第1章 地震基礎(chǔ)知識(shí)與建筑抗震設(shè)防
1.1 地震與地震動(dòng)
1.1.1 地球的構(gòu)造
1.1.2 地震類型與成因
1.1.3 地震波
1.1.4 地震強(qiáng)度
1.1.5 常用術(shù)語(yǔ)
1.2 地震活動(dòng)與地震分布
1.2.1 世界地震活動(dòng)
1.2.2 我國(guó)地震活動(dòng)
1.2.3 我國(guó)嚴(yán)重的地震災(zāi)害
1.3 地震的破壞作用
1.3.1 地表的破壞現(xiàn)象
1.3.2 建筑物的破壞
1.3.3 次生災(zāi)害
1.4 建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防
1.4.1 抗震設(shè)防依據(jù)
1.4.2 建筑抗震設(shè)防要求
1.4.3 建筑抗震設(shè)防分類及設(shè)防
標(biāo)準(zhǔn)
1.5 建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)
1.5.1 場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)的要求
1.5.2 建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性
1.5.3 抗震結(jié)構(gòu)體系
1.5.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件
1.5.5 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件
思考題
第2章 場(chǎng)地、地基與基礎(chǔ)
2.1 場(chǎng)地
2.1.1 場(chǎng)地和地基的破壞作用
2.1.2 場(chǎng)地的地震動(dòng)作用
2.2 場(chǎng)地分類
2.2.1 場(chǎng)地條件對(duì)震害的影響
2.2.2 覆蓋層厚度
2.2.3 場(chǎng)地土類型
2.2.4 場(chǎng)地類別劃分
2.3 天然地基與基礎(chǔ)
2.3.1 地基抗震設(shè)計(jì)原則
2.3.2 地基土抗震承載力
2.3.3 地基抗震驗(yàn)算
2.4 液化土地基
2.4.1 地基土液化及其影響因素
2.4.2 液化的判別
2.4.3 液化地基的評(píng)價(jià)
2.4.4 液化地基的抗震措施
2.5 樁基的抗震驗(yàn)算
2.5.1 非液化土中樁基抗震驗(yàn)算
2.5.2 液化土中樁基抗震驗(yàn)算
思考題
第3章 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算
3.1 概述
3.2 單自由度彈性體系的地震反應(yīng)分析
3.2.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖
3.2.2 運(yùn)動(dòng)方程
3.2.3 自由振動(dòng)
3.2.4 強(qiáng)迫振動(dòng)
3.3 單自由度彈性體系的水平地震作用及其反應(yīng)譜
3.3.1 水平地震作用的基本公式
3.3.2 地震反應(yīng)譜
……
第4章 多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)
第5章 多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計(jì)
第6章 多層和高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)
第7章 隔震與消能減震及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)
第8章 建筑抗震性能化設(shè)計(jì)
附錄
參考文獻(xiàn)
第1章 地震基礎(chǔ)知識(shí)與建筑抗震設(shè)防
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
* 了解地震的類型及其成因。
* 熟悉地震波、地震震級(jí)、地震烈度等術(shù)語(yǔ)。
* 明確結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防依據(jù)、目標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn)。
* 理解抗震設(shè)計(jì)概念的基本內(nèi)容和要求。
【本章導(dǎo)讀】
本章主要通過(guò)有關(guān)地震震害的啟示，學(xué)習(xí)地震的成因及類型，地震波、震級(jí)、烈度等基本概念，地震的破壞作用，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防依據(jù)、目標(biāo)和分類標(biāo)準(zhǔn)，以及抗震設(shè)計(jì)概念的基本內(nèi)容和要求。
案例導(dǎo)入
地震是一種災(zāi)害性自然現(xiàn)象，全世界每年大約發(fā)生500萬(wàn)次地震，其中絕大多數(shù)地震是人感覺(jué)不到的微小地震，只有靈敏的儀器才能監(jiān)測(cè)到它們的活動(dòng)。人能夠感覺(jué)到的地震(有感地震)每年發(fā)生約5萬(wàn)次，其中5級(jí)以上破壞性地震約有1000余次，能夠造成嚴(yán)重破壞的強(qiáng)烈地震平均每年發(fā)生約18次。我國(guó)是世界上多地震國(guó)家之一，20世紀(jì)共發(fā)生破壞性地震3000余次，其中6級(jí)以上地震近800次，8級(jí)以上特大地震9次。
由于地震時(shí)產(chǎn)生的巨大能量，往往造成各類建筑物和設(shè)施的破壞，甚至倒塌，并引起各種次生災(zāi)害的發(fā)生以及人員的傷亡。提高建筑物和各類設(shè)施抵抗地震破壞能力，防止地震時(shí)人員傷亡，減少地震所造成的經(jīng)濟(jì)損失，是地震工程和抗震工程學(xué)的重要任務(wù)。
對(duì)各類建筑物和設(shè)施進(jìn)行抗震設(shè)防，免不了要增加工程的造價(jià)和投資，因此如何合理地采用設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，既能有效地減輕工程受到的地震破壞、避免人員傷亡、減少經(jīng)濟(jì)損失，又能合理地使用有限的資金，是當(dāng)前工程抗震防災(zāi)中迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于制定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不同，各類建筑物和設(shè)施在地震中的表現(xiàn)會(huì)截然不同，因而地震時(shí)造成的損失也會(huì)有巨大的差別。例如，日本東京歷史上曾發(fā)生過(guò)8級(jí)以上大地震，日本政府以及各界一向?qū)Υ耸株P(guān)心和重視，長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于將東京建成一個(gè)能抗御8級(jí)大地震的城市。1986年一次6.2級(jí)地震發(fā)生在東京城底下，一座上千萬(wàn)人口的城市僅死亡2人，整個(gè)城市幾乎未遭受到破壞。可是一向認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生大地震危險(xiǎn)的日本第二大港神戶市對(duì)工程抗震設(shè)防就不那么重視。在1995年1月17日的一次6.9級(jí)(JMA震級(jí)為7.2)的地震中，導(dǎo)致了近10萬(wàn)棟房屋毀壞、5500人死亡和約1000億美元的經(jīng)濟(jì)損失。
問(wèn)題導(dǎo)入
從上述的案例不難看出，工程抗震是減輕地震災(zāi)害和損失十分有效的措施，工程抗震的成效很大程度上取決于所采用的工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，而制定恰當(dāng)、合理的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不僅需要有可靠的科學(xué)和技術(shù)依據(jù)，并同時(shí)要受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政治等條件的制約。那么是不是對(duì)工程建筑物和設(shè)施的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)越高越好呢？本章將說(shuō)明建筑抗震規(guī)范中最佳的或者說(shuō)可行、合理的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，特別是可接受的最低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的制定，需要在保證地震作用下工程的安全性與優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響之間取得平衡。
1.1 地震與地震動(dòng)
地震給人類社會(huì)帶來(lái)災(zāi)難，造成不同程度的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，為了減輕或避免這種傷亡及損失，就需要對(duì)?地震有較深入的了解。作為土木工程技術(shù)人員，其主要任務(wù)就是研究如何防止或減少建(構(gòu))筑物由于地震而?造成的破壞，這就是建(構(gòu))筑物的抗震問(wèn)題。
1.1.1 地球的構(gòu)造
地球是一個(gè)略呈橢圓的球體，它的平均半徑約為6?400km。研究表明，地球是由性質(zhì)不同的三個(gè)層次構(gòu)成：最外層是薄薄的地殼，中間層是很厚的地幔，最里層是地核，如圖1.1所示。
地殼是由各種結(jié)構(gòu)不均勻、厚薄不一的巖層組成。在陸地上，陸地地殼除表面的沉積層外，主要由花崗巖層和玄武巖層組成，平均厚度為30～40km。在海洋中，海洋地殼一般只有玄武巖層，平均厚度為5～8km。地球上絕大部分地震都發(fā)生在地殼內(nèi)。
地幔主要是由質(zhì)地非常堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)比較均勻的橄欖巖組成。地殼與地幔的分界面叫莫霍面，莫霍面以下40～70km內(nèi)是一層巖石層，它與地殼共同組成巖石圈。巖石層以下存在一個(gè)厚度幾百千米的軟流層，該層物質(zhì)呈塑性狀態(tài)并具有黏彈性質(zhì)。巖石層與軟流層合稱上地幔。上地幔之下為下地幔，其物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)和上地幔差別不大，但物質(zhì)密度較大。
圖1.1 地球的構(gòu)造
地核是個(gè)半徑為3?500km的球體，可分為外核和內(nèi)核。地核的成分和狀態(tài)目前尚不清楚，據(jù)推測(cè)外核厚度約為2?100km，處于液態(tài)；內(nèi)核半徑約為1?400km，處于固態(tài)。地核構(gòu)成物質(zhì)主要是鎳和鐵。
到目前為止，所觀察到的地震深度最深為700km，比起地球半徑來(lái)僅占1/10，可見(jiàn)地震僅發(fā)生于地球的表面部分——地殼內(nèi)和地幔上部。
1.1.2 地震類型與成因
地震按照其成因可分為三種主要類型：火山地震、塌陷地震和構(gòu)造地震。
(1) 伴隨火山噴發(fā)或由于地下巖漿迅猛沖出地面引起的地面運(yùn)動(dòng)稱為火山地震。這類地震一般強(qiáng)度不大，影響范圍和造成的破壞程度均比較小，主要分布于環(huán)太平洋、地中海以及東非等地帶，其數(shù)量約占全球地震的7%。
(2) 地表或地下巖層由于某種原因陷落和崩塌引起的地面運(yùn)動(dòng)稱為塌陷地震。這類地震的發(fā)生主要由重力引起，地震釋放的能量與波及的范圍均很小，主要發(fā)生在具有地下溶洞或古舊礦坑地質(zhì)條件的地區(qū)，其數(shù)量約占全球地震的3%。
