地震學基本知識

1、地震學基本知識(震級-烈度-抗震等級)地震震級earthquake magnitude地震震級(Magnitude )是地震的強度級別。它與震源所釋放出的能量多少來確定。目前，國際上常用的是里氏震級。1935年Richte r提出的震級定義為：震級等于標準地震儀記錄到的震中距為100km處的地面最大水平位移(以微米為單位)的常用對數(shù)。這個標準地震儀 是指Wood-A nderson扭擺儀，其標準要求是擺的自振周期為0.8s，阻尼系數(shù)為0.8，放大倍數(shù)為2800。若假定A是該地震儀記錄到的以 微米為單位的地面最大水平位移，則(里氏)地震震級可用下式表示：M=lgA(A)-lgA0(A)式中：A待

2、定震級的地域記錄的最大水平位移振幅；A0標準地震在同一震中距離處的最大水平位移振幅；lgA0(A)震中距的函數(shù)，亦即零級地震在不同震中距的振幅對數(shù)值，稱作起算函數(shù)，或標定函數(shù)。對不同的測定區(qū)域可以列出 隨震中距變化的-lgA0(A)擻值表。里克特規(guī)定：用標準地震儀，在震中距()為100km處，記錄最大振幅的地動位移A0為0.001mm(即 1微米)時對應(yīng)的震級為零級。震級震級M與震源釋放的能量E之間有以下經(jīng)驗關(guān)系：lgE = 11.8 + 1.5M根據(jù)上述關(guān)系，震級相差一級，地震波的振幅值增加10倍，地震所釋放的能量要相差31.6倍，一個6級地震所釋放的能量相當于一個 兩噸級的原子彈所釋放的能

3、量。目前記錄到的最大的地震還沒有超過8.9級地震，1960年5月22日南美智利發(fā)生的8.9級地震，1906年1月31日南美厄瓜多爾一一哥 倫比亞邊界附近海中和1933年3月2日日本三陸東邊海中發(fā)生8.9級地震，2004年12月26日印度尼西亞蘇門答臘島附近海域也發(fā)生 了 8.9級地震。對于一次地震，表示地震大小的震級只有一個，然而由于同一次地震對不同地點的影響是不一樣的，因此烈度也就隨震中距離的遠近而 有差異。一般說來，距離震中越遠，地震影響越小，烈度就越低；反之，越靠近震中，烈度就越高。震中點的烈度稱為震中烈度。對于 淺源地震，震級M與震中烈度I0大致成如下關(guān)系：M=0.5810 + 1.5

4、地震烈度seismic intensity發(fā)生時，在波及范圍內(nèi)一定地點地面震動的激烈程度。這個概念的建立是和 地震烈度表”的編訂聯(lián)系在一起的。烈度表通常把在地面 上感受到的地震強烈程度，從無感到毀滅，劃分為若干度”，以宏觀的地震影響，如人的感覺，物體的反應(yīng)，建筑物的破壞，地面景觀的 變化等現(xiàn)象，作為劃分烈度的標志。因此也有人把烈度定義為地震破壞性的尺度，或為地震造成的影響的尺度。盡管提法不一，但其含 義基本上是一致的。地震烈度應(yīng)當同地震嚴格區(qū)分。對于某次地震，震級是個一定的數(shù)值，是指地震所釋放的能量的級別而言，代表著這次地震的大小。烈度則在同一次地震中因地而異。一般震中所在地區(qū)烈度最高，稱為極

5、震區(qū)。隨著震中距的增大，烈度總的趨勢是逐漸降低，但由于種 種其他因素的影響，難免有起伏不定的變化。烈度表的演變最早出現(xiàn)的烈度表是加斯塔爾迪(J.Gastaldi)在1564年意大利阿爾卑斯山地震時所使用的烈度表。以后幾百年，各國研 究者陸續(xù)修訂了幾十種烈度表，但只有幾種流行于世、18741878年意大利羅西(M.S.de Rossi)編制成第一個有實用價值的烈度表； 1881年，瑞士福雷爾(F.A.Forel)也獨立地提出一個內(nèi)容相似的烈度表。二人于1883年聯(lián)名發(fā)表了羅西一福雷爾烈度表，共分10度，至今 還流行于歐洲某些地區(qū)。1888年美國霍爾登(E.S.Holden)提出地震力的概念，認為

