地震及结构抗震的基本知识

第一章

地震及结构抗震的根本知识1.1 地震成因与地震类型1.2 地震涉及其传播1.3 地震震级与地震烈度1.4 中国地震的特点与地震灾害1.5结构的抗震设防1.1 地震成因与地震类型全世界每年发生的地震约达五百万次。人们能感觉到的地震叫有感地震，占地震总数的1％左右。造成灾害的强烈地震平均每年发生十几次。强烈地震会引起地震区地面剧烈摇晃和颠簸，并会危及人民生命财产平安和造成工程建筑物的破坏。地震还可能应起火灾、水灾、山崩、滑坡以及海啸。1.1.1 地球构造地球是一个近似于球体的椭球体，平均半径约6370km，赤道半径约6378km，两极半径约6357km。从物质成分和构造特征来划分，地球可分为三大局部：地壳、地幔和地核(图1.1)。图1.1 地球断面与地壳剖面(a)地球断面 (b)分层结构(c)地壳剖面地壳地壳是地球外外表的一层很薄的外壳，它由各种不均匀的岩石组成。地壳的下界称为莫霍界面，或称莫霍不连续面。地壳的厚度在全球变化很大，大陆内一般厚16～40km，高山地区厚度更大，中国西藏高原及天山地区厚达70km。海洋下面厚度最小，一般为10～15km，最薄的约5km。世界上绝大局部地震都发生在地壳内。2.地幔

地壳以下到深度约2895km的古登堡界面为止的局部为地幔，约占地球体积的5／6。地幔由密度较大的黑色橄榄岩等超基性岩石组成，其中上地幔物质结构不均匀，中、下地幔局部是比较均匀的。由于地幔能传播横波(剪切波)，所以根据推算，地幔应为固体。3.地核古登堡界面以下直到地心的局部为地核，地核半径约为3500km，又可分为外核和内核。据推测，地核的物质成分主要为镍和铁。由于至今还没有发现有地震横波通过外核，故推断外核处于液态，而内核可能是固态。地球各局部的密度随深度增加而增大，地球内部的温度随深度增加而升高。1.1.2地震的发生过程地震就是地球内某处岩层突然破裂，或因局部岩层塌陷、火山爆发等发生了振动，并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃，从而引起了地面的运动。发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离叫震源深度。震源深度、震中距、震源距震源：地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位震中：震源正上方的地面位置震源深度:从震中到震源的距离震中距：地面某处至震中的水平距离震中距在100公里-1000公里的称为近震震中距超过1000公里的称为远震震源震源深度震中等震线震中距震源深度在60公里以内的地震为浅源地震震源深度超过300公里的地震叫深源地震震源深度介于60-300公里之间的地震为中源地震世界上绝大局部地震是浅源地震，中源地震比较少，而深源地震为数更少。一般来说，对于同样大小的地震，当震源较浅时，涉及范围较小，而破坏程度较大；当震源深度较大时，涉及范围那么较大，而破坏程度相对较小。1.1.3 地震的成因与类型构造地震——原因：地壳构造运动影响：发生数量大、影响范围广

(占地震总数约90﹪)火山地震——原因：火山爆发工程地震的主要研究对象诱发地震——原因：人工爆破；矿山开采；工程活动影响：一般不太强烈，个别情况会造成严重的地震灾害天然地震地震类型一般造成较大灾害的都为构造地震，尤以浅源构造地震造成的危害更大。因此，从工程抗震角度来说，主要是研究占全球地震发生总数约90％的构造地震。构造地震亦称“断层地震〞。由地壳〔或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上地幔部位〕发生断层而引起。图1.2 断层运动的种类(a)正断层 (b)逆断层 (c)横向断层a、岩层的原始状态b、受力发生弯曲c、岩层破裂发生震动地震形成的局部机制：地球板块运动板块之间的相互作用力地壳中岩层变形变形积聚超过岩石所能承受的程度岩体就会发生突然断裂或错动地震构造地震成因.avi1.2地震涉及其传播地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。地震波是震源辐射的弹性波，一般分为体波和面波。地震波的组成：体波：在地球内部传播的波面波：沿地球表面传播的波纵波(压缩波)横波(剪切波)注：横波周期较长，振幅较大乐夫波瑞雷波注：面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方1.2.1体波体波是指通过地球本体内传播的波，它包含纵波与横波两种。

纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，如图1.3(a)所示周期短、振幅小，在固体、液体里都能传播。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，如图1.3(b)所示周期长、振幅较大，只能在固体介质中传播。图1.3 体波传播示意图(a)压缩波 (b)剪切波波的前进方向波的前进方向质点振动方向质点振动方向返回纵波与横波的传播速度理论上可分别用下式计算：λ──拉梅常数；E──介质的弹性模量；γ──介质的泊松比；ρ──介质的密度；G──介质的剪切模量。在弹性介质中，这两种体波的传播速度之比为(1.3)一般情况下，(1.3)式的值大于1，因此纵波传播速度比横波传播速度要快，在仪器观测到的地震记录图上，一般也是纵波先于横波到达。因此，通常也把纵波叫P波，把横波叫S波。通过(1.1)、(1.2)和(1.3)式，不仅可以得到两种体波的传播速度和它们之间的关系，还可以得到介质的一些弹性参数。1.2.2 面波面波是指沿介质外表(或地球地面)及其附近传播的波，一般可以认为是体波经地层界面屡次反射形成的次生波，它包含瑞雷(Rayleigh)波和乐甫(Love)波两种。地震瑞雷波传播时，质点在波的传播方向与地外表法向组成的平面内做逆进椭圆运动，如图1.4所示。乐甫波的传播，类似于蛇行运动，质点在与波传播方向相垂直的水平方向作剪切型运动，如图1.5所示。质点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量，这是乐甫波的一个重要特点。图1.4 瑞雷波振动轨迹返回(a)剖面(b)射线图1.5 面波质点振动示意图(a)瑞雷波质点振动 (b)乐甫波质点振动返回地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。在地震记录上，纵波最先到达，横波到达较迟，面波在体波之后到达，一般当横波或面波到达时地面振动最强烈，破坏作用大地震波在传播过程中能量衰减，地面振动减弱，破坏作用减轻地震波记录是确定地震发生的时间、震级和震源位置的重要依据，也是研究工程结构物在地震作用下的实际反响的重要资料。1.2.3地震波的主要特性

及其在工程中的应用

由震源释放出来的地震波传到地面后引起地面运动，这种地面运动可以用地面上质点的加速度、速度或位移的时间函数来表示，用地震仪记录到的这些物理量的时程曲线习惯上又称为地震加速度波形、速度波形和位移波形。在目前的结构抗震设计中，常用到的那么是地震加速度波形。地震动的三要素：地震动的峰值〔最大振幅〕、频谱、持续时间1.最大幅值

最大幅值是描写地震地面运动强烈程度的最直观的参数，在工程实际中得到最普遍的接受与应用。在抗震设计中对结构进行时程反响分析时，往往要给出输入的最大加速度峰值，在设计用反响谱中，地震影响系数的最大值也与地面运动最大加速度峰值有直接的关系。2.频谱特性对时域的地震加速度波形进行变换，就可以了解这种波形的频谱特性，频谱特性可以用功率谱、反响谱和傅里埃谱来表示。图1.6是根据日本一批强地震记录求得的功率谱，它们是同一地震、震中距近似相同而地基类型不同的情况，显示出硬土、软土的功率谱成分有很大不同。图1.6 地基功率谱示意图(a)软土 (b)硬土返回软土地基上地震加速度波形中长周期分量比较显著；而硬土地基上地震加速度波形那么包含着多种频谱成分，一般情况下短周期的分量比较显著。利用这一概念，在设计结构物时，人们就可以根据地基土的特性，采取刚柔不同的体系，以减少地震引起结构物共振的可能性，减少地震造成的破坏。3.持续时间

