地震与抗震设防

建筑结构抗震合肥学院建筑工程系江卫国重点第1章地震与抗震设防第2章建筑场地、地基与基础第3章建筑结构抗震概念设计第4章地震反应分析与结构抗震验算第5章混凝土结构抗震设计课程考核读书笔记（10％）期末考试（40％）（低于50分以不及格计）小论文I（15％）——在第1～3章中任选一专题课程总结报告（20％）小论文II（15％）——在第4～5章中任选一专题后三项统一用A4大小纸张，装订整齐，封面应体现课程名称、考核项、班级、姓名、学号等参考书丰定国，王社良主编.抗震结构设计（第二版），武汉理工大学出版社，2003.朱伯龙，张琨联.建筑结构抗震设计原理，上海：同济大学出版社，1994.建筑抗震设计规范，北京：中国建筑工业出版社，2010.第1章地震与抗震设防地震的一般知识地震的危害与对策工程抗震设防1.1地震基础知识一、地震的成因1.地球的构造地球是一个略呈椭圆的球体，平均直径6400km薄薄的地壳：表面是沉积层，下部是厚度30-40km的花岗岩层和玄武岩层。海洋中一般只有玄武岩层，平均厚度约5-8km。厚厚的地幔：平均厚度2900km，40-70km厚的岩石圈+软流层球状的地核：直径约3500km地震仅发生在地壳内和地幔上部，绝大多数的地震发生在地壳内地球是一个不平静的星球，在为人类提供各种繁衍生息所需的资源和环境的同时，频繁产生的各种自然灾害威胁着人类的生存和社会的进步。这是一个不可改变的客观事实。1.1地震基础知识2.地震的分类火山地震——火山爆发或地下岩浆冲出地面而引起的地面运动陷落地震——地表或地下岩层陷落和崩塌而引起的地面运动构造地震——地下岩层断裂或错动引起的地面振动，约占全球地震的90％以上，破坏性大且影响面广诱发地震——由于人工爆破、矿山开采及工程活动(如兴建水库)所引发的地震．诱发地震一般都不太强烈，仅有个别情况会造成严重的地震灾害。3.构造地震的成因和分布局部机制：断层学说地球内部的温度随深度增加而不断升高，从地下20km到700km，温度从大约600°C上升到2000°C。另外，地球内部的压力也不均衡，在地幔上部约为900MPa，地幔中间则达到370000MPa。在这样的热状态和不均衡压力下，地幔内部的物质处于缓慢运动之中，地壳岩层也不停地连续变动，不断产生变形和应力，积聚了大量的能量。当岩层的应变达到其极限应变时，岩层就会发生突然断裂和错动，积聚的应变能突然释放，以波的形式传到地面，从而形成地震。这从局部地质构造上解释了地震的成因，称为断层学说。3.构造地震的成因和分布局部机制：断层学说断层运动方式

犹他州喀那布附近的断层形形色色的断层

1988年亚美尼亚地震造成的新断崖

1906年旧金山地震时，远处的土地向右移动，篱笆错动了2.6米。岩石层在构造力长期挤压下褶皱（以色列）宏观背景：板块学说大陆漂移假说由德国气象学家魏格纳（Wegener）(1880～1930年)在讲课中提出来的。从宏观上看，板块构造学说能较好地解释地应力的产生。这种学说认为，地球表面的岩石层由六大板块和若干小板块组成，六大板块包括欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。宏观背景：板块学说板块随地幔的缓慢蠕动而处于持续的、缓慢的运动中，在板块的边界，板块之间的挤压、张拉和剪切作用产生应力，地震主要位于这些大板块的交界处。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。

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，南极洲板块等环太平洋、欧亚地震带构造地震破坏性大、影响面广且频繁，约占全球地震的90％以上。

二、地震活动与分布全球的地震分布很不均匀，存在着一些震中密集的地带，即地震带。与扩张的洋中脊、转换断层、大陆裂谷或大断裂带有关的地震带，统称全球断裂带地震带，这些地震带只有浅源地震，没有深源和中源地震。处于大陆（或板块）内部的中国华北、蒙古杭爱山、澳大利亚、印度和美国东部等区域，也有分布零散、频度低、强度高的地震发生。据统计，地球上每年平均发生2.5级以上地震在15万次以上。地震在空间和时间上具有一定的规律性。地理上：集中于一定的区域，呈带状分布。世界两大主要地震带是环太平洋地震带和欧亚地震带（即地中海—喜马拉雅地震带），分布着占全球85%的浅源地震、全部的中源和深源地震。时间上：相对活跃期和相对平静期。形式上：地震带内积累能量有的以一次8级以上地震和若干中小地震的方式（单发式）释放，形成主震型地震序列；有的以一段时期内的多次7级以上地震的方式（连发式）释放，形成震群型地震序列。我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是一个多地震的国家。主要地震带有两条，一是北起贺兰山、经六盘山穿越秦岭至云南省东北的南北地震带，二是沿陕西、山西、河北北部向东延伸到辽宁北部千山一带和从帕米尔高原经昆仑山、秦岭直到大别山的东西地震带。我国的地震活动区大致可划分为六个，即台湾及其附近海域、喜马拉雅山脉活动区、南北地震带、天山地震活动区、华北地震活动区和东南沿海地震活动区。台湾东部地区是我国地震活动较强、频度最高的地区，新疆和西藏次之。合肥位于华北断块区的东南缘，撮镇凹陷的西北隅，地处华南和华北两大不同构造单元过渡地带，郯（城）庐（江）地震带南段。