6、建筑物之所以遭受地震破壞是由于地震力的作用，并 給羅西一福雷爾烈度表配上了加速度當量。1902年意大利麥加利(G.Mercalli)對羅西-福雷爾烈度表作了改進1904年意大利坎卡尼(A.Cancani)又把麥加利所改進的烈度表從10度擴展為12度，并參考了米爾恩(J.Milne)和的研究結(jié)果，給每度配上加速度當量。這就是麥加 利-坎卡尼烈度表。1912年，德國西貝格(A.Sieberg)再將麥加利烈度表修改，把表中最高烈度分為三度成為麥加利-坎卡尼-西貝格烈度表， 但表中無加速度當量。以上幾種烈度表至今都還在歐洲使用。1931年，伍德(H.O.wood)和紐曼(F.Neumann)又將麥加利

7、-坎卡尼-西貝格烈 度表加以改進，稱為修改的麥加利(ModifiedMercalli)烈度表，簡稱M.M烈度表。這是目前在美國和許多其他國家通行的烈度表。許多國家訂有具有本國特色的烈度表。日本沿用日本氣象廳烈度表，以無感為零度，將有感范圍分為7度。蘇聯(lián)自50年代初以來采用蘇聯(lián)科學院地球物理研究所編訂的烈度表，分12度，同國際習慣一致。中國于1957年制訂了新的中國地震烈度表，同蘇聯(lián)的烈度 表相近。1980年又編訂了中國地震烈度表(1980)加入了加速度和速度的尺度。1964年，由于要求制訂一個全世界通用的烈度表的呼 C B MeaeezieB .聲高漲，在國際地震學和地震工程會議上采用梅德韋杰

8、夫(.)施蓬霍伊爾(WSponheuer)和卡爾尼克(V. Karnik)三人起草的烈度表作為試行的國際烈度表，簡稱MSK烈度表，這個表附有對應(yīng)于烈度的地面加速度、速度和地震計位移。烈度物理標準的研究 烈度表主要是以地震造成的宏觀現(xiàn)象來劃分烈度的。這是由于地震發(fā)生時，很難隨處取得地面運動的儀器記錄， 人們不得不從宏觀現(xiàn)象來判別烈度高低。但宏觀烈度表，不論訂得如何完善，終不能超越定性的界限，再則不能排除觀察者的主觀因素 因此 尋找同震害現(xiàn)象密切相關(guān)，并便于用儀器測定的烈度物理標準一直是人們追求的目標。首先被研究的物理量是地面加速度峰值。出發(fā)點 是認為地震破壞現(xiàn)象乃地震慣性力所造成，而慣性力決定于

9、地面加速度。最早大森房吉從地震時碑石傾倒情況推算烈度的加速度當量。 以后從地面加速度的實際記錄去尋找加速度峰值同烈度的統(tǒng)計關(guān)系的研究很多，但結(jié)果不一。隨著觀測資料的積累，對應(yīng)于一定烈度的 統(tǒng)計平均加速度數(shù)值有不斷增大之勢，但始終保持烈度每增一度，加速度大致加倍的規(guī)律。嗣后被研究的物理量是地面速度峰值。這是 由于爆炸效應(yīng)是以地面速度峰值為尺度，而且速度標志著地震波傳遞的動能。在 60年代紐曼提出了對應(yīng)于烈度的速度指標，但以后有更 新的數(shù)據(jù)。30年代，地震反應(yīng)譜(即單質(zhì)點擺在地震作用下的反應(yīng)，如質(zhì)點的位移、速度、加速度等與擺的頻率、阻尼的關(guān)系)理論建立后，貝尼奧夫(H.Benioff)于1934年