(3) 由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地下巖層斷裂或錯(cuò)動(dòng)引起的地面振動(dòng)稱為構(gòu)造地震。這類地震破壞性大、影響面廣，而且發(fā)生頻繁，絕大多數(shù)的強(qiáng)震均屬構(gòu)造地震。構(gòu)造地震為數(shù)最多，約占全球地震的90%以上。構(gòu)造地震一直是人們的主要研究對(duì)象，關(guān)于構(gòu)造地震的成因有多種學(xué)說(shuō)，這里主要介紹斷層說(shuō)和板塊構(gòu)造說(shuō)。
構(gòu)造地震成因的局部機(jī)制可以用地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)明。地球內(nèi)部處于不斷運(yùn)動(dòng)之中，地幔物質(zhì)發(fā)生對(duì)流釋放能量，使得地殼巖石層處在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用之下，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，原始水平狀的巖層發(fā)生形變：當(dāng)?shù)貞?yīng)力只能使巖層產(chǎn)生彎曲而未喪失其連續(xù)性時(shí)，巖層發(fā)生褶皺；當(dāng)巖層變形積累的應(yīng)力超過(guò)本身強(qiáng)度極限時(shí)，巖層就發(fā)生突然斷裂和猛烈錯(cuò)動(dòng)，巖層中原先積累的應(yīng)變能全部釋放，并以彈性波的形式傳到地面，地面隨之振動(dòng)，形成地震，如圖1.2所示。
圖1.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震形成示意圖
構(gòu)造地震成因的宏觀背景可以借助板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)來(lái)解釋。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)認(rèn)為，地殼和地幔之間厚70～100km的巖石組成的全球巖石圈由大大小小的板塊組成，類似一個(gè)破裂后仍連在一起的蛋殼，板塊下面是塑性物質(zhì)構(gòu)成的軟流層。軟流層中的地幔物質(zhì)以巖漿活動(dòng)的形式涌出海嶺，推動(dòng)軟流層上的大洋板塊在水平方向移動(dòng)，并在海溝附近向大陸板塊之下俯沖，返回軟流層。這樣在海嶺和海溝之間便形成地幔對(duì)流，海嶺形成于對(duì)流上升區(qū)，海溝形成于對(duì)流下降區(qū)(見(jiàn)圖1.3)。
圖1.3 板塊運(yùn)動(dòng)
全球巖石圈可以分為六大板塊，即歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印度洋板塊和南極板塊(見(jiàn)圖1.4)。各板塊由于地幔對(duì)流而互相擠壓、碰撞，地球上的主要地震帶就分布在這些大板塊的交界地區(qū)及附近，僅有15%左右發(fā)生于板塊內(nèi)部。
圖1.4 全球大板塊劃分示意圖
1.1.3 地震波
地震引起的振動(dòng)以波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量，這就是地震波。它包含在地球內(nèi)部傳播的體波和只限于在地球表面?zhèn)鞑サ拿娌ā５卣鸩ㄊ且环N彈性波。
體波包括縱波和橫波兩種。縱波是由震源向外傳播的疏密波，其介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向一致，從而使介質(zhì)不斷地壓縮和疏松，故也稱壓縮波或疏密波。如在空氣中傳播的聲波就是一種縱波。縱波?的特點(diǎn)是周期較短、振幅較小、傳播速度快，在地殼內(nèi)它的速度一般為200～1?400m/s。
橫波是由震源向外傳播的剪切波，其介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向相垂直，亦稱剪切波。橫波的周期較長(zhǎng)、振幅較大、傳播速度較慢，在地殼內(nèi)它的速度一般為100～800m/s(見(jiàn)圖1.5)。還應(yīng)指出，橫波只能在固體內(nèi)傳播，而縱波在固體和液體內(nèi)都能傳播。
圖1.5 體系質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形式
根據(jù)彈性理論，縱波的傳播速度與橫波的傳播速度可分別按式(1.1)和式(1.2)計(jì)算：
(1.1)
(1.2)
式中：——介質(zhì)的彈性模量；
——介質(zhì)的剪切模量；
——介質(zhì)的密度；
——介質(zhì)的泊松比。
在一般情況下，當(dāng)時(shí)，從式(1.1)和式(1.2)可得：
(1.3)
由此可見(jiàn)，縱波的傳播速度要比橫波的傳播速度快，所以在儀器的觀測(cè)記錄紙上，縱波一般都先于橫波到達(dá)。因此，通常又把縱波叫作P波(即初波)，把橫波叫作S波(即次波)。根據(jù)P波和S波到達(dá)的時(shí)間差，可確定震源的距離。
研究表明，體波在地球中的傳播速度將隨深度的增加而加快(見(jiàn)圖1.6)，并且由于地球的層狀構(gòu)造特點(diǎn)，體波通過(guò)分層介質(zhì)?時(shí)，將會(huì)在界面上反復(fù)發(fā)生反射和折射。當(dāng)體波經(jīng)過(guò)地層界面的?多次反射和折射后投射到地面時(shí)，又激起兩種僅沿地面?zhèn)鞑サ?面波，即瑞雷波(R波)和洛夫波(L波)。瑞雷波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在?波的傳播方向和地面法向所組成的平面內(nèi)(xz平面)做與波前進(jìn)方向相反的橢圓形運(yùn)動(dòng)，而與該平面垂直的水平方向(y方向)沒(méi)有振動(dòng)，故瑞雷波在地面上呈滾動(dòng)形式(見(jiàn)圖1.7(a))。瑞雷波振幅隨著距地面深度增加而急劇減小，這可能是地震時(shí)地下建筑物比地上建筑物受害較輕的一個(gè)原因。洛夫波傳播時(shí)將使質(zhì)點(diǎn)在地平面內(nèi)做與波前進(jìn)方向相垂直的水平方向(y方向)的運(yùn)動(dòng)，即在地面上呈蛇形運(yùn)動(dòng)形式(見(jiàn)圖1.7(b))。洛夫波也隨著深度的增加而不斷衰減。
圖1.6 體波在地球內(nèi)傳播速度的變化 圖1.7 面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形式
面波振幅大、周期長(zhǎng)，只能在地表附近傳播，比體波衰減慢，故能傳播到很遠(yuǎn)的地方。
綜上所述，地震波的傳播以縱波最快，剪切波次之，面波最慢。所以在任意一地震波的記錄圖(見(jiàn)圖1.8)上，縱波總是最先到達(dá)，剪切波次之，面波到達(dá)最晚。然而就振幅而言，面波卻最大。由于面波的能量要比體波大，所以造成建筑物和地表破壞的以面波為主。大量震害調(diào)查表明，一般建筑物的震害主要是由水平振動(dòng)引起，因此，由體波和面波共同引起的水平地震作用通常是最主要的地震作用。從圖1.8中還可看出，這三種波到達(dá)之間有一相對(duì)穩(wěn)定區(qū)段，穩(wěn)定區(qū)段的時(shí)間間隔隨觀測(cè)點(diǎn)至震源之間距離的減小而縮短。?在震中區(qū)，由于震源機(jī)制和地面擾動(dòng)的復(fù)雜性，三種波的波列幾乎是難以區(qū)分的。
圖1.8 地震波記錄圖
1.1.4 地震強(qiáng)度
1. 震級(jí)
地震強(qiáng)度通常用震級(jí)和烈度等反映。震級(jí)是表示一次地震本身強(qiáng)弱程度和大小的尺度。目前，國(guó)際上比較通用的是里氏震級(jí)，其原始定義是在1935年由里克特(C．F. Richter)給出，即地震震級(jí)M為：
(1.4)
式中，A為標(biāo)準(zhǔn)地震儀(指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數(shù)為0.8，放大倍數(shù)為2?800倍的地震儀)在距震中100km處記錄的以微米(1?m=10-6m)為單位的最大水平地動(dòng)位移(單振幅)。實(shí)際上，地震時(shí)距震中恰好100km處不一定設(shè)置了地震儀，且觀測(cè)點(diǎn)也不一定采用上述的標(biāo)準(zhǔn)地震儀。因此，對(duì)于距震中的距離不是 100km，且采用了非標(biāo)準(zhǔn)地震儀所確定的震級(jí)，尚需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚攀撬蟮慕Y(jié)果。
震級(jí)表示一次地震釋放能量的多少，也是表示地震強(qiáng)度大小的指標(biāo)，所以一次地震只有一個(gè)震級(jí)。各種不同的震級(jí)M與地震釋放能量E(爾格)之間有如下的關(guān)系：
(1.5)
由式(1.5)計(jì)算得知，震級(jí)相差一級(jí)，能量就要相差32倍之多。一次6級(jí)地震所釋放的能量，相當(dāng)于一個(gè)2萬(wàn)噸級(jí)的原子彈爆炸所產(chǎn)生的能量。
一般來(lái)說(shuō)，小于2級(jí)的地震，人們是感覺(jué)不到的，只有儀器才能記錄下來(lái)，因此稱為微震；2～4級(jí)地震人就能感覺(jué)到了，故叫作有感地震；5級(jí)以上的地震就能引起不同程度的破壞，稱為破壞性地震；7級(jí)以上的地震則稱為強(qiáng)烈地震或大震；8級(jí)以上的地震稱為特大地震。據(jù)1935年提出震級(jí)測(cè)算方法后，1960年5月發(fā)生在智利的8.5級(jí)地震，是記錄到的世界最大震級(jí)地震，它所釋放出來(lái)的地震能量是空前的，其引起的海嘯規(guī)模巨大、地面形狀變化非常顯著，破壞性之大在世界地震史上是十分罕見(jiàn)的。
2. 地震烈度和地震烈度表
1) 地震烈度
地震烈度是指地震時(shí)某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強(qiáng)弱程度。一次同樣大小的地震，若震源深度、離震中的距離和土質(zhì)條件等因素不同，則對(duì)地面和建筑物的破壞也不相同。這時(shí)，若僅用地震震級(jí)來(lái)表示地震震動(dòng)的強(qiáng)度，還不足以區(qū)別地面和建筑物破壞輕重的程度。雖然一次地震只有一個(gè)震級(jí)，但距離震中不同的地點(diǎn)，地震的影響是不一樣的，即地震烈度不同。一般來(lái)說(shuō)，離震中愈近，地震影響愈大，地震烈度愈高；離震中愈遠(yuǎn)，地震烈度就愈低。
2) 地震烈度表
用什么尺度衡量地震烈度？在沒(méi)有儀器觀測(cè)的年代，只能由地震宏觀現(xiàn)象，如人的感覺(jué)、器物的反應(yīng)、地表和建筑物的影響和破壞程度等，總結(jié)出宏觀烈度表來(lái)評(píng)定地震烈度。我國(guó)早期的《新中國(guó)地震烈度表》(1957)就屬于這種宏觀烈度表。由于宏觀烈度表未能提供定量指標(biāo)，因此不能直接用于工程抗震設(shè)計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)震儀的問(wèn)世，使人們有可能記錄到地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值、速度峰值來(lái)定義地震烈度，從而出現(xiàn)了含有物理指標(biāo)的定量烈度表。由于不可能隨處取得地震儀記錄，因此，用定量烈度表評(píng)定地震現(xiàn)場(chǎng)的地震烈度還有一定困難。比較好的方法是將兩種烈度表結(jié)合起來(lái)，使之兼有兩種功能，以便工程應(yīng)用。
