第一章 抗震基本知識

第一章緒論§1.1地震基本知識§1.2地震災(zāi)害§1.3地震震級與地震烈度§1.4地震動特性§1.5建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防2/5/2023

1.1地震基本知識概述地震類型與成因地震波地震動這座“紀(jì)念碑”高寬比很大卻也很結(jié)實，無心的紀(jì)錄下了2008年5月12日下午2點28分這個時刻。

概述

地震是一種自然現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，地球每年平均發(fā)生500萬次左右的地震，其中，5級以上的強烈地震約1000次左右。如果強烈地震發(fā)生在人類聚居區(qū)，就會造成地震災(zāi)害。為了抗御與減輕地震災(zāi)害，有必要進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震分析與抗震設(shè)計。地殼由各種不均勻的巖石組成。地球的構(gòu)造世界上絕大部分的地震都發(fā)生在這一薄薄的地殼內(nèi)。（地殼巖石長期積累的變性在瞬間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動能而產(chǎn)生地震）

地面為沉積巖，地殼上部為花崗巖巖層，地殼下部為玄武巖巖層（海洋下只有玄武巖巖層）。地幔主要有質(zhì)地堅硬的橄欖巖組成。地幔是地殼運動的根源，其原因：

由于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)不斷釋放能量，地球內(nèi)部的溫度也隨深度的增加而升高，地下200Km到700Km其溫度由600℃升至2000℃，在這一范圍內(nèi)的地幔中存在著一個厚約幾百公里的軟流層。因溫度分布不均勻，就發(fā)生了地幔內(nèi)部物質(zhì)的對流；另外地球內(nèi)部的壓力也是不均衡的，在地幔上部約900MPa,地幔中部為3700MPa。地核是地球的核心，分為：（觀測發(fā)現(xiàn)：地震橫波不能通過外核（即不能通過液體）。外核（厚2100Km）處于液態(tài)內(nèi)核（厚1400Km）處于固態(tài)地核主要構(gòu)成物質(zhì)是鎳、鐵。

1.1.1地震類型與成因按其成因分構(gòu)造地震:由于地球內(nèi)部巖層構(gòu)造變化引起的地震。分布最廣，危害最大?；鹕降卣穑河捎诨鹕奖l(fā)，巖漿猛烈沖出地面起。(我國沒有，日本有)。陷落地震：由于地表或地下巖層突然發(fā)生大規(guī)模的陷落和崩塌所引起小范圍的地面震動。誘發(fā)地震：由于水庫蓄水或深井注水等引起的地面震動?！诠こ炭拐鹪O(shè)計中僅考慮構(gòu)造地震的設(shè)防問題構(gòu)造地震的成因和分布成因：斷層說在自然界，大規(guī)模的破裂面被稱為地質(zhì)斷層。一條斷層的兩側(cè)可以逐漸地并難以察覺地互相滑過；也可以突然破裂，以地震形式釋放能量。

猶他州喀那布附近的切過巖層的小而清晰的正斷層斷層學(xué)說的佐證

----來自以色列的精彩實例原來水平的剛性巖石層在長時期作用的構(gòu)造力擠壓下褶皺斷層學(xué)說的佐證板塊說：大陸漂移假說：它是德國氣象學(xué)家魏格納（Wegener）(1880～1930年)在講課中提出來的。這一假說在約10年時間內(nèi)沒有受到地質(zhì)界的重視。在1922年2月16日有一篇評述魏格納的書的一無人署名的短文，發(fā)表于著名的科學(xué)雜志《自然》上，說“該書直接應(yīng)用了物理學(xué)原理，但遭到許多地質(zhì)學(xué)家的強烈反對”。魏格納假定一個超級大陸于3億年前破裂，其碎塊漂移出去形成現(xiàn)今的大陸。作為證據(jù)，他指出不同大陸的大型地質(zhì)構(gòu)造，如非洲西海岸和南美的東海岸似乎可以吻合。這一原理能夠解釋許多地質(zhì)學(xué)問題，在以后幾十年代中成為辯論的主要焦點。由洋中脊，海溝和轉(zhuǎn)換斷層構(gòu)成邊界的主要構(gòu)造板塊