10、提出以零阻尼位移反應(yīng)譜曲線在一定頻率范圍內(nèi)所包含的面積作為烈度標準，認為這個值可以反映地震破壞力 的綜合效應(yīng)。其后有兩個見諸實施的方案。其一是梅德韋杰夫建議的 儀器烈度”。他設(shè)計了一個地震計，由一個雙自由度球面擺構(gòu)成，周 期取為0.2 5秒，對數(shù)衰減取為0.50。取擺在地震時的最大位移為烈度指標，因為它象征著普通建筑在地震時的最大擺動。另一是豪斯納 (G.W.Housner)提出的譜烈度”，即速度反應(yīng)譜曲線在周期0.12.5秒?yún)^(qū)間內(nèi)所包含的面積。他根據(jù)大量計算，認為在此周期區(qū)間，速度反 應(yīng)譜值是變化不大的，因而設(shè)計了一個相應(yīng)的測定速度譜平均值的地震計。其構(gòu)造原理和梅德韋杰夫地震計相似，只是周期

11、取0.75秒，阻尼取10%臨界阻尼。早在本世紀初就有人認為地震影響的大小決定于單位時間內(nèi)地震波通過波前單位面積傳遞的能量。韋斯特加德(H. M. Westergaard,1933)建議以單位體積的最大動能作為烈度標準。梅德韋杰夫(1961)計算了地震能量密度和地震烈度的關(guān)系，并列入他自己 編訂的烈度表。還有一些建議的烈度標準，不是直接表示地震波能量，而是從它衍生出來的，如加速度平方對時間的積分、加速度均方根等。 由于任何單因子和宏觀烈度的統(tǒng)計相關(guān)性都不夠理想；數(shù)據(jù)的離散度很大，許多研究者逐漸傾向于用多因子來表示烈度，致力于把地面 運動的振幅、頻率、持續(xù)時間的特征都反映到烈度的標準中去；也有的研

12、究者試圖用不同的因子來適應(yīng)不同的情況。總之，什么物理量是烈度的最佳標準還是個探索中的問題，有待于通過進一步的理論探討和實際觀測來謀求解決。地震烈度的應(yīng)用在地震發(fā)生之后，可以根據(jù)各地烈度的評定繪制等震線圖以反映地震影響的全貌及其衰減規(guī)律；可以從等震線圖的形 態(tài)推論的特征；從烈度的分布異常研究場地條件對地面震動的影響；還可以以烈度為背景來總結(jié)建筑物的抗震經(jīng)驗。古代的歷史地震資料, 一般只有地震現(xiàn)象的描述，沒有儀器記錄，也只有通過宏觀烈度的概念來加以整理和利用。在防御地震方面，全世界各國通常把國土劃分 為地震危險程度不同的地區(qū)，建立不同的設(shè)防標準，稱為烈度區(qū)劃。建筑物的抗震設(shè)計通常是在一定地震烈度(

13、宏觀烈度或地面運動物 理參數(shù))的前提下進行。抗震等級抗震等級是設(shè)計部門依據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，按 建筑物重要性分類與設(shè)防標準”，根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度等，而采用不同抗震等級進行的具體設(shè)計。以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，抗震等級劃分為四級，以表示其很嚴重、嚴重、較嚴重及一般的四個級別。在中國建筑業(yè) 中，已經(jīng)開始嚴格執(zhí)行這個等級標準?？拐鸬燃壍拇_定（1）多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震措施是根據(jù)抗震等級確定的，抗震等級的確定與建筑物的類別相關(guān)，不同的建筑物類別在考慮抗震等級時取用的抗震烈度與建筑場地類別有關(guān)，也就是考慮抗震等級時取用烈度與抗震計算時的設(shè)防烈度不一定相同。（2）建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲

14、、乙、丙、丁類四個抗震設(shè)防類別。建筑的抗震設(shè)防類別劃分見國家標準建筑抗震設(shè)防分類標準GB 50223的規(guī)定，也可見建筑抗震設(shè)計于冊（1994年版）高層建筑沒有丁類抗震設(shè)防?？拐鸫胧┑囊蟾骺拐鹪O(shè)防類別的高層建筑結(jié)構(gòu)，其抗震措施應(yīng)符臺下列要求：1）甲類、乙類建筑：當本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為68度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當本地區(qū)的設(shè)防烈度為 9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。地震烈度是國家主管部門根據(jù)地理、地質(zhì)和歷史資料，經(jīng)科學勘查和驗證，對我國主要城市和地區(qū)進行的抗震設(shè)防與地震分組的經(jīng)驗數(shù)值，是地域概念?？拐鹪O(shè)防類別分為甲、乙、丙、丁類建筑，全國大部分地區(qū)的房屋抗震設(shè)防烈

