.65.66.719.967.2100我國歷史強震中多層磚房屋震害程度統計(2054幢)地震烈度調查情況震害程度7度8度9度10度棟數百分比棟數百分比棟數百分比棟數百分比基本完好輕微損壞中等破壞嚴重破壞倒毀總計31132—1915.857.915.810.5—10024465938817513.726.333.721.74.6100—127—10—102070—100—315111645—6.733.324.435.6100我國歷史強震中單層混凝土柱工業(yè)廠房震害統計(249棟)3.次生震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、空氣污染等災害。這種由于地震引起的間接災害，有時比地震直接造成的損失還大。1995神戶地震燃燒中火災后1.6 結構的抗震設防

1.6.1 抗震設防的目標抗震設防是以現有的科學水平和經濟條件為前提的，根據目前世界各國的研究水平和震害經驗，在抗震設防目標上，世界各主要國家的設計標準中所表達的準那么如下。根本目的：在一定的經濟條件下，最大限度地限制和減輕建筑物的地震破壞，保障人民生命財產的平安。美國、日本、秘魯、希臘中國抗震設計標準〔1989年〕三水準設防要求“小震不壞，設防烈度〔中震〕可修，大震不倒〞我國地震烈度的概率分布根本上符合于極值III型分布其概率密度函數的根本形式為：

式中，I——地震烈度；

k——形狀參數，取決于一個地區(qū)的地震背景的復雜性；

——地震烈度上限值，取=12;

——烈度概率密度曲線上峰值所對應的強度。圖地震烈度概率密度函數曲線小震：發(fā)生時機較多的地震對應峰值烈度定義為小震烈度，又稱多遇地震烈度中震：全國地震區(qū)劃圖所規(guī)定的各地的根本烈度，可取為中震對應的烈度大震：是罕遇的地震,對應烈度又可稱為罕遇地震烈度

三種烈度含義：1.6.2

抗震設防目標的實現三水準、二階段抗震設計方法標準規(guī)定了主要城鎮(zhèn)中心地區(qū)的抗震設防烈度、設計地震加速度值、城鎮(zhèn)的設計地震分組——反映震源遠近的影響；我國采取6度起設防的方針，地震設防區(qū)面積約占國土面積的60﹪。三水準第一水準:當遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。 多遇地震，按線彈性理論進行分析，用彈性反響譜求地震作用，按強度要求進行截面設計。第二水準：當遭受相當于本地區(qū)設防烈度的地震影響時，建筑物可能損壞，但經一般修理即可恢復正常使用； 根本烈度的地震影響，允許結構局部到達或超過屈服極限，或者結構的局部構件發(fā)生裂縫，本水準的設防要求主要通過概念設計和構造措施來實現。第三水準：當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命平安的嚴重破壞。 罕遇地震，應該按防止倒塌的要求進行抗震設計。對脆性結構，主要從抗震措施上