强震持续时间对结构物破坏的影响主要表现在结构物开裂以后的阶段。如果结构物在开裂后又遇到了一个加速度峰值很大的地震脉冲并且结构物产生了很大的变形，那么结构的倒塌与一般的静力试验中的现象比较相似，即倒塌取决于最大变形反响。另一种情况是，结构物从开裂到倒塌，往往要经历几次、几十次甚至几百次的反复振动过程，在某一振动过程中，即使结构最大变形反响没有到达静力试验条件下的最大变形，结构也可能由于长时间的振动和反复变形而发生倒塌破坏。显然，在结构已发生开裂时，连续振动时间越长，结构倒塌的可能性越大。1.3 地震震级与地震烈度

1.3.1 地震震级地震震级是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度，它是地震的根本参数之一，是地震预报和其它有关地震工程学研究中的一个重要参数。震级相差一级，释放能量相差约32倍！震级一般有三种定义，一是近震震级ML，二是面波震级MS，三是体波震级MB。根据地震仪记录到的地震波图确定的近震震级M计算：M=logA+R(Δ)震级M与震源释放能量之间的关系：又称为里氏震级式中A——记录图上量得的以m为单位的最大水平位移；R〔Δ〕——依震中距Δ而变化的起算函数。logE=1.5M+11.8小于2级的地震人们感觉不到，只有仪器才能记录下来，叫作微震；2～4级地震人就感觉到了，叫有感地震；5级以上地震就要引起不同程度的破环，统称为破坏性地震；7级以上地震那么称为强烈地震。1.3.2 地震烈度地震烈度：地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象来判断。表1.1是1999年公布的中国地震烈度表。注：一般来说，距离震中近，烈度就高；距离震中越远，烈度也越低地震烈度表：把地震的强烈程度，从无感到建筑物消灭及山河改观等划分为假设干等级，列成表格，以统一的尺度衡量地震的强烈程度。表1.1是1999年公布的中国地震烈度表。等烈度线：具有相同烈度的各个地点的外包线，等烈度线的度数随震中距的增大而递减，但有时会出现烈度异常。震中烈度：震中区的烈度称为震中烈度震害程度损坏——个别掉砖落瓦，墙体微细裂缝。指数0～0.1；轻度破环——局部破坏开裂，但不阻碍使用。指数0.11～0.30；中等破坏——结构受损，需要修理。指数0.31～0.50；严重破坏——墙体裂缝较宽，局部倒塌，修复困难。指数0.51～0.70；倒塌——大部倒塌，不堪修复。指数0.71～0.90；消灭——墙倒顶塌，荡然无存。指数0.91～l.0。1.3.3震级与震中烈度的关系对于中浅源地震，震中烈度与震级的大致对照关系如表1.2所示。地震震级(M)23456788以上震中烈度(I0)1～234～56～77～89～101112表1.2 地震震级与震中烈度大致关系依据震级粗略地估算震中烈度的方法地震烈度表：为评定地震烈度而建立起来的标准I0为震中烈度无感

1室内个别静止中的人感觉

2悬挂物微动门、窗轻微作响室内少数静止中的人感觉

3悬挂物明显摆动，器皿作响门、窗作响室内多数人感觉。室外少数人感觉。少数人梦中惊醒

43（2-4）31（22-44）不稳定器物翻倒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落。抹灰出现微细裂缝室内普遍感觉。室外多数人感觉。多数人梦中惊醒

56（5-9）63（45-89）河岸和松软土出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝掉头损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝惊惶失措，仓皇逃出

613（10-18）125（90-177）河岸出现坍方。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轻度破坏——局部破坏开裂，但不妨碍使用大多数人仓皇逃出

725(19-35)250(178-353)干硬土上亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏中等破坏——结构受损，需要修理摇晃颠簸，行走困难

850(36-71)500(354-707)干硬土上有许多地方出现裂缝，基岩上可能出现裂缝。滑坡、坍方常见。砖烟囱出现倒塌严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难坐立不稳。行动的人可能摔跤

9100(72-141)1000(708-1414)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倒塌——大部倒塌，不堪修复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

10地震断裂延续很长。山崩常见。基岩上的拱桥毁坏毁灭11地面剧烈变化，山河改观12个别：10%以下少数：10%——50%多数：50%——70%大多数：70%——90%普遍：90%以上速度加速度其它现象一般房屋人的感觉烈度