15、度一般為8度。震級是表示地震強度所劃分的等級，中國把地震劃分為六級：小地震3級，有感地震3-4.5級，中強地震4.5-6級，強烈地震6-7 級，大地震7-8級，大于8級的為巨大地震?？拐鸬燃壆斀ㄖ龅貫镮類時，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施；2）丙類建筑：應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。當建筑場地為I類時，除6度外，應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施.按建筑類別及場地調(diào)整后用 于確定抗震等級烈度，按調(diào)整后的抗震等級烈度。3）抗震設(shè)計時，多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應(yīng)符合相應(yīng)的計算和構(gòu)造措施要求。A

16、級高度丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按表3.11確定。當 本地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時，A級高度乙類建筑的抗震等級應(yīng)按本節(jié)第9條規(guī)定的特一級采用，甲類建筑應(yīng)采取更有效的抗震措施。 注：本規(guī)程特一級和一、二、三、四級即抗震等級為特一級和一、二、三、四級”的簡稱。4）抗震設(shè)計時，B級高度丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按表3-12確定。5）建筑場地為III、W類時，對設(shè)計基本地震加速度為0 15G和O.30G的地區(qū)，宜分別按抗震設(shè)防烈度8度（0.20G）和9度（0.40G）時各類建筑的要求采取抗震構(gòu)造措施。6）抗震設(shè)計的多高層建筑，當?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時，地下一層的抗震等級應(yīng)按上部結(jié)

17、構(gòu)采用，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級，地下室柱 截而每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍；地下室中超出上部主樓范圍且無上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。9度抗震設(shè)計時.地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級不應(yīng)低于二級。7）抗震設(shè)計時、與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應(yīng)低于主樓的抗震等級；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當加強抗震構(gòu)造措施。8）房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時，宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱，或采用高強度混凝土柱。9）高層建筑結(jié)構(gòu)中，抗震等級為特一級的鋼筋混凝土構(gòu)件，除應(yīng)符合一級抗震等級的基

18、本要求外，尚應(yīng)符臺下列規(guī)定：框架柱應(yīng)符合下列要求:宜采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱；柱端彎矩增大系數(shù)H_C 、柱端剪力增大系數(shù)H_VC .應(yīng)增大20%；鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值A(chǔ)_V,應(yīng)按表5-13的數(shù)值增大O.02采用；全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率，中、 邊柱取1.4 %，角柱取1.6 %?？蚣芰簯?yīng)符合下列要求：梁端剪力增大系數(shù)應(yīng)增大20%；梁端加密區(qū)箍筋構(gòu)造最小配箍率應(yīng)增大10 %?？蛑е鶓?yīng)符合下列要求：宜采用型鋼混凝士柱或鋼管混凝土柱；底層柱下端及與轉(zhuǎn)換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)取L.8,其余層柱端彎矩增大系數(shù)H_R應(yīng)增大20%；柱端剪力增大系數(shù)H_VR應(yīng)增大2U %；地

19、震作用產(chǎn)生的柱剪力增大系數(shù)取1.8,但計算柱軸壓比時可不計該項增大；鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值A(chǔ)_R應(yīng)按表5-13的數(shù)值增大0.03采用，且箍筋體積配箍率不應(yīng)小于1.6%；全部縱向 鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率取1.6 %。筒體、剪力墻應(yīng)符合下列要求：底部加強部位及其上一層的彎矩設(shè)計值應(yīng)按墻底截面組合彎矩計算值的1.L倍采用，其他部位可按墻肢組合彎矩計算值的L.3倍采用；底部加強部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)按考慮地震作用組合的剪力計算值的 1.9倍采用，其他部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)按考慮地震作用組合 的剪力計算值的L.2倍采用；一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率應(yīng)取為0.35 %，底部加強部位的水