1999年由國(guó)家地震局頒布實(shí)施的GB/T 17742—1999《中國(guó)地震烈度表》，就屬于將宏觀烈度與地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)建立起聯(lián)系的地震烈度表。所以，該烈度表既有定性的宏觀標(biāo)志，又有定量的物理標(biāo)志，兼具宏觀烈度表和定量烈度表的功能。《中國(guó)地震烈度表》自發(fā)布實(shí)施以來(lái)，在地震烈度評(píng)定中發(fā)揮了重要作用。由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鄉(xiāng)房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，抗震設(shè)防的建筑比例在不斷的增加。因此，中國(guó)地震局對(duì)GB/T 17742—1999《中國(guó)地震烈度表》進(jìn)行了修訂，并由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了新的GB/T 17742—2008《中國(guó)地震烈度表》，見(jiàn)表1.1。
表1.1 中國(guó)地震烈度表
地震
烈度
人的感覺(jué)
房屋震害
其他震害現(xiàn)象
水平向的震動(dòng)參數(shù)
類型
震害程度
平均震害
指數(shù)
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅰ
無(wú)感
—
—
—
—
—
—
Ⅱ
室內(nèi)個(gè)別靜止中的人有感覺(jué)
—
—
—
—
—
—
Ⅲ
室內(nèi)少數(shù)靜止中的人有感覺(jué)
—
門(mén)、窗輕微
作響
—
懸掛物微動(dòng)
—
—
Ⅳ
室內(nèi)多數(shù)人、室外少數(shù)人有感覺(jué)，少數(shù)人夢(mèng)中驚醒
—
門(mén)、窗作響
—
懸掛物明顯擺動(dòng)，器皿作響
—
—
Ⅴ
室內(nèi)絕大多數(shù)、室外多數(shù)人有感覺(jué)，多數(shù)人夢(mèng)中驚醒
門(mén)窗、屋頂、屋架顫動(dòng)作響，灰土掉落，個(gè)別房屋墻體抹灰出現(xiàn)細(xì)微裂縫，個(gè)別屋頂煙囪掉磚
—
懸掛物大幅度晃動(dòng)，不穩(wěn)定器物搖動(dòng)或翻倒
0.31
(0.22～0.44)
0.03
(0.02～0.04)
Ⅵ
多數(shù)人站立不穩(wěn)，少數(shù)人驚逃戶外
A
少數(shù)中等破壞，多數(shù)輕微破壞和/或基本完好
0.00～0.11家具和物品移動(dòng)；河岸和松軟土出現(xiàn)裂縫，飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水；個(gè)別獨(dú)立磚煙囪出現(xiàn)輕度裂縫
0.63
(0.45～0.89)
0.06
(0.05～0.09)
B
個(gè)別中等破壞，少數(shù)輕微破壞，多數(shù)基本完好
C
個(gè)別輕微破壞，大多數(shù)基本完好
0.00～0.08
續(xù)表
地震
烈度
人的感覺(jué)
房屋震害
其他震害現(xiàn)象
水平向地震動(dòng)參數(shù)
類型
震害程度
平均震害
指數(shù)
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅶ
大多數(shù)人驚逃戶外，騎自行車(chē)的人有感覺(jué)，行駛中的汽車(chē)駕乘人員有感覺(jué)
A
少數(shù)毀壞和/ 或嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等破壞和/或輕微破壞
0.09～0.31
物體從架子上掉落；河岸出現(xiàn)塌方，飽和砂層常見(jiàn)噴水冒砂，松軟土地上的裂縫較多；大多數(shù)獨(dú)立磚煙囪中等破壞
1.25
(0.90～1.77)
0.13
(0.10～0.18)
B
少數(shù)中等破壞，多數(shù)輕微破壞和/或基本完好
C
少數(shù)中等和/ 或輕微破壞，多數(shù)基本完好
0.07～0.22
Ⅷ
多數(shù)人搖晃顛簸，行走困難
A
少數(shù)毀壞，多數(shù)嚴(yán)重和/ 或中等破壞
0.29～0.51
干硬土上亦出現(xiàn)裂縫, 飽和砂層絕大多數(shù)噴砂冒水；大多數(shù)獨(dú)立磚煙囪嚴(yán)重破壞
2.50
(1.78～3.53)
0.25
(0.19～0.35)
B
個(gè)別毀壞，少數(shù)嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞
C
少數(shù)嚴(yán)重和/ 或中等破壞，多數(shù)輕微破壞
0.20～0.40
Ⅸ
行動(dòng)的人摔倒
A
多數(shù)嚴(yán)重破壞和/或毀壞
0.49～0.71
干硬土上多處出現(xiàn)裂縫，可見(jiàn)基巖裂縫、錯(cuò)動(dòng)，滑坡、塌方常見(jiàn)；獨(dú)立磚煙囪多數(shù)倒塌
5.00
(3.54～7.07)
0.50
(0.36～0.71)
B
少數(shù)毀壞，多數(shù)嚴(yán)重和/ 或中等破壞
續(xù)表
地震
烈度
人的感覺(jué)
房屋震害
其他震害現(xiàn)象
水平向地震動(dòng)參數(shù)
類型
震害程度
平均震害
指數(shù)
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅸ
行動(dòng)的人摔倒
C
少數(shù)毀壞和/ 或嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等和/ 或輕微破壞
0.38～0.60
Ⅹ
騎自行車(chē)的人會(huì)摔倒，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的人會(huì)摔離原地，有拋起感
A
絕大多數(shù)毀壞
0.69～0.91
山崩和地震斷裂出現(xiàn)，基巖上拱橋破壞；大多數(shù)獨(dú)立磚煙囪從根部破壞或倒毀
10.00
(7.08～14.14)
1.00
(0.72～1.41)
B
大多數(shù)毀壞
C
多數(shù)毀壞和/或嚴(yán)重破壞
0.58～0.80
Ⅺ
—
A
絕大多數(shù)毀壞
0.89～1.00
地震斷裂延續(xù)很長(zhǎng)；大量山崩滑坡
—
—
B
C
0.78～1.00
Ⅻ
A
幾乎全部毀壞
1.00
地面劇烈變化，山河改觀
—
—
B
C
注：表中給出的“峰值加速度”和“峰值速度”是參考值，括弧內(nèi)給出的是變動(dòng)范圍。
地震烈度表具體說(shuō)明如下。
(1) 評(píng)定烈度指標(biāo)。新的烈度表規(guī)定了地震烈度的評(píng)定烈度指標(biāo)，包括人的感覺(jué)、房屋震害程度、其他震害現(xiàn)象、水平向的震動(dòng)參數(shù)。
(2) 數(shù)量詞的界定。數(shù)量詞采用個(gè)別、少數(shù)、多數(shù)、大多數(shù)和絕大多數(shù)，其范圍界定如下。
① “個(gè)別”為10%以下；
② “少數(shù)”為10%～45%；
③ “多數(shù)”為40%～70%；
④ “大多數(shù)”為60%～90%；
⑤ “絕大多數(shù)”為80%以上。
(3) 評(píng)定烈度的房屋類型。用于評(píng)定烈度的房屋，包括以下三種類型。
①??A類，木構(gòu)架和土、石、磚墻建造的舊式房屋；
③??B類，未經(jīng)抗震設(shè)防的單層或多層磚砌體房屋；
④??C類，按照Ⅶ度抗震設(shè)防的單層或多層磚砌體房屋。
(4) 房屋破壞等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)。房屋破壞等級(jí)分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞等5類，其定義和對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)d如下。
① 基本完好。承重和非承重構(gòu)件完好，或個(gè)別非承重構(gòu)件輕微損壞，不加修理可繼續(xù)使用。對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)范圍為0.00≤d＜0.10。
② 輕微破壞。個(gè)別承重構(gòu)件出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，非承重構(gòu)件有明顯裂縫，不需要修理或稍加修理即可繼續(xù)使用。對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)范圍為0.10≤d＜0.30。
③ 中等破壞。多數(shù)承重構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，部分有明顯裂縫，個(gè)別非承重構(gòu)件破壞嚴(yán)重，需要一般修理后可使用。對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)范圍為0.30≤d＜0.55。
④ 嚴(yán)重破壞。多數(shù)承重構(gòu)件破壞較嚴(yán)重，非承重構(gòu)件局部倒塌，房屋修復(fù)困難。對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)范圍為0.55≤d＜0.85。
⑤ 毀壞。多數(shù)承重構(gòu)件嚴(yán)重破壞，房屋結(jié)構(gòu)瀕于崩潰或已倒毀，已無(wú)修復(fù)可能。對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)范圍為0.85≤d＜1.00。
各類房屋平均震害指數(shù)D可按式(1.6)計(jì)算：
(1.6)
式中：——房屋破壞等級(jí)為i的震害指數(shù)；
——破壞等級(jí)為i的房屋破壞比，用破壞面積與總面積之比或破壞棟數(shù)與總棟數(shù)之比表示。
(5) 地震烈度。評(píng)定地震烈度時(shí)，Ⅰ～Ⅴ度應(yīng)以地面上以及底層房屋中人的感覺(jué)和其他震害現(xiàn)象為主；Ⅵ～Ⅹ度應(yīng)以房屋震害為主，參照其他震害現(xiàn)象，當(dāng)用房屋震害程度與平均震害指數(shù)評(píng)定結(jié)果不同時(shí)，應(yīng)以震害程度評(píng)定結(jié)果為主，并綜合考慮不同類型房屋的平均震害指數(shù)；Ⅺ度和Ⅻ度應(yīng)綜合房屋震害和地表震害現(xiàn)象。
(6) 以下三種情況的地震烈度評(píng)定結(jié)果應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。
① 當(dāng)采用高樓上人的感覺(jué)和器物反應(yīng)評(píng)定地震烈度時(shí)，適當(dāng)降低評(píng)定值。
② 當(dāng)采用低于或高于Ⅶ度抗震設(shè)計(jì)房屋的震害程度和平均震害指數(shù)評(píng)定地震烈度時(shí)，適當(dāng)降低或提高評(píng)定值。
③ 當(dāng)采用建筑質(zhì)量特別差或特別好房屋的震害程度和平均震害指數(shù)評(píng)定地震烈度時(shí)，適當(dāng)降低或提高評(píng)定值。
(7) 當(dāng)計(jì)算的平均震害指數(shù)值位于表1.1中地震烈度對(duì)應(yīng)的平均震害指數(shù)重疊搭接區(qū)間時(shí)，可參照其他判別指標(biāo)和震害現(xiàn)象綜合判定地震烈度。
(8) 農(nóng)村可按自然村，城鎮(zhèn)可按街區(qū)為單位進(jìn)行地震烈度評(píng)定，面積以1km2 為宜。
(9) 當(dāng)有自由場(chǎng)地強(qiáng)震動(dòng)記錄時(shí)，水平向的震動(dòng)峰值加速度和峰值速度可作為綜合評(píng)定地震烈度的參考指標(biāo)。