美洲板塊，歐亞板塊，印澳板塊，太平洋板塊，南極洲板塊等板塊學(xué)說的佐證板塊學(xué)說的佐證

1.2地震災(zāi)害中國地震背景地震的破壞作用

本世紀(jì)以來，全世界破壞性強的地震平均每年18次，造成經(jīng)濟損失達(dá)數(shù)千億美元。126萬人死亡，近千萬人嚴(yán)重傷殘。我國本世紀(jì)以來，發(fā)生6級以上地震500余次，8級以上地震9次。一次大地震可在數(shù)10秒鐘之內(nèi)使一座繁榮的城市變成廢墟，人們幾代人的積累和財富化為烏有。中國地震背景世界范圍內(nèi)有兩大地震帶環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶我國主要有兩條地震帶南北地震帶和東西地震帶

在海濱地區(qū)跨圣安德烈斯斷裂的籬笆在1906年舊金山地震時錯動了2.6米，遠(yuǎn)處的土地向右移動。地震的破壞作用

1988年亞美尼亞地震造成的新鮮斷崖

1976年7月28日,在河北省唐山、豐南一帶發(fā)生了7.8級強烈地震，唐山地震造成24.2萬人死亡，16.4萬人受重傷，僅唐山市區(qū)終身殘廢者達(dá)1700多人，倒塌民房530萬間。唐山地區(qū)總的直接經(jīng)濟損失達(dá)54億元，公共設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞，災(zāi)情之大舉世罕見。汶川地震2008年5月12日14時28分04秒震級：里氏震級8.0級最大烈度：11度震中位置：四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)汶川大地震是中國一九四九年以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震，地震的強度、烈度都超過了一九七六年的唐山大地震。遇難:69142人失蹤:17551人。地震災(zāi)害直接地表破壞：山石崩裂，地裂，災(zāi)害地陷，噴砂冒水結(jié)構(gòu)物破壞：整體穩(wěn)定性，強度不足，塑性不足，地基失效次生城市、工業(yè)區(qū)破壞：水災(zāi)，火災(zāi)，污染災(zāi)害海嘯

海嘯是一種災(zāi)難性的海浪，通常由震源在海底下50千米以內(nèi)、里氏震級6.5以上的海底地震引起。水下或沿岸山崩或火山爆發(fā)也可能引起海嘯。在一次震動之后，震蕩波在海面上以不斷擴大的圓圈，傳播到很遠(yuǎn)的距離，正象卵石掉進(jìn)淺池里產(chǎn)生的波一樣。海嘯波長比海洋的最大深度還要大，軌道運動在海底附近也沒受多大阻滯，不管海洋深度如何，波都可以傳播過去。2004年12月26日，印度洋發(fā)生強烈地震并引發(fā)海嘯，造成周邊國家重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。印度洋海嘯造成近30萬人遇難。海嘯的起因：1.3地震基本術(shù)語震源、震中、地震波地震震級地震烈度基本烈度與地震區(qū)劃震源：地下地震的發(fā)源處地球內(nèi)部斷層錯動并輻射出地震波的部位。（震源不是一個點，而是有一定的深度和范圍）淺源地震<60km

中源地震60~300km

深源地震>300km地震波按震源深淺，地震又可分為：

震中、震中距、等震線

垂直于震源的地表為震中體波：

縱波：P波，為壓縮波，速度快，產(chǎn)生顛簸。vp=1.67vs

橫波：S波，vs為剪切波，速度稍慢，產(chǎn)生搖晃。

地震P波(縱波)和S波(橫波)運行時彈性巖石運動的形態(tài)

勒夫波和瑞利波傳播過程中近地表巖石的運動

面波：有勒夫波和瑞利波，vR=vL=0.9vs，能量大，破壞大，產(chǎn)生顛簸搖晃。地震波記錄圖地震動為什么地震時人的感覺是先顛后晃？由地震波傳播所引發(fā)的地面振動，通常稱為地震動。