20、平和豎向分布鋼筋的最小配筋率應(yīng)取為 0.4 %；約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率應(yīng)取為1.4%.配箍特征值宜增大20%；構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的配筋率不應(yīng)小于1.2%；框支 勇力墻結(jié)構(gòu)的落地剪力墻底部加強部位邊緣構(gòu)件宜配置型鋼，型鋼宜向上、下各延伸一層。剪力墻和簡體的連梁應(yīng)符合下列要求：當跨高比不大于2時，應(yīng)配置交叉暗撐；當跨高比不大于1時，宜配置交叉暗撐；交叉暗撐的計算和構(gòu)造宜符合本書第10章10.7條的規(guī)定?？拐鸬燃壍拇_定(1)多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震措施是根據(jù)抗震等級確定的，抗震等級的確定與建筑物的類別相關(guān)，不同的建筑物類別在考慮抗震等級時 取用的抗震烈度與建筑場地類別有關(guān)，也就是考慮抗震等

21、級時取用烈度與抗震計算時的設(shè)防烈度不一定相同。(2)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁類四個抗震設(shè)防類別。建筑的抗震設(shè)防類別劃分見國家標準建筑抗震設(shè)防分類標準GB 50223的規(guī)定，也可見建筑抗震設(shè)計于冊（1994年版）高層建 筑沒有丁類抗震設(shè)防?？拐鸫胧┑囊蟾骺拐鹪O(shè)防類別的高層建筑結(jié)構(gòu)，其抗震措施應(yīng)符臺下列要求：1）甲類、乙類建筑：當本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為68度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當本地區(qū)的設(shè)防烈度為 9 度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。當建筑場地為I類時，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施；2）丙類建筑：應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈

22、度的要求。當建筑場地為I類時，除6度外，應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求 采取抗震構(gòu)造措施.按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級烈度，按調(diào)整后的抗震等級烈度。3）抗震設(shè)計時，多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應(yīng)符合相應(yīng)的計算 和構(gòu)造措施要求。A級高度丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按表3.11確定。當本地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時，A級高度乙類建筑的 抗震等級應(yīng)按本節(jié)第9條規(guī)定的特一級采用，甲類建筑應(yīng)采取更有效的抗震措施。注：本規(guī)程特一級和一、二、三、四級即抗震等級為特一級和一、二、三、四級”的簡稱。4）抗震設(shè)計時，B級高度丙類建筑鋼筋混

23、凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按表3-12確定。5）建筑場地為III、W類時，對設(shè)計基本地震加速度為0 15G和O.30G的地區(qū)，宜分別按抗震設(shè)防烈度8度（0.20G）和9度（0.40G）時 各類建筑的要求采取抗震構(gòu)造措施。6）抗震設(shè)計的多高層建筑，當?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端 時，地下一層的抗震等級應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級，地下室柱截而每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向 鋼筋面積的1.1倍；地下室中超出上部主樓范圍且無上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。9度抗震設(shè)計時.地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級不應(yīng)低于

24、二級。7）抗震設(shè)計時、與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應(yīng)低于主樓的抗震等級；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當加強抗震構(gòu) 造措施。8）房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時，宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱，或采用高強度混凝土柱。9）高層建筑結(jié)構(gòu)中，抗震等級為特一級的鋼筋混凝土構(gòu)件，除應(yīng)符合一級抗震等級的基本要求外，尚應(yīng)符臺下列規(guī)定：框架柱應(yīng)符合下列要求：宜采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱；柱端彎矩增大系數(shù)H_C 、柱端剪力增大系數(shù)H_VC .應(yīng)增大20%；鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值A(chǔ)_V，應(yīng)按表5-13的數(shù)值增大O.02采用；全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率，中、 邊柱取1.4 %，角柱取1.6 %?？蚣芰簯?yīng)符合下列要求：梁端剪力增大系數(shù)應(yīng)增大20%；梁端加密區(qū)箍筋構(gòu)造最小配箍率應(yīng)增大10 %?？蛑е鶓?yīng)符合下列要求:宜采用型鋼混凝士柱或鋼管混凝土柱；底層柱下端及與轉(zhuǎn)換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)取L.8，其余層柱端彎矩增大系數(shù)H_R應(yīng)增大20%；柱端剪力增大系數(shù)H_VR應(yīng)增大2U %；地震作用產(chǎn)生的柱剪力增大系數(shù)取1.8,但計算柱軸壓比時可不計該項增大；鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值A(chǔ)_R應(yīng)按表5-13的數(shù)值增大0.03采用，且箍筋體