3. 震級(jí)和震中烈度
震級(jí)與烈度是兩個(gè)不同的概念，震級(jí)表示一次地震釋放能量的大小，烈度表示某地區(qū)遭受地震影響的強(qiáng)弱程度。兩者關(guān)系可用炸彈爆炸來(lái)解釋，震級(jí)好比是炸彈的裝藥量，烈度則是炸彈爆炸后造成的破壞程度。所以一次地震震級(jí)只有一個(gè)，但烈度可以有很多個(gè)。
震級(jí)和烈度只在特定條件下存在大致對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于淺源地震(震源深度在10～30km)，震中烈度與震級(jí)M之間有如下對(duì)照關(guān)系(見(jiàn)表1.2)。
表1.2 震中烈度I0與震級(jí)M之間對(duì)照關(guān)系
震級(jí)M
2
3
4
5
6
7
8
8以上
震中烈度I0
1～2
3
4～5
6～7
7～8
9～10
11
12
1.1.5 常用術(shù)語(yǔ)
震源深度：震中到震源的垂直距離，稱為震源深度(見(jiàn)圖1.9)。
一般把震源深度小于60km的地震稱為淺源地震；60～300km的稱為中源地震；大于300km的稱為深源地震。我國(guó)發(fā)生的絕大部分地震都屬于淺源地震，一般深度為5～40km。
震中距：建筑物到震中之間的距離叫震中距。
極震區(qū)：在震中附近，振動(dòng)最劇烈、破壞最嚴(yán)重的地區(qū)叫極震區(qū)。
等震線：一次地震中，在其所波及的地區(qū)內(nèi)，用烈度表可以對(duì)每一個(gè)地點(diǎn)評(píng)估出一個(gè)烈度，烈度相同點(diǎn)的外?包線叫等震線。
1.2 地震活動(dòng)與地震分布
1.2.1 世界地震活動(dòng)
由上述可知，地震的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，巖層中原來(lái)已有斷裂存在，致使巖石的強(qiáng)度較?低，容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或產(chǎn)生新的斷裂，也就容易發(fā)生地震。特別是在活動(dòng)性較大的斷裂帶的兩端和拐角部位、兩條活動(dòng)斷層的交匯處以及現(xiàn)代斷裂差異運(yùn)動(dòng)變化劇烈的大型隆起或凹陷的轉(zhuǎn)換地帶，這些部位的地應(yīng)力比較集中，構(gòu)造比較脆弱，往往容易發(fā)生地震。
20世紀(jì)初，科學(xué)家們?cè)诒樵L各大洲、進(jìn)行宏觀地震資料調(diào)查的基礎(chǔ)上，編制了世界地震活動(dòng)圖。隨后，又?根據(jù)各地震臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)編出了較精確的世界地震分布圖，如圖1.10所示。從這些圖中可以清楚地看到，小地震幾乎到處都?有，大地震則主要發(fā)生在某些地區(qū)，即地球上的兩個(gè)主要地震帶。
(1) 環(huán)太平洋地震帶。全球約80%淺源地震和90%的中深源地震，以及幾乎所有的深源地震都集中在這一地帶。它沿南北美洲西海岸、阿留申群島，轉(zhuǎn)向西南到日本列島，再經(jīng)我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，到達(dá)菲律賓、新幾內(nèi)亞和?新西蘭。
(2) 歐亞地震帶。除分布在環(huán)太平洋地震活動(dòng)帶的中深源地震以外，幾乎所有其他中深源地震和一些大的淺源地震都發(fā)生在這一地震活動(dòng)帶，這一活動(dòng)帶內(nèi)的震中分布大致與山脈的走向一致。它西起大西洋的亞速島，經(jīng)意大利、土耳其、伊朗、印度北部、我國(guó)西部和西南地區(qū)，過(guò)緬甸至印度尼西亞與上述環(huán)太平洋地震帶?相銜接。
除了上述兩條主要地震帶以外，在大西洋、太平洋、印度洋中也有一些洋脊地震帶，沿著海洋底部隆起的山脈延伸。這些地震帶與人類活動(dòng)關(guān)系不大，地震發(fā)生的次數(shù)在地震總數(shù)中占的比例亦不高。對(duì)比板塊劃分圖(見(jiàn)圖1.10)可知，上述地震帶大多數(shù)位于板塊邊緣，或者鄰近板塊邊緣。
圖1.10 世界地震帶分布示意圖
1.2.2 我國(guó)地震活動(dòng)
我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個(gè)多地震國(guó)家。從地震地質(zhì)背景看，我國(guó)存在發(fā)生頻繁地震的復(fù)雜地質(zhì)條件，因此，我國(guó)境內(nèi)地震活動(dòng)頻度較高、強(qiáng)度較大。圖1.11給出了我國(guó)歷史上震級(jí)大于5級(jí)的地震活動(dòng)分布。由圖可見(jiàn)，我國(guó)地震活動(dòng)呈帶狀分布，從中可以劃分10個(gè)地震區(qū)：臺(tái)灣地震區(qū)、南海地震區(qū)、華南地震區(qū)、華北地震區(qū)、東北地震區(qū)、青藏高原南部地震區(qū)、青藏高原中部地震區(qū)、青藏高原北部地震區(qū)、新疆中部地震區(qū)和新疆北部地震區(qū)。
圖1.11 我國(guó)地震活動(dòng)分布圖
臺(tái)灣地震區(qū)、南海地震區(qū)和華南地震區(qū)中的一部分屬環(huán)太平洋地震帶，是由太平洋板塊與亞歐板塊擠壓引起的，其中臺(tái)灣東部是我國(guó)地震活動(dòng)最強(qiáng)、頻率最高的地區(qū)。青藏高原南、中、北部地震區(qū)和新疆中、北部地震區(qū)屬亞歐地震帶，其活動(dòng)與印度洋板塊俯沖亞歐板塊的運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系，除青藏高原北部地震區(qū)外，均屬地震活動(dòng)程度強(qiáng)烈地區(qū)。華北地震區(qū)主要是古生代褶皺系統(tǒng)，由一系列大斷裂帶組成，是典型的板塊內(nèi)部地震區(qū)，近期活動(dòng)較為活躍。
1.2.3 我國(guó)嚴(yán)重的地震災(zāi)害
我國(guó)是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的國(guó)家之一。中國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，受太平洋板塊向西、印度洋板塊向北、歐洲向東等多向的推動(dòng)和擠壓，從而地震活動(dòng)活躍，具有分布廣、頻度高、強(qiáng)度大、震源淺的特點(diǎn)。從歷史上的地震情況來(lái)看，全國(guó)除個(gè)別省份外，大部分地區(qū)都發(fā)生過(guò)較強(qiáng)烈的破壞性地震。20世紀(jì)以來(lái)，根據(jù)地震儀器記錄資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已發(fā)生6級(jí)以上地震700多次，其中7.0～7.9級(jí)地震近100次，8級(jí)及8級(jí)以上11次，見(jiàn)表1.3。
表1.3 20世紀(jì)以來(lái)發(fā)生在我國(guó)的11次8級(jí)以上強(qiáng)震統(tǒng)計(jì)表
序 號(hào)
發(fā)震時(shí)間
地震名稱
震級(jí)(M)
1
1902.8.22
新疆阿圖什
8.3
2
1906.12.23
新疆瑪納斯
8.0
3
1920.6.5
臺(tái)灣花蓮東南海中
8.0
4
1920.12.16
寧夏海原
8.5
5
1927.5.23
甘肅古浪
8.0
6
1931.8.31
新疆富蘊(yùn)
8.0
7
1950.8.15
西藏察隅、墨脫間
8.5
8
1951.11.18
西藏當(dāng)雄西北
8.0
9
1972.1.25
臺(tái)灣新港東海中
8.0
10
2001.11.14
青新交界
8.2
11
2008.5.12
汶川地震
8.0
強(qiáng)烈的地震活動(dòng)使我國(guó)成為世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。1949年以來(lái)，100多次破壞性地震襲擊了我國(guó)22個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)，造成34萬(wàn)余人喪生，占全國(guó)各類災(zāi)害死亡人數(shù)的54%以上。地震作為我國(guó)第一大自然災(zāi)害，與其他自然災(zāi)害一起構(gòu)成我國(guó)最基本的國(guó)情之一。
例如，1976年唐山大地震和2008年汶川大地震，這兩次地震導(dǎo)致的死亡人數(shù)之和占到新中國(guó)成立以來(lái)地震死亡人數(shù)的85%以上。
北京時(shí)間1976年7月28日凌晨3時(shí)42分，在河北省唐山市(北緯39.6°，東經(jīng)118.1°)發(fā)生了7.8級(jí)強(qiáng)烈地震，極震區(qū)烈度高達(dá)Ⅺ度，使唐山這座人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的工業(yè)城市幾乎淪為一片廢墟。根據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，這次地震毀壞公產(chǎn)房屋1?479萬(wàn)m2，倒塌民房530萬(wàn)間，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)到54億元，總損失估計(jì)超過(guò)100億元。另外，該次地震共導(dǎo)致24.2萬(wàn)人死亡，16.4萬(wàn)人受重傷，僅唐山市區(qū)終身殘疾的就達(dá)到1?700多人，是新中國(guó)成立以來(lái)人員傷亡最為慘重的一次地震。
北京時(shí)間2008年5月12日14時(shí)28分，四川省汶川縣(北緯31.0°，東經(jīng)103.4°)發(fā)生了8.0級(jí)特大地震，極震區(qū)烈度也高達(dá)Ⅺ度。這次地震影響范圍極大，超過(guò)40萬(wàn)km2，其中嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)到10萬(wàn)km2。地震造成大面積的基礎(chǔ)設(shè)施、建筑工程損壞和垮塌，并且由于四川省特殊的地形地貌和山地特征，導(dǎo)致嚴(yán)重的次生地質(zhì)災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該次地震中死亡69?227人，失蹤17?933人，374?643人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到8?451億元人民幣。汶川大地震作為新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、涉及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的一次地震，將會(huì)被歷史永遠(yuǎn)銘記。
北京時(shí)間2010年4月14日清晨，青海省玉樹(shù)縣(北緯33.1°，東經(jīng)96.6°)發(fā)生兩次地震，最高震級(jí)7.1級(jí)，造成了縣城結(jié)古鎮(zhèn)多數(shù)民居倒塌或發(fā)生嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致2?220人遇難，70人失蹤。玉樹(shù)地震是汶川大地震以來(lái)我國(guó)發(fā)生的又一次嚴(yán)重的地震災(zāi)害，再次給我們敲響了防御地震災(zāi)害的警鐘，提醒我們當(dāng)前的抗震防災(zāi)形勢(shì)依然嚴(yán)峻。
1.3 地震的破壞作用
1.3.1 地表的破壞現(xiàn)象
1. 地裂縫
