第一章 抗震基本知识

第一章绪论§1.1地震基本知识§1.2地震灾害§1.3地震震级与地震烈度§1.4地震动特性§1.5建筑结构的抗震设防2/5/2023

1.1地震基本知识概述地震类型与成因地震波地震动这座“纪念碑”高宽比很大却也很结实，无心的纪录下了2008年5月12日下午2点28分这个时刻。

概述

地震是一种自然现象。据统计，地球每年平均发生500万次左右的地震，其中，5级以上的强烈地震约1000次左右。如果强烈地震发生在人类聚居区，就会造成地震灾害。为了抗御与减轻地震灾害，有必要进行建筑工程结构的抗震分析与抗震设计。地壳由各种不均匀的岩石组成。地球的构造世界上绝大部分的地震都发生在这一薄薄的地壳内。（地壳岩石长期积累的变性在瞬间内转换为动能而产生地震）

地面为沉积岩，地壳上部为花岗岩岩层，地壳下部为玄武岩岩层（海洋下只有玄武岩岩层）。地幔主要有质地坚硬的橄榄岩组成。地幔是地壳运动的根源，其原因：

由于地球内部放射性物质不断释放能量，地球内部的温度也随深度的增加而升高，地下200Km到700Km其温度由600℃升至2000℃，在这一范围内的地幔中存在着一个厚约几百公里的软流层。因温度分布不均匀，就发生了地幔内部物质的对流；另外地球内部的压力也是不均衡的，在地幔上部约900MPa,地幔中部为3700MPa。地核是地球的核心，分为：（观测发现：地震横波不能通过外核（即不能通过液体）。外核（厚2100Km）处于液态内核（厚1400Km）处于固态地核主要构成物质是镍、铁。

1.1.1地震类型与成因按其成因分构造地震:由于地球内部岩层构造变化引起的地震。分布最广，危害最大。火山地震：由于火山爆发，岩浆猛烈冲出地面起。(我国没有，日本有)。陷落地震：由于地表或地下岩层突然发生大规模的陷落和崩塌所引起小范围的地面震动。诱发地震：由于水库蓄水或深井注水等引起的地面震动。※在工程抗震设计中仅考虑构造地震的设防问题构造地震的成因和分布成因：断层说在自然界，大规模的破裂面被称为地质断层。一条断层的两侧可以逐渐地并难以察觉地互相滑过；也可以突然破裂，以地震形式释放能量。

犹他州喀那布附近的切过岩层的小而清晰的正断层断层学说的佐证

----来自以色列的精彩实例原来水平的刚性岩石层在长时期作用的构造力挤压下褶皱断层学说的佐证板块说：大陆漂移假说：它是德国气象学家魏格纳（Wegener）(1880～1930年)在讲课中提出来的。这一假说在约10年时间内没有受到地质界的重视。在1922年2月16日有一篇评述魏格纳的书的一无人署名的短文，发表于著名的科学杂志《自然》上，说“该书直接应用了物理学原理，但遭到许多地质学家的强烈反对”。魏格纳假定一个超级大陆于3亿年前破裂，其碎块漂移出去形成现今的大陆。作为证据，他指出不同大陆的大型地质构造，如非洲西海岸和南美的东海岸似乎可以吻合。这一原理能够解释许多地质学问题，在以后几十年代中成为辩论的主要焦点。由洋中脊，海沟和转换断层构成边界的主要构造板块

美洲板块，欧亚板块，印澳板块，太平洋板块，南极洲板块等板块学说的佐证板块学说的佐证

1.2地震灾害中国地震背景地震的破坏作用

本世纪以来，全世界破坏性强的地震平均每年18次，造成经济损失达数千亿美元。126万人死亡，近千万人严重伤残。我国本世纪以来，发生6级以上地震500余次，8级以上地震9次。一次大地震可在数10秒钟之内使一座繁荣的城市变成废墟，人们几代人的积累和财富化为乌有。中国地震背景世界范围内有两大地震带环太平洋地震带和欧亚地震带我国主要有两条地震带南北地震带和东西地震带