区别：地震烈度与震级一次地震，表示地震大小的震级只有一个由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近会出现多种不同的烈度1.4根本烈度与地震区划根本烈度：指一个地区在一定时期〔我国取50年〕内在一般场地条件下按一定的概率〔我国取10%〕可能遭遇到的最大地震烈度一个地区进行抗震设防的依据

地震区划：依据地质构造资料历史地震规律强震观测资料地震危险性分析计算给出每一地区在未来一定时限内关于某一烈度〔或地震动加速度值〕的超越概率将国土划分为不同根本烈度所覆盖的区域地震区划已经可以给出地震动参数的区划结果1.5中国地震的特点与地震灾害

1.5.1中国的地震活动与分布中国地处世界上两个最活泼的地震带中间，东濒环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多地震国家之一。中国台湾大地震最多，新疆、西藏次之，西南、西北、华北和东南沿海地区也是破坏性地震较多的地区。表1.3 中国地震烈度分区总面积及百分比地震烈度分区<6度6度7度8度≥9度总计总面积(104×km2)201361320689.5959.5所占百分比(%)21383371100可见，中国有79％的国土面积需抗震设防(烈度≥6度)；有8％的国土面积处于较高烈度设防区(烈度≥8度)。高烈度区(烈度≥9度)全国共有34个，主要分布在西部，其中24个分布在青藏高原及其周边，6个在新疆，2个在华北，2个在台湾；低烈度区(烈度≤7度)主要分布在华南、内蒙北部、东北、西北等地区。1.5.2中国地震活动的主要特点中国地震活动分布范围广地震的震源浅、强度大位于地震区的大、中城市多，建筑物抗震能力低强震的重演周期长1.5.3 中国的地震灾害中国位于环太平洋地震构造系和大陆地震构造系世界两大地震构造系的交汇区域全球地震带分布中国地震带分布中国是世界上地震灾害最严重的国家，地震造成的人员伤亡，中国居世界首位，地震造成的房屋破坏和倒塌，中国所占的比例也最大。地震灾害主要表现在三个方面，即地表破坏，工程建筑物破坏和次生灾害。1. 地表破坏地震引起的地表破坏一般有地裂缝、地面下沉、喷砂冒水、滑坡塌方等。地裂缝主要有两种：一种是强烈地震时由于地下断层的错动使地面的岩层发生错移形成地面的断裂，另一种是在故河道、河堤岸边、陡坡等土质松弱地方产生交错裂缝，大小形状不一，规模也较前一种小。危害：当地裂缝穿过建筑物时，会造成结构开裂直至倒塌。地震引起的地裂地震引起公路错断地面下沉：多发生在软土分布地区和矿业采空区危害：不均匀沉陷易引起建筑物的破坏甚至倒塌地面下沉滑坡塌方：常发生在陡峻的山区，在强烈地震的摇动下，由于陡崖失稳常引起塌方、山体滑移、山石滚落等现象。危害：切断交通通道，冲毁房屋和桥梁、堵塞河流公路中断喷砂冒水：一般发生在沿海或地下水位较高的地区，地震波的强烈振动使含水层受到挤压，地下水往往从地裂缝或土质松软的地方冒出路面，在有砂层的地方那么夹带砂子喷出形成喷砂冒水现象。危害：液化可以造成建筑物倾斜与倒塌、埋地管网的大面积破坏喷砂冒水2.建筑物破坏地震时各类建筑物的破坏是导致人民生命财产损失的主要原因，也是抗震工作的主要对象。建筑物的地震破坏与建筑物本身的特性密切相关。静力破坏：建筑物的破坏因地表破坏引起动力破坏：建筑物的破坏由于地震地面运动的动力作用引起主要破坏原因结构物动力破坏机制的分析，是结构抗震研究的重点和结构抗震设计的根底。承重结构强度缺乏两类动力破坏形式：强度破坏、丧失整体性破坏强度破坏：主要是因为结构承重构件的抗剪、抗弯、抗压等强度缺乏而形成。如：墙体裂缝、钢筋混凝土构件开裂或酥裂。丧失整体性破坏：在强度破坏前后，结构物一般进入弹塑性变形阶段。此时，在强烈振动下会因为延性缺乏、节点连接失效、主要承重构件失稳等原因而丧失整体性，从而造成局部或整体结构的倒塌。结构丧失整体性建筑物的地震破坏一般可分为根本完好(含完好)、轻微损坏、中等破坏、严重破坏、倒塌五个等级。其划分标准如下：根本完好：承重构件完好，个别非承重构件轻微损坏；附属构件有不同的程度破坏。轻微损坏：个别承重构件轻微裂缝，个别非承重构件明显破坏；附属构件有不同程度的破环。中等破坏：多数承重构件轻微裂缝，局部明显裂缝；个别非承重构件严重破坏。严重破坏：多数承重构件严重破坏或局部倒塌。倒塌：多数承重构件倒塌。砖房遭到不同程度的破坏是大量的，而砖房的倒塌现象一般在9度以上的高烈度区才占有较大的比例。一般来说，在7度区主体结构根本完好，8度区有一定数量的主体结构局部损坏，9度区主体结构破坏较重。钢筋混凝土框架房屋的抗震性能较好，主要是砖填充墙容易发生破坏，结构上的薄弱层容易发生破坏，柱端及角柱容易发生破坏，框架结构的震害统计资料较少。内框架房屋的震害一般较重。地震烈度调查情况震害程度6度7度8度9度10度栋数百分比栋数百分比栋数百分比栋数百分比栋数百分比基本完好轻微损坏中等破坏严重破坏倒毁总计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我国历史强震中多层砖房屋震害程度统计(2054幢)地震烈度调查情况震害程度7度8度9度10度栋数百分比栋数百分比栋数百分比栋数百分比基本完好轻微损坏中等破坏严重破坏倒毁总计31132—1915.857.915.810.5—10024465938817513.726.333.721.74.6100—127—10—102070—100—315111645—6.733.324.435.6100我国历史强震中单层混凝土柱工业厂房震害统计(249栋)3.次生震害次生灾害是指由一次灾害诱发的，如地震后引起的火灾、水灾、海啸、逸毒、空气污染等灾害。这种由于地震引起的间接灾害，有时比地震直接造成的损失还大。1995神户地震燃烧中火灾后1.6 结构的抗震设防