地震時，震中及其附近的人們先感覺到上下顛簸，然后感到前后或左右搖晃。這是因為地震發(fā)生時，地震波主要有兩種，一種是縱波，它傳播的速度快，可達(dá)5—6Km/秒；另一種是橫波，它的速度較慢，達(dá)3—4Km/秒。因為縱波先到，使人們產(chǎn)生上下顛簸的感覺；而橫波后到，讓人們感到水平搖晃，對建筑物的破壞主要是橫波。人們在感覺到“顛”的時候，要馬上就地避震，因為大的破壞力馬上就要到了。用標(biāo)準(zhǔn)的地震儀在距震中100km處記錄最大水平位移A（以μm=10-6m計）。震級M=logA

查爾斯·里克特（1900～1985年）

震級是一次地震強弱的等級?，F(xiàn)國際上的通用震級表示為里氏震級。（Richter）地震震級震級與能量的關(guān)系logE=11.8+1.5M震級差一級，能量差32倍之多。

按著這個定義，對一個100千米外的地震，如果標(biāo)準(zhǔn)地震儀記錄到1厘米的峰值波振幅（即1‰毫米的104倍），則震級為4級。1級微震，人們無感覺。2~4級有感地震5級以上破壞性地震7級以上強烈地震8級以上特大地震現(xiàn)記錄到的最強地震為8.9級。唐山地震7.8級

地震烈度：某一地點地面震動的強烈程度，由地面建筑的破壞程度，人的感覺，物體的振動及運動強烈程度而定?，F(xiàn)在主要由地面震動的速度和加速度確定。地震烈度注意與震級區(qū)分。烈度：

一次地震對某一地區(qū)的影響和破壞程度稱地震烈度，簡稱為烈度。用I表示。

烈度與震級的關(guān)系

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。影響烈度的因素，除了震級、震中距外，還與震源深度、地質(zhì)構(gòu)造和地基條件等因素有關(guān)。分項：人的感覺，大多數(shù)房屋震害程度，其他現(xiàn)象，加速度(水平向)厘米/秒2，速度(水平向)厘米/秒烈度表I度：為無感覺，損壞一個別磚瓦掉落墻體微細(xì)裂縫；河岸和松軟土上出現(xiàn)裂縫。分為1-12度（不同的國家的分度方法不同）中國地震烈度表VII（7）度：大多數(shù)人倉惶逃出；輕度破壞，局部破壞、開裂，但不妨礙使用；河岸出現(xiàn)塌方。飽和砂層常見噴砂冒水。松軟土上地裂縫較多。大多數(shù)磚煙囪中等破壞；加速度125厘米/秒2。Ⅷ（8）度：搖晃顛簸行走困難；中等破壞,結(jié)構(gòu)受損，需要修理；干硬土上亦有裂縫。大多數(shù)磚煙囪嚴(yán)重破壞；加速度250厘米/秒2。

VI（6）度：驚慌失措，倉惶逃出；飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水。地面上有的磚煙囪輕度裂縫、掉頭；加速度63厘米/秒2。Ⅹ（10）度：騎自行車的人會摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會摔出幾尺遠(yuǎn)，有拋起感；大部倒塌，不堪修復(fù)；山崩和地震斷裂出現(xiàn)，基巖上的拱橋破壞，大多數(shù)磚煙囪從根部破壞或倒毀；

加速度1000厘米/秒2。

Ⅻ（12）度：地面劇烈變化，山河改觀。Ⅸ（9）度：坐立不穩(wěn)行動的人可能摔跤；嚴(yán)重破壞,墻體龜裂，局部倒塌，復(fù)修困難；嚴(yán)重破壞，墻體龜裂，局部倒塌，復(fù)修困難；加速度500厘米/秒2?；玖叶扰c地震區(qū)劃

一個地區(qū)未來50年內(nèi)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(qū)的基本烈度。用Io表示。按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度稱為設(shè)防烈度，用Id表示。建筑所在地區(qū)在設(shè)計基準(zhǔn)期（50年）內(nèi)具有超越概率2%-3%的地震烈度。也稱為大震烈度，重現(xiàn)期約為2000年。建筑所在地區(qū)在設(shè)計基準(zhǔn)期（50年）內(nèi)出現(xiàn)的頻度最高的烈度。也稱為常遇烈度、小震烈度，用Im表示。其超越概率為63.2%，重現(xiàn)期為50年。