在海滨地区跨圣安德烈斯断裂的篱笆在1906年旧金山地震时错动了2.6米，远处的土地向右移动。地震的破坏作用

1988年亚美尼亚地震造成的新鲜断崖

1976年7月28日,在河北省唐山、丰南一带发生了7.8级强烈地震，唐山地震造成24.2万人死亡，16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残废者达1700多人，倒塌民房530万间。唐山地区总的直接经济损失达54亿元，公共设施遭受严重破坏，灾情之大举世罕见。汶川地震2008年5月12日14时28分04秒震级：里氏震级8.0级最大烈度：11度震中位置：四川省汶川县映秀镇汶川大地震是中国一九四九年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，地震的强度、烈度都超过了一九七六年的唐山大地震。遇难:69142人失踪:17551人。地震灾害直接地表破坏：山石崩裂，地裂，灾害地陷，喷砂冒水结构物破坏：整体稳定性，强度不足，塑性不足，地基失效次生城市、工业区破坏：水灾，火灾，污染灾害海啸

海啸是一种灾难性的海浪，通常由震源在海底下50千米以内、里氏震级6.5以上的海底地震引起。水下或沿岸山崩或火山爆发也可能引起海啸。在一次震动之后，震荡波在海面上以不断扩大的圆圈，传播到很远的距离，正象卵石掉进浅池里产生的波一样。海啸波长比海洋的最大深度还要大，轨道运动在海底附近也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都可以传播过去。2004年12月26日，印度洋发生强烈地震并引发海啸，造成周边国家重大人员伤亡和财产损失。印度洋海啸造成近30万人遇难。海啸的起因：1.3地震基本术语震源、震中、地震波地震震级地震烈度基本烈度与地震区划震源：地下地震的发源处地球内部断层错动并辐射出地震波的部位。（震源不是一个点，而是有一定的深度和范围）浅源地震<60km

中源地震60~300km

深源地震>300km地震波按震源深浅，地震又可分为：

震中、震中距、等震线

垂直于震源的地表为震中体波：

纵波：P波，为压缩波，速度快，产生颠簸。vp=1.67vs

横波：S波，vs为剪切波，速度稍慢，产生摇晃。

地震P波(纵波)和S波(横波)运行时弹性岩石运动的形态

勒夫波和瑞利波传播过程中近地表岩石的运动

面波：有勒夫波和瑞利波，vR=vL=0.9vs，能量大，破坏大，产生颠簸摇晃。地震波记录图地震动为什么地震时人的感觉是先颠后晃？由地震波传播所引发的地面振动，通常称为地震动。

地震时，震中及其附近的人们先感觉到上下颠簸，然后感到前后或左右摇晃。这是因为地震发生时，地震波主要有两种，一种是纵波，它传播的速度快，可达5—6Km/秒；另一种是横波，它的速度较慢，达3—4Km/秒。因为纵波先到，使人们产生上下颠簸的感觉；而横波后到，让人们感到水平摇晃，对建筑物的破坏主要是横波。人们在感觉到“颠”的时候，要马上就地避震，因为大的破坏力马上就要到了。用标准的地震仪在距震中100km处记录最大水平位移A（以µm=10-6m计）。震级M=logA

查尔斯·里克特（1900～1985年）

震级是一次地震强弱的等级。现国际上的通用震级表示为里氏震级。（Richter）地震震级震级与能量的关系logE=11.8+1.5M震级差一级，能量差32倍之多。

按着这个定义，对一个100千米外的地震，如果标准地震仪记录到1厘米的峰值波振幅（即1‰毫米的104倍），则震级为4级。1级微震，人们无感觉。2~4级有感地震5级以上破坏性地震7级以上强烈地震8级以上特大地震现记录到的最强地震为8.9级。唐山地震7.8级

地震烈度：某一地点地面震动的强烈程度，由地面建筑的破坏程度，人的感觉，物体的振动及运动强烈程度而定。现在主要由地面震动的速度和加速度确定。地震烈度注意与震级区分。烈度：