1.6.1 抗震设防的目标抗震设防是以现有的科学水平和经济条件为前提的，根据目前世界各国的研究水平和震害经验，在抗震设防目标上，世界各主要国家的设计标准中所表达的准那么如下。根本目的：在一定的经济条件下，最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的平安。美国、日本、秘鲁、希腊中国抗震设计标准〔1989年〕三水准设防要求“小震不坏，设防烈度〔中震〕可修，大震不倒〞我国地震烈度的概率分布根本上符合于极值III型分布其概率密度函数的根本形式为：

式中，I——地震烈度；

k——形状参数，取决于一个地区的地震背景的复杂性；

——地震烈度上限值，取=12;

——烈度概率密度曲线上峰值所对应的强度。图地震烈度概率密度函数曲线小震：发生时机较多的地震对应峰值烈度定义为小震烈度，又称多遇地震烈度中震：全国地震区划图所规定的各地的根本烈度，可取为中震对应的烈度大震：是罕遇的地震,对应烈度又可称为罕遇地震烈度

三种烈度含义：1.6.2

抗震设防目标的实现三水准、二阶段抗震设计方法标准规定了主要城镇中心地区的抗震设防烈度、设计地震加速度值、城镇的设计地震分组——反映震源远近的影响；我国采取6度起设防的方针，地震设防区面积约占国土面积的60﹪。三水准第一水准:当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。 多遇地震，按线弹性理论进行分析，用弹性反响谱求地震作用，按强度要求进行截面设计。第二水准：当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用； 根本烈度的地震影响，允许结构局部到达或超过屈服极限，或者结构的局部构件发生裂缝，本水准的设防要求主要通过概念设计和构造措施来实现。第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命平安的严重破坏。 罕遇地震，应该按防止倒塌的要求进行抗震设计。对脆性结构，主要从抗震措施上