在強(qiáng)烈地震作用下，常常會(huì)在地面產(chǎn)生裂縫。根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理不同，地裂縫分為重力地裂縫和構(gòu)造地裂縫兩種。重力地裂縫是由于在強(qiáng)烈地震作用下，地面做劇烈震動(dòng)而引起的慣性力超過(guò)了土的抗剪強(qiáng)度所致。這種裂縫長(zhǎng)度可由幾米到幾十米，其斷續(xù)總長(zhǎng)度可達(dá)幾千米，但一般都不深，多為1～2m。圖1.12為唐山地震中出現(xiàn)的重力地裂縫的狀態(tài)。構(gòu)造地裂縫是地殼深部斷層錯(cuò)動(dòng)延伸至地面而出現(xiàn)的裂縫。美國(guó)舊金山大地震圣安德烈斯斷層的巨大水平位移，就是現(xiàn)代可見(jiàn)斷層形成的構(gòu)造地裂縫。
2. 噴砂冒水
在地下水位較高、砂層埋深較淺的平原地區(qū)，地震時(shí)由于地震波的強(qiáng)烈振動(dòng)使地下水壓力急劇增高，地下水經(jīng)地裂縫或土質(zhì)松軟的地方冒出地面，當(dāng)?shù)乇硗翆訛樯皩踊蚍弁翆訒r(shí)，則地下水夾帶著砂土或粉土一起噴出地表，形成噴砂冒水現(xiàn)象(見(jiàn)圖1.13)。噴砂冒水現(xiàn)象一般要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重的地方可造成房屋不均勻下沉或上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。
?圖1.12 唐山大地震地裂縫 ? 圖1.13 噴砂冒水
3. 地面下沉(震陷)
在強(qiáng)烈地震作用下，地面往往會(huì)發(fā)生震陷，使建筑物破壞。
4. 河岸、陡坡滑坡
在強(qiáng)烈地震作用下，常引起河岸、陡坡滑坡(見(jiàn)圖1.14)，規(guī)模很大時(shí)，會(huì)造成堰塞湖(見(jiàn)圖1.15)，引起公路堵塞、岸邊建筑物破壞等。
圖1.14 汶川地震滑坡 圖1.15 汶川地震形成的堰塞湖
1.3.2 建筑物的破壞
在強(qiáng)烈地震作用下，各類建筑物會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，按其破壞的形態(tài)及直接原因，可分為以下幾類。
1. 結(jié)構(gòu)喪失整體性
房屋建筑或其他構(gòu)筑物都是由許多構(gòu)件組成的，在強(qiáng)烈地震作用下，構(gòu)件連接不牢，支撐長(zhǎng)度不夠或支撐失效等都會(huì)使結(jié)構(gòu)喪失整體性而被破壞。圖1.16為2005年3月20日日本福岡縣以西海域發(fā)生里氏7級(jí)地震，建筑結(jié)構(gòu)的整體性破壞。
2. 承重結(jié)構(gòu)承載力不足引起破壞
任何承重構(gòu)件都有其各自的特定功能，以適用于承受一定的外力作用。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮抗震設(shè)防或抗震設(shè)防不足的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)烈地震作用下，不僅構(gòu)件內(nèi)力增大很多，而且其受力性質(zhì)往往也將改變，致使構(gòu)件承載力不足而被破壞。圖1.17所示為某房屋在地震中承重構(gòu)件強(qiáng)度不足遭受破壞的情況。
圖1.16 結(jié)構(gòu)喪失整體性破壞 圖1.17 承重構(gòu)件強(qiáng)度不足破壞
3. 地基失效
當(dāng)建筑物地基內(nèi)含飽和砂層、粉土層時(shí)，在強(qiáng)烈地面運(yùn)動(dòng)作用下，土中孔隙水壓力急劇增高，致使地基土發(fā)生液化，地基承載力下降，甚至完全喪失，從而導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)遭受破壞(見(jiàn)圖1.18)。
圖1.18 日本新潟砂土液化導(dǎo)致地基喪失承載力
1.3.3 次生災(zāi)害
地震除直接造成建筑物的破壞外，還可能引起火災(zāi)、水災(zāi)、污染等嚴(yán)重的次生災(zāi)害，有時(shí)比地震直接造成的損失還大。在城市，尤其是在大城市這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。例如，1995年1月17日發(fā)生的日本阪神大地震，引起火災(zāi)有122起之多，不少建筑物倒塌后又被烈火包圍，烈焰熊熊，濃煙遮天蔽日，火勢(shì)入夜不減，這給救援工作帶來(lái)很大困難，如圖1.19所示。又如，1923年日本關(guān)東大地震，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該次地震震倒房屋13萬(wàn)棟。由于地震時(shí)正值中午做飯時(shí)間，故許多地方同時(shí)起火，自來(lái)水管普遍遭到破壞，而道路又被堵塞，致使大火蔓延，燒毀房屋達(dá)45萬(wàn)棟之多。1906年美國(guó)舊金山大地震，在震后的三天火災(zāi)中，共燒毀521個(gè)街區(qū)的28?000幢建筑物，使已被震壞但仍未倒塌的房屋，又被大火夷為一片廢墟。1960年發(fā)生在海底的智利大地震引起的海嘯災(zāi)害除吞噬了智利中、南部沿海房屋外，海浪還從智利沿大海以每小時(shí)640km的速度橫掃太平洋，22h之后，高達(dá)4m的海浪又襲擊了距智利17?000km遠(yuǎn)的日本，在本州和北海道，海港和碼頭建筑遭到嚴(yán)重的破壞，甚至連巨船也被拋上陸地。再如，2005年12月26日上午，印度尼西亞蘇立門(mén)答臘島附近海域發(fā)生了一場(chǎng)近百年來(lái)罕見(jiàn)的強(qiáng)烈地震。此次地震的震級(jí)高達(dá)里氏8.7級(jí)，引起的高達(dá)10m的海嘯向附近的東南亞國(guó)家沿海地區(qū)呼嘯而去。地震和隨之而來(lái)的海嘯造成了極其嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，據(jù)報(bào)道，印度、斯里蘭卡等7個(gè)國(guó)家有近30萬(wàn)人遇難。北京時(shí)間2011年3月11日13時(shí)46分，在日本東北部海岸(北緯38.1度，東經(jīng)142.6度)發(fā)生里氏9.0級(jí)地震，震源深度約32千米。地震引發(fā)的巨大海嘯于震后15min抵達(dá)日本沿岸，并在隨后數(shù)小時(shí)內(nèi)襲擊海岸區(qū)，如圖1.20所示。據(jù)日本警察廳統(tǒng)計(jì)，截至2011年4月28日，地震和海嘯共造成日本14?564人死亡、11?356人失蹤以及5?314人不同程度受傷，接近20萬(wàn)棟建筑物受損，其中絕大部分由海嘯造成，為日本“二戰(zhàn)”后傷亡最慘重的自然災(zāi)害。海嘯沖至陸地的最高點(diǎn)被確定為37.9m，如圖1.20所示。
圖1.19 阪神地震火災(zāi) 圖1.20 日本海嘯
1.4 建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防
1.4.1 抗震設(shè)防依據(jù)
1. 基本烈度和地震動(dòng)參數(shù)
強(qiáng)烈地震是一種破壞性很大的自然災(zāi)害，它的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性，采用概率方法預(yù)測(cè)某地區(qū)未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的最大烈度是具有實(shí)際意義的，因此，國(guó)家有關(guān)部門(mén)提出了基本烈度的概念，并編制了《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖(1990)》，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)已由國(guó)家地震局和建設(shè)部于1992年6月頒布實(shí)施。該圖用基本烈度表示地震危險(xiǎn)性，把全國(guó)劃分為基本烈度不同的5個(gè)地區(qū)(見(jiàn)圖1.21)，一個(gè)地區(qū)的基本烈度是指：50年期限內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭受超越概率為10%的烈度值。
圖1.21 中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖
《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖(1990)》采用地震烈度作為編圖參數(shù)，而此時(shí)的工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)早已進(jìn)入反應(yīng)譜階段，即其設(shè)計(jì)基本依據(jù)是場(chǎng)地相關(guān)地震反應(yīng)譜，而用單一的烈度參數(shù)難以構(gòu)成設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。目前許多國(guó)家采用地震動(dòng)峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期雙參數(shù)進(jìn)行地震區(qū)劃，可以較容易地形成抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。
近年來(lái)隨著我國(guó)地震研究的不斷深入，對(duì)《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖(1990)》進(jìn)行了修訂，已于2001年8月頒布了GB 18306—2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》。該區(qū)劃圖根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析方法，提供了Ⅱ類場(chǎng)地上，50年超越概率為10%的地震動(dòng)參數(shù)，給出了地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)圖和地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)圖。地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)圖分為7個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖1.22)，與中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖相比，多出了加速度值為0.15g和0.30g的兩個(gè)分區(qū)。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)圖分為3個(gè)區(qū)，1區(qū)特征周期為0.35s，2區(qū)為0.40s，3區(qū)為0.45s，特征周期分區(qū)圖描繪了地震反應(yīng)譜的形狀。2008年汶川地震后，又及時(shí)對(duì)四川、陜西、甘肅三省局部地區(qū)設(shè)防烈度做了變更。
GB 5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《建筑抗震規(guī)范》)規(guī)定，一般情況下可采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的地震基本烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)作為抗震設(shè)防依據(jù)。
圖1.22 中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖
2. 地震小區(qū)劃
地震烈度區(qū)劃考慮了較大范圍的平均的地質(zhì)條件，對(duì)大區(qū)域地震活動(dòng)水平做出了預(yù)測(cè)。震害經(jīng)驗(yàn)表明，同一地區(qū)不同場(chǎng)地上的建筑物震害程度有著明顯差異，局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的特性和地震破壞效應(yīng)存在較大影響。地震小區(qū)劃就是在大區(qū)劃(地震烈度區(qū)劃)的基礎(chǔ)上，考慮局部范圍的地震地質(zhì)背景、土質(zhì)條件、地形地貌，給出一個(gè)城市或一個(gè)大的工礦企業(yè)內(nèi)的地震烈度和地震動(dòng)參數(shù)，為工程抗震提供更為經(jīng)濟(jì)合理的場(chǎng)地地震特性評(píng)價(jià)。《建筑抗震規(guī)范》規(guī)定對(duì)做過(guò)地震小區(qū)劃的地區(qū)，可采用抗震主管部門(mén)批準(zhǔn)使用的設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)。
3. 設(shè)計(jì)地震分組
理論分析和震害表明，在同樣烈度下由不同震級(jí)和震中距的地震引起的地震動(dòng)特征是不同的，對(duì)不同動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)造成的破壞程度也是不同的。一般來(lái)說(shuō)，震級(jí)較大、震中距較遠(yuǎn)的地震對(duì)長(zhǎng)周期柔性結(jié)構(gòu)的破壞，比同樣烈度下震級(jí)較小、震中距較近的地震造成的破壞要嚴(yán)重。產(chǎn)生這種差異的主要原因是地震波中的高頻分量隨傳播距離的衰減比低頻分量要快，震級(jí)大、震中距遠(yuǎn)的地震波的主導(dǎo)頻率為低頻分量，與長(zhǎng)周期的高柔結(jié)構(gòu)自振周期接近，存在“共振效應(yīng)”。
為了反映同樣烈度下，不同震級(jí)和震中距的地震對(duì)建筑物的影響，補(bǔ)充和完善烈度區(qū)劃圖的烈度劃分，《建筑抗震規(guī)范》將建筑工程的抗震設(shè)計(jì)劃分為三組，以近似反映近、中、遠(yuǎn)震的影響。不同設(shè)計(jì)分組，采用不同的設(shè)計(jì)特征周期和基本地震動(dòng)峰值加速度。
1.4.2 建筑抗震設(shè)防要求
1. 設(shè)防目標(biāo)
20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界不少國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都采用了這樣一種設(shè)計(jì)思想：在建筑使用壽命期限內(nèi)，對(duì)于不同頻度和強(qiáng)度的地震，要求其具有不同的抗震能力。即對(duì)于較小的地震，由于其發(fā)生的可能性大，當(dāng)遭遇到這種多遇地震時(shí)，要求建筑結(jié)構(gòu)不受損壞，這在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可以做到的；對(duì)于罕遇的強(qiáng)烈地震，由于其發(fā)生的可能性小，當(dāng)遭遇到這種地震時(shí)，若要求建筑結(jié)構(gòu)不受損壞，這在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。比較合理的做法是，應(yīng)允許損壞，但在任何情況下結(jié)構(gòu)不應(yīng)倒塌。
基于上述抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，我國(guó)《建筑抗震規(guī)范》提出了三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。
(1) 第一水準(zhǔn)。當(dāng)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震(或稱小震)時(shí)，建筑物一般不損壞或不須修理仍可繼續(xù)使用。
(2) 第二水準(zhǔn)。當(dāng)遭受本地區(qū)設(shè)防烈度的地震時(shí)，建筑物可能損壞，經(jīng)過(guò)一般修理或不須修理仍可繼續(xù)使用。
(3) 第三水準(zhǔn)。當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震(或稱大震)時(shí)，建筑物不倒塌，或不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。
概括起來(lái)，三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的通俗說(shuō)法是：小震不壞，中震可修，大震不倒。
上述三個(gè)水準(zhǔn)烈度分別對(duì)應(yīng)于地震的多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度，與三個(gè)水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)是：遭遇第一水準(zhǔn)烈度時(shí)，一般情況下建筑物處于正常使用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；遭遇第二水準(zhǔn)烈度時(shí)，建筑物可能發(fā)生一定程度的破壞，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段，但非彈性變形造成的結(jié)構(gòu)損壞應(yīng)控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)；遭遇第三水準(zhǔn)烈度時(shí)，建筑物可以產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，結(jié)構(gòu)可以有較大的非彈性變形，但不應(yīng)發(fā)生建筑倒塌和危及人民生命安全的破壞。這三個(gè)水準(zhǔn)烈度關(guān)系如圖1.23所示。
2. 小震和大震
從概率意義上說(shuō)，小震應(yīng)是發(fā)生機(jī)會(huì)較多的地震，大震應(yīng)是發(fā)生機(jī)會(huì)極小的地震。根據(jù)對(duì)我國(guó)華北、西北和西南地區(qū)的地震烈度統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為我國(guó)地震烈度的概率分布符合極值Ⅲ型，概率密度曲線上峰值對(duì)應(yīng)的烈度(即發(fā)震頻率最高的烈度)為眾值烈度。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年內(nèi)眾值烈度的超越概率為63.2%，《建筑抗震規(guī)范》取為第一水準(zhǔn)的烈度，即小震對(duì)應(yīng)的烈度；50年內(nèi)超越概率為10%的烈度相當(dāng)于地震區(qū)劃圖規(guī)定的基本烈度，《建筑抗震規(guī)范》取為第二水準(zhǔn)的烈度；50年內(nèi)超越概率為2%～3%的烈度稱為罕遇烈度，《建筑抗震規(guī)范》取為第三水準(zhǔn)的烈度，即大震對(duì)應(yīng)的烈度。由烈度概率分布圖1.23可知，基本烈度與眾值烈度相差1.55度，而基本烈度與罕遇烈度相差約為1度。例如，當(dāng)基本烈度為8度時(shí)，其眾值烈度(小震烈度)為6.45度左右，罕遇烈度(大震烈度)為9度左右。
圖1.23 三種烈度關(guān)系示意圖
3. 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法
《建筑抗震規(guī)范》提出了二階段設(shè)計(jì)方法以實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)烈度水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。第一階段設(shè)計(jì)是在方案布置符合抗震設(shè)計(jì)原則的前提下，按與基本烈度相對(duì)應(yīng)的眾值烈度(相當(dāng)于小震)的地震動(dòng)參數(shù)，用彈性反應(yīng)譜法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)，然后與其他荷載效應(yīng)按一定的組合系數(shù)進(jìn)行組合，并對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，對(duì)于較高的建筑物還要進(jìn)行變形驗(yàn)算，以控制其例向變形不要過(guò)大。這樣，既滿足了第一水準(zhǔn)下建筑結(jié)構(gòu)必要的承載力可靠度，又可滿足第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求(損壞可修)，然后再通過(guò)概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施來(lái)滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，一般可只進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)，但對(duì)于少部分結(jié)構(gòu)，如有特殊要求的建筑和地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)，除了應(yīng)進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行第二階段的設(shè)計(jì)，即按與基本烈度相對(duì)應(yīng)的罕遇烈度(相當(dāng)于大震)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性層間變形是否滿足規(guī)范要求(不發(fā)生倒塌)，如果有變形過(guò)大的薄弱層(或部位)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)或采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以使其能夠滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求(大震不倒)。
1.4.3 建筑抗震設(shè)防分類及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
1. 抗震設(shè)防分類
根據(jù)新版GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《分類標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定，建筑抗震設(shè)防類別劃分應(yīng)根據(jù)下列因素綜合分析確定。
(1) 建筑破壞造成的人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響大小。
(2) 城鎮(zhèn)的大小、行業(yè)的特點(diǎn)、工礦企業(yè)的規(guī)模。
(3) 建筑使用功能失效后，對(duì)全局的影響范圍大小、抗震救災(zāi)影響及恢復(fù)的難易程度。
(4) 建筑各區(qū)段的重要性顯著不同時(shí)，可按區(qū)段劃分抗震設(shè)防類別。
(5) 不同行業(yè)的相同建筑，當(dāng)其所處地位及地震破壞所產(chǎn)生的后果和影響不同時(shí)，其抗震設(shè)防類別可不相同。《分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑工程應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性和地震災(zāi)害后果的嚴(yán)重性分為以下4個(gè)抗震設(shè)防類別。