一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称为烈度。用I表示。

烈度与震级的关系

一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。分项：人的感觉，大多数房屋震害程度，其他现象，加速度(水平向)厘米/秒²，速度(水平向)厘米/秒烈度表I度：为无感觉，损坏一个别砖瓦掉落墙体微细裂缝；河岸和松软土上出现裂缝。分为1-12度（不同的国家的分度方法不同）中国地震烈度表VII（7）度：大多数人仓惶逃出；轻度破坏，局部破坏、开裂，但不妨碍使用；河岸出现塌方。饱和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多。大多数砖烟囱中等破坏；加速度125厘米/秒²。Ⅷ（8）度：摇晃颠簸行走困难；中等破坏,结构受损，需要修理；干硬土上亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏；加速度250厘米/秒²。

VI（6）度：惊慌失措，仓惶逃出；饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头；加速度63厘米/秒²。Ⅹ（10）度：骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔出几尺远，有抛起感；大部倒塌，不堪修复；山崩和地震断裂出现，基岩上的拱桥破坏，大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁；

加速度1000厘米/秒²。

Ⅻ（12）度：地面剧烈变化，山河改观。Ⅸ（9）度：坐立不稳行动的人可能摔跤；严重破坏,墙体龟裂，局部倒塌，复修困难；严重破坏，墙体龟裂，局部倒塌，复修困难；加速度500厘米/秒²。基本烈度与地震区划

一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Io表示。按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，用Id表示。建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年。建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。也称为常遇烈度、小震烈度，用Im表示。其超越概率为63.2%，重现期为50年。

设计地震分组是新规范新提出的概念，用以代替旧规范设计近震、设计远震的概念。

在宏观烈度大体相同条件下，处于大震级远离震中的高耸建筑物的震害比中小级震级近震中距的情况严重的多。6度近震6度远震7度近震7度远震

设计地震分组

1.4地震动特性地震动幅值特性地震动频谱特性地震动持时特性地震动幅值特性地震动幅值可以是地面运动的加速度、速度或位移的某种最大值或某种意义下的有效值。它可描述地面震动的强弱程度，且与震害有着密切关系，可作为地震烈度的参考物理指标。例如，1940年EL-Centro地震加速度记录的最大值为341.7cm/s2。地震动幅值的大小受震级、震源机制、传播途径、震中距、局部场地条件等因素的影响。一般来说，在近场内，基岩上的加速度峰值大于软弱场地上的加速度峰值，而在远场则相反。

地震动频谱特性所谓地震动频谱特性是指地震动对具有不同自振周期的结构的反应特性。通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶谱来表示。反应谱是工程中最常用的形式，现已称为工程结构抗震设计的基础。震级、震中距和场地条件对地震动的频谱特性有重要影响，震级越大、震中距越远，地震动记录的长周期分量就越显著。硬土且地层薄的地基上的地震动记录包含较丰富的高频成分，而软土且地层厚的地基上的地震动记录卓越周期偏向长周期。地震动持时特性地震动持时对结构的破坏程度有着较大的影响。在相同的地面运动最大加速度作用下，当强震的持续时间长，则该地点的地震烈度高，结构物的地震破坏就重；反之，当强震的持续时间短，则该地点的地震烈度低，结构物的破坏就轻。例如，EL-Centro地震的强震持续时间为30s，该地点的地震烈度为8度，结构物破坏较严重；而1966年的日本松代地震，其地面运动最大加速度略高于EL-Centro地震，但其强震持续时间仅为4s，则该地的地震烈度仅为5度，未发现明显的结构物破坏。

1.5建筑结构的抗震设防抗震设防的目的和要求抗震设计方法建筑物重要性分类与设防标准抗震设防的目的和要求

许多国家的抗震设计规范都趋向于以“小震不坏、中震可修、大震不到”作为建筑抗震设计的基本准则。通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员死亡，减轻经济损失。

工程抗震设防的基本目的

简称为：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。“三水准”抗震设防目标第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。抗震设计方法在进行建筑抗震设计时，原则上应满足上述“三水准”的抗震设防要求。在具体做法上，我国建筑抗震设计规范采用了简化的“两阶段”的抗震设计方法。

第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其他荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。

第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。

有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等第一阶段的设计，保证了第一水准的承载力要求和变形要求。第二阶段的设计，则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求。如何保证第二水准的抗震设防要求，尚在研究之中。目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于第二水准要求的实现。《建筑抗震设计规范》GB50011-2001。该标准主要以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大