76年后，我国经历了十多年的平静期，从90年开始又进入新的活跃期，已发生多起5级以上地震。1、几个概念震源——地下岩层产生剧烈相对运动而释放出大量能量，引起剧烈振动的部位称为震源。震中——震源正上方的地面位置震中距——地面某处至震中的水平距离震源深度——震源与震中的距离。浅源地震<60km中源地震60～300km深源地震>300km

浅源地震破坏大三、地震特性描述震源、震中、震中距2、地震波

地震引起的振动将能量以波的形式从震源向各个方向传播，此即为地震波。地震波是一种弹性波，包括在地球内部传播的体波和在地表传播的面波。

体波又包括纵波和横波，面波包括瑞利波和乐夫波。纵波（P波或初波Primary）——介质质点的振动方向与波的前进方向一致，又称为压缩波。周期较短，振幅较小，产生颠簸。(图a)横波（S波或次波Secondary）——介质质点的振动方向垂直于波的前进方向，又称为剪切波。周期较长，振幅较大，产生摇晃。(图b)面波——是体波经地层多次反射形成的次生波，包括瑞雷波（R波）和乐夫波（L波）。面波传播时，质点的运动较复杂，振幅大、周期长，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。面波既使建筑物产生摇晃又产生上下振动。一般情况下，横波产生的水平振动是建筑物破坏的主要原因，在强震震中区，纵波造成的竖向振动也不容忽视。乐夫波和瑞利波传播过程中近地表岩石的运动

纵波波速最快、横波次之、面波最慢。根据弹性波理论且取介质泊松比为0.25，地震动记录

地震动是非常复杂的，具有很强的随机性，不同地点的同一次地震或同一地点的不同次地震的记录都会不一样。一般说来，一点处的地震动在空间具有六个方向的分量，这个分量可以是位移、加速度或速度的。

地震动三要素

地震动记录最明显的表征是其不规则性，但可以用有限的几个要素来反映不规则的地震波。

最大振幅：可以定量反映地震动的强度特性

频谱特性：可以揭示地震动的周期分布特征

强震持续时间：可以考察地震动循环作用程度的强弱

地震动的峰值、频谱特性和持时是地震动的三要素。3、地震震级与烈度震级——表示地震本身大小的等级，以释放的能量为尺度。国际上常用里氏震级表示：M=lgA

A—用标准的地震仪在距震中100km处记录到的最大水平位移（以µm计）。对一个100千米外的地震，如果标准地震仪记录到1厘米的峰值振幅，则震级为4级。根据我国现用仪器，近震(震中距小于l00km)的震级M，按下式计算：M＝lgA+RR是随震中距而变化的函数

C.F.Richter（1900～1985年）

震级与能量的关系lgE=11.8+1.5ME的单位为尔格（1erg=10-7J)震级每增加一级，能量约增大32倍。

震感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：特大地震现已记录到多次9.0级以上的地震。

唐山地震7.8级地震烈度——某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度，既反应地震后果又是地面运动强度的一种度量。表示一次地震大小的震级只有一个，然而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。一般来说，距离震中越近，烈度就越高；距离震中越远，烈度就越低。为评定地震烈度，我国和大多数国家采用12等级划分的地震烈度表对地震现象进行宏观描述、给地面运动物理量以量化指标。具有相同烈度的各个地点的外包线称为等烈度线。震级与烈度

地震的震级和烈度是两个不同的概念，只有在特定条件下才存在大致的对应关系，如浅源地震（10－30km）的震中烈度I0与震级M有下列近似关系：

M＝0.58I0+1.5烈度表（1-12度，不同国家的描述不同）中国地震烈度表分项：人的感觉，大多数房屋震害程度，其他现象，水平加速度(厘米/秒²)，水平速度（厘米/秒）I度：为无感觉VI(6)度：惊慌失措，仓惶逃出；砖瓦掉落、墙体微细裂缝；河岸和松软土上出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝；加速度63厘米/秒²。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。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；加速度500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。评定标准：人的感觉，房屋破坏，其它现象，物理指标。6度开始有破坏。加速度：10度为1000cm/s29度为500cm/s28度为250cm/s27度为125cm/s26度为63cm/s2