設(shè)計地震分組是新規(guī)范新提出的概念，用以代替舊規(guī)范設(shè)計近震、設(shè)計遠(yuǎn)震的概念。

在宏觀烈度大體相同條件下，處于大震級遠(yuǎn)離震中的高聳建筑物的震害比中小級震級近震中距的情況嚴(yán)重的多。6度近震6度遠(yuǎn)震7度近震7度遠(yuǎn)震

設(shè)計地震分組

1.4地震動特性地震動幅值特性地震動頻譜特性地震動持時特性地震動幅值特性地震動幅值可以是地面運動的加速度、速度或位移的某種最大值或某種意義下的有效值。它可描述地面震動的強弱程度，且與震害有著密切關(guān)系，可作為地震烈度的參考物理指標(biāo)。例如，1940年EL-Centro地震加速度記錄的最大值為341.7cm/s2。地震動幅值的大小受震級、震源機制、傳播途徑、震中距、局部場地條件等因素的影響。一般來說，在近場內(nèi)，基巖上的加速度峰值大于軟弱場地上的加速度峰值，而在遠(yuǎn)場則相反。

地震動頻譜特性所謂地震動頻譜特性是指地震動對具有不同自振周期的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性。通?？梢杂梅磻?yīng)譜、功率譜和傅里葉譜來表示。反應(yīng)譜是工程中最常用的形式，現(xiàn)已稱為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基礎(chǔ)。震級、震中距和場地條件對地震動的頻譜特性有重要影響，震級越大、震中距越遠(yuǎn)，地震動記錄的長周期分量就越顯著。硬土且地層薄的地基上的地震動記錄包含較豐富的高頻成分，而軟土且地層厚的地基上的地震動記錄卓越周期偏向長周期。地震動持時特性地震動持時對結(jié)構(gòu)的破壞程度有著較大的影響。在相同的地面運動最大加速度作用下，當(dāng)強震的持續(xù)時間長，則該地點的地震烈度高，結(jié)構(gòu)物的地震破壞就重；反之，當(dāng)強震的持續(xù)時間短，則該地點的地震烈度低，結(jié)構(gòu)物的破壞就輕。例如，EL-Centro地震的強震持續(xù)時間為30s，該地點的地震烈度為8度，結(jié)構(gòu)物破壞較嚴(yán)重；而1966年的日本松代地震，其地面運動最大加速度略高于EL-Centro地震，但其強震持續(xù)時間僅為4s，則該地的地震烈度僅為5度，未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)物破壞。

1.5建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防抗震設(shè)防的目的和要求抗震設(shè)計方法建筑物重要性分類與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防的目的和要求

許多國家的抗震設(shè)計規(guī)范都趨向于以“小震不壞、中震可修、大震不到”作為建筑抗震設(shè)計的基本準(zhǔn)則。通過抗震設(shè)防，減輕建筑的破壞，避免人員死亡，減輕經(jīng)濟損失。

工程抗震設(shè)防的基本目的

簡稱為：“小震不壞，中震可修，大震不倒”?！叭疁?zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)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，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。第二水準(zhǔn)：當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。第三水準(zhǔn)：當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。抗震設(shè)計方法在進(jìn)行建筑抗震設(shè)計時，原則上應(yīng)滿足上述“三水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防要求。在具體做法上，我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范采用了簡化的“兩階段”的抗震設(shè)計方法。

第一階段設(shè)計：按多遇地震烈度對應(yīng)的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和結(jié)構(gòu)的彈性變形。

第二階段設(shè)計：按罕遇地震烈度對應(yīng)的地震作用效應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。

有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明顯薄弱層的建筑，不規(guī)則的建筑等第一階段的設(shè)計，保證了第一水準(zhǔn)的承載力要求和變形要求。第二階段的設(shè)計，則旨在保證結(jié)構(gòu)滿足第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。如何保證第二水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求，尚在研究之中。目前一般認(rèn)為，良好的抗震構(gòu)造措施有助于第二水準(zhǔn)要求的實現(xiàn)?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50011-2001。該標(biāo)準(zhǔn)主要以地震中和地震后房屋的損壞對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生的影響的程度大