(1) 特殊設(shè)防類。指使用上有特殊設(shè)施，涉及國(guó)家公共安全的重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害等特別重大災(zāi)害后果，需要進(jìn)行特殊設(shè)防的建筑，簡(jiǎn)稱甲類。
(2) 重點(diǎn)設(shè)防類。指地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的生命線相關(guān)建筑，以及地震時(shí)可能導(dǎo)致大量人員傷亡等重大災(zāi)害后果，需要提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑，簡(jiǎn)稱乙類。
(3) 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。指大量的除(1)、(2)、(4)款以外按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)防的建筑，簡(jiǎn)稱丙類。
(4) 適度設(shè)防類。指使用人員稀少且震損不致產(chǎn)生次生災(zāi)害，允許在一定條件下適度降低要求的建筑，簡(jiǎn)稱丁類。
《分類標(biāo)準(zhǔn)》指出，劃分不同的抗震設(shè)防分類并采取不同的設(shè)計(jì)要求，是在現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下減輕地震災(zāi)害的重要對(duì)策之一。新的《分類標(biāo)準(zhǔn)》側(cè)重于建筑的使用功能和災(zāi)害后果，并更強(qiáng)調(diào)對(duì)人員安全的保障。
《分類標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)一些行業(yè)的建筑的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)做了調(diào)整。例如，在教育建筑中，規(guī)定幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂的抗震設(shè)防類別不應(yīng)低于乙類。《分類標(biāo)準(zhǔn)》列出了主要行業(yè)甲、乙、丁類建筑和少數(shù)丙類建筑的示例，可供查用。
2. 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
《分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，各抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)符合下列要求。
(1) 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定建筑的抗震措施，使其在遭遇高于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震時(shí)不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴(yán)重破壞的抗震設(shè)防目標(biāo)。
(2) 重點(diǎn)設(shè)防類。應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求加強(qiáng)其抗震措施；當(dāng)抗震設(shè)防烈度為9度時(shí)應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎(chǔ)的抗震措施，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。同時(shí)，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。
對(duì)于劃分為重點(diǎn)設(shè)防類而規(guī)模很小的工業(yè)建筑，當(dāng)改用抗震性能較好的材料且符合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)體系的要求時(shí)，允許按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類設(shè)防。
(3) 特殊設(shè)防類。應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度采取抗震措施；當(dāng)抗震設(shè)防烈度為9度時(shí)應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施。同時(shí)，應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。
(4) 適度設(shè)防類。允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當(dāng)降低其抗震措施，但抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)不應(yīng)降低。一般情況下，仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。
抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)，除《建筑抗震規(guī)范》有具體規(guī)定外，對(duì)乙、丙、丁類建筑可不進(jìn)行地震作用計(jì)算。
1.5 建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)
由于地震發(fā)生的隨機(jī)性和建筑結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，建筑物的地震破壞機(jī)理目前還不十分清楚，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中尚存在許多不定因素，現(xiàn)行規(guī)范提供的地震作用估算和結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的方法大都是具有一定概率水準(zhǔn)的近似方法。人們?cè)诳偨Y(jié)歷次地震災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)中逐漸認(rèn)識(shí)到，不能單純依賴數(shù)值計(jì)算追求結(jié)構(gòu)的抗震能力，必須合理運(yùn)用概念設(shè)計(jì)提高建筑的抗震性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，數(shù)值計(jì)算和概念設(shè)計(jì)具有同等重要的地位。
所謂概念設(shè)計(jì)，是指考慮地震及其影響的不確定性，依據(jù)歷次震害總結(jié)出的規(guī)律，既著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，合理選擇建筑體型和結(jié)構(gòu)體系，又顧及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)，正確處理細(xì)部構(gòu)造和選用材料，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)思想，綜合解決抗震設(shè)計(jì)基本問(wèn)題。
1.5.1 場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)的要求
1. 選擇對(duì)抗震有利的場(chǎng)地
選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握與地震活動(dòng)情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)有關(guān)的資料，對(duì)抗震有利、一般、不利和危險(xiǎn)地段做出綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于不利地段，應(yīng)提出避開(kāi)要求，當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)應(yīng)采取有效措施。對(duì)于危險(xiǎn)地段，嚴(yán)禁建造甲、乙類建筑，不應(yīng)建造丙類建筑。
對(duì)抗震有利的地段，一般是指穩(wěn)定的基巖、堅(jiān)硬土或開(kāi)闊、平坦、密實(shí)、均勻的中硬土等地段；不利地段，一般是指軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘、非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層(如故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖的地基等)含水量高的可塑黃土，地表存在結(jié)構(gòu)性裂隙等地段；危險(xiǎn)地段，一般是指地震時(shí)可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等災(zāi)害，以及地震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯(cuò)位的部位等地段；一般地段，是指不屬于有利、不利和危險(xiǎn)的地段。
2. 不同場(chǎng)地上的抗震構(gòu)造措施的調(diào)整
(1) 建筑場(chǎng)地為Ⅰ類時(shí)，甲、乙類建筑應(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；丙類建筑應(yīng)允許按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施。但抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)仍應(yīng)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) 建筑場(chǎng)地為Ⅲ、Ⅳ類時(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)，除《建筑抗震規(guī)范》另有規(guī)定外，宜分別按抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)和9度(0.40g)的各類建筑的要求采取抗震構(gòu)造措施。
3. 地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求
(1) 同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上。
(2) 同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基。
(3) 地基為軟弱黏性土、液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土?xí)r，應(yīng)估計(jì)地震時(shí)地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應(yīng)的措施。
4. 山區(qū)建筑場(chǎng)地和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求
(1) 山區(qū)建筑場(chǎng)地應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)、地形條件和使用要求，因地制宜設(shè)置符合抗震設(shè)防要求的邊坡工程；邊坡應(yīng)避免深挖高填，坡高大且穩(wěn)定性差的邊坡應(yīng)采用后仰放坡或分階放坡。
(2) 建筑基礎(chǔ)與土質(zhì)、強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的邊緣應(yīng)留有足夠的距離，其值應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度的高低確定，并采取措施避免地震時(shí)地基基礎(chǔ)被破壞。
1.5.2 建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性
建筑形狀關(guān)系到結(jié)構(gòu)的體形，結(jié)構(gòu)體形對(duì)建筑物的抗震性能有明顯影響。震害表明，形狀比較簡(jiǎn)單的建筑在遭遇地震時(shí)一般破壞較輕，這是因?yàn)樾螤詈?jiǎn)單的建筑受力性能明確，傳力途徑簡(jiǎn)捷，設(shè)計(jì)時(shí)容易分析建筑的實(shí)際地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施也易于處理。因此，建筑形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單規(guī)則，同時(shí)注意遵循下面的要求。
1. 建筑平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單規(guī)整
建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和復(fù)雜可通過(guò)其平面形狀來(lái)區(qū)分(見(jiàn)圖1.24)。地震區(qū)房屋的建筑平面以方形、矩形、圓形為好，正六角形、正八邊形、橢圓形、扇形次之。三角形平面雖然也屬簡(jiǎn)單形狀，但是由于它沿主軸方向不都是對(duì)稱的，在地震作用下容易發(fā)生較強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)抗震不利，因而不是抗震結(jié)構(gòu)的理想平面形狀。此外，帶有較長(zhǎng)翼緣的T形、L形、U形、H形、Y形等平面(見(jiàn)圖1.25)對(duì)抗震結(jié)構(gòu)性能也不利。
圖1.24 簡(jiǎn)單平面圖形
圖1.25 復(fù)雜平面圖形
平面不規(guī)則有以下幾種類型。
(1) 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍，如圖1.26(a)所示。
(2) 凹凸不規(guī)則。結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)的一側(cè)尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，如圖1.26(b)所示。
(3) 樓板局部不連續(xù)。樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。例如，開(kāi)洞面積大于該樓層面積的30%，或較大的樓層錯(cuò)層，或有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，如圖1.26(c)所示。
2. 建筑物豎向布置應(yīng)均勻和連續(xù)
建筑體形復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系沿豎向的強(qiáng)度與剛度分布不均勻，在地震作用下容易使某一層或某一部位率先屈服而出現(xiàn)較大的彈塑性變形。例如，立面突然收進(jìn)的建筑或局部突出的建筑，會(huì)在凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；大底盤(pán)建筑，在低層裙房與高層主樓相連處，體形突變引起剛度突變，使裙房與主樓交接處的塑性變形集中；柔性底層建筑，因底層需要開(kāi)放大空間，上部的墻、柱不能全部落地，形成柔弱底層。
豎向不規(guī)則的類型如下。
(1) 側(cè)向剛度不規(guī)則(見(jiàn)圖1.27(a))。該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%。
(2) 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)(見(jiàn)圖1.27(b))。豎向抗側(cè)力構(gòu)件(柱、抗震墻、抗震支撐)的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件(梁、桁架)向下傳遞。
(3) 樓層承載力突變(見(jiàn)圖1.27(c))。抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%。
圖1.26 平面不規(guī)則的類型
圖1.27 豎向不規(guī)則的類型
3. 剛度中心和質(zhì)量中心應(yīng)一致
房屋中抗側(cè)力構(gòu)件合力作用點(diǎn)的位置稱為質(zhì)量中心。地震時(shí)，如果剛度中心和質(zhì)量中心不重合，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)使遠(yuǎn)離剛度中心的構(gòu)件產(chǎn)生較大應(yīng)力而嚴(yán)重破壞。例如，前述具有伸出翼緣的復(fù)雜平面形狀的建筑，伸出端往往破壞較重。又如，有的建筑雖然外形規(guī)則對(duì)稱，但抗側(cè)力系統(tǒng)不對(duì)稱，如將抗側(cè)剛度很大的鋼筋混凝土芯筒或鋼筋混凝土墻偏設(shè)，會(huì)造成剛心偏離質(zhì)心，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。再如，建筑上將質(zhì)量較大的特殊設(shè)備、高架游泳池偏設(shè)，造成質(zhì)心偏離剛心，同樣也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
4. 復(fù)雜體形建筑物的處理
房屋體形常常因其使用功能和建筑美觀的限制，不易布置成簡(jiǎn)單規(guī)則的形式。對(duì)于體形復(fù)雜的建筑物可采取下面兩種處理方法：設(shè)置建筑防震縫，將建筑物分隔成規(guī)則的單元，但設(shè)縫會(huì)影響建筑立面效果，容易引起相鄰單元之間碰撞；不設(shè)防震縫，但應(yīng)對(duì)建筑物進(jìn)行細(xì)致的抗震分析，估計(jì)其局部應(yīng)力、變形集中及扭轉(zhuǎn)影響，判明易損部位，采取加強(qiáng)措施提高結(jié)構(gòu)的抗變形能力。
1.5.3 抗震結(jié)構(gòu)體系
抗震結(jié)構(gòu)體系的主要功能為承擔(dān)側(cè)向地震作用，合理選取抗震結(jié)構(gòu)體系是抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著房屋的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案決策時(shí)，應(yīng)從以下幾方面加以考慮。
1. 結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制
結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制可以根據(jù)地震中構(gòu)件出現(xiàn)屈服的位置和次序?qū)⑵鋭澐譃閮煞N基本類型：層間屈服機(jī)制和總體屈服機(jī)制。層間屈服機(jī)制是指結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件先于水平構(gòu)件屈服，塑性鉸首先出現(xiàn)在柱上，只要某一層柱上下端出現(xiàn)塑性鉸，該樓層就會(huì)整體側(cè)向屈服，發(fā)生層間破壞，如弱柱型框架、強(qiáng)梁型聯(lián)肢剪力墻等。總體屈服機(jī)制是指結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件先于豎向構(gòu)件屈服，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁上，使大部分梁甚至全部梁上出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)也不會(huì)形成破壞機(jī)構(gòu)，如強(qiáng)柱型框架、弱梁型聯(lián)肢剪力墻等。總體屈服機(jī)制有較強(qiáng)的耗能能力，在水平構(gòu)件屈服的情況下，仍能維持相對(duì)穩(wěn)定的豎向承載力，可以繼續(xù)經(jīng)歷變形而不倒塌，其抗震性能優(yōu)于層間屈服機(jī)制。
2. 多道抗震防線
結(jié)構(gòu)的抗震能力依賴于其各組成部分的吸能和耗能能力，在抗震體系中，吸收和消耗地震輸入能量的各部分稱為抗震防線。一個(gè)良好的抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)盡量設(shè)置多道防線，當(dāng)某部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，降低或喪失抗震能力后，其余部分仍能繼續(xù)抵抗地震作用。具有多道防線的結(jié)構(gòu)：一是要求結(jié)構(gòu)具有良好的延性和耗能能力；二是要求結(jié)構(gòu)具有盡可能多的抗震贅余度。結(jié)構(gòu)的吸能和耗能能力，主要依靠結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)定部位產(chǎn)生的塑性鉸，若結(jié)構(gòu)沒(méi)有足夠的超靜定次數(shù)，一旦某部位形成塑性鉸后，會(huì)使其變成可變體系而喪失整體穩(wěn)定。另外，應(yīng)控制塑性鉸出現(xiàn)的位置，塑性鉸的形成不應(yīng)危及整體結(jié)構(gòu)的安全。
框架-抗震墻結(jié)構(gòu)是具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系，它的主要抗側(cè)力構(gòu)件抗震墻是第一道防線，當(dāng)抗震墻部分在地震作用下遭到損壞后，框架部分則起到第二道防線的作用，可以繼續(xù)承受水平地震作用和豎向荷載。還有些結(jié)構(gòu)本身只有一道防線，若采取某些措施，改善其受力狀態(tài)，增加抗震防線。如框架結(jié)構(gòu)只有一道防線，若在框架中設(shè)置填充墻，可利用填充墻的強(qiáng)度和剛度增設(shè)一道防線。在強(qiáng)烈地震作用下，填充墻首先開(kāi)裂，吸收和消耗部分地震能量，然后退出工作，此為第一道防線；隨著地震反復(fù)作用，框架經(jīng)歷較大變形，梁柱出現(xiàn)塑性鉸，可看作第二道防線。
1.5.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件
結(jié)構(gòu)體系是由各類構(gòu)件連接而成的，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)具備必要的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)膭偠取⒘己玫难有院涂煽康倪B接，并應(yīng)注意強(qiáng)度、剛度和延性之間的合理均衡。
(1) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度，其抗剪、抗彎、抗壓、抗扭等強(qiáng)度均應(yīng)滿足抗震承載力要求。要合理選擇截面
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