1.2地震灾害至20世纪，全世界破坏性地震平均每年近千次，造成巨大的经济财产损失和人员伤亡。在我国，6级以上地震有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。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。1995年日本阪神7.2级地震1000亿美元经济损失死亡和失踪6435人2011年，日本东北部海域9.0级地震，福岛核电站爆炸。近年地震地震灾害分类直接灾害——震动造成房屋被毁，地裂地陷、滑坡塌方等造成道路、矿山等的毁坏，海啸摧毁港口、船只和近海岸的建筑物等。次生灾害——房屋倒塌后火源失控、消防系统受损、油罐和输气管道破裂等引起火灾；水坝决口引起水灾；玻璃碎片飞舞伤人；爆炸、有毒或核物质泄漏等。诱发灾害——由于地震导致的各种社会性问题，如供水、供电、通讯、交通、医院等生命线工程的毁坏导致社会功能混乱，以及生产设施的破坏、疾病流行等。1.3工程抗震设防

1.人类减轻地震灾害的基本对策地震预报——研究地震发生发展的规律，利用地震工程学的方法对未来可能发生的地震（时间、地点和强度）作出预报。目前的水平是“偶有成功，错漏甚多”。防震减灾——整个社会统筹规划，制定防灾规则，做好震害预测、震前预防、震后救援等环节的工作。工程抗震——研究地震对房屋结构的影响机理，研究提高各类房屋抗震性能的措施，尽可能地减少和降低地震造成的人员伤亡和财产损失。2、防灾减灾的工程对策通过工程技术的进步，提高各类建筑抗御地震的水平，提高城市的综合防震减灾能力。包括震害预测，地震区域划分，城市抗震规划，抢险救灾措施，灾后重建措施，工程抗震、减震的设计和研究等。通过选择场地，避开不利位置，如地表破坏直接造成的地裂、滑坡、地陷、塌方等区域。通过地基的处理、加固，选择合理的基础方案及进行必要的地基抗震验算来解决软弱地基问题，如软弱地基沉陷、砂土液化等。通过选择合理的结构方案、合理的结构布置和抗震措施解决由于建筑物各部位联接破坏造成的结构丧失整体稳定、整体倒塌。通过结构的地震反应分析、结构抗震承载力及变形计算以及采取构造措施保证结构和构件（特别是主要承重构件以及抗侧力构件）的强度、位移延性要求等。3.大震、小震与烈度区划

根据我国对地震烈度的统计，地震烈度的概率分布符合极值III型分布，峰值对应的烈度为众值烈度。众值烈度——概率意义上，50年设计基准期内超越的概率为63.2％；（比基本烈度小约1.55度）基本烈度——概率意义上，50年内、一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度值，一般情况下对应于抗震设防烈度；罕遇烈度——概率意义上，50年设计基准期内超越的概率为2-3％；（比基本烈度大约1度）地震烈度区划——地震烈度区划就是依据地质构造资料、历史地震规律、强震观测资料，采用地震危险性分析的方法，计算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，从而，可以将国土划分为由不同基本烈度所覆盖的区域。当前，抗震设防依据采用双轨制，即一般情况下采用抗震设防烈度，一定条件下，可采用经国家相关部门批准的抗震设防区划采用相应的地震动参数（地面运动加速度峰值、反应谱值、地震影响系数曲线和地震加速度时程曲线）。抗震设防烈度6度7度8度9度设计基本地震加速度值0.05g0.1g（0.15g）0.2g（0.3g）0.4g《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）提供了II类场地、50年超越概率10％的地震动参数，给出了峰值加速度（7个等级）分区图和反应谱特征周期（三个档次）分区图。《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）规定了我国主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组特征周期，作为工程结构抗震设防的依据。《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）建议一般情况可采用基本烈度作为抗震设防烈度。合肥为7度区（地震动加速度为0.1g）地震小区划局部场地条件对地震动的特性和地震破坏效应有较大影响。地震小区划就是在大区划的基础上，考虑局部范围的地震地质背景、土质条件和地形地貌，给出一个城市或一个大的工矿企业的地震烈度和地震动参数，为抗震设计提供更经济合理的场地地震特性。4.几个概念抗震设防标准（seismicprecautionarycriterion）衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。地震作用（earthquakeaction）地震动引起的结构动态作用，包括水平地震和竖向地震作用。场地（site）工程群体所在地，具有相似的反应谱特性，其范围相当于厂区、居民小区或不小于1km2的平面面积。地震设计分组要确定建筑所在地区遭受的地震影响，除了应采取该地区的抗震设防烈度（或设计基本地震加速度）外，还应考虑场地条件和震中距对地震波传播的影响。震害调查表明，地震烈度相同的地区，由于震中距不同，建筑受到的损害可能不同，如大震级震中距较远的柔性建筑，其震害比小震级但震中距近时要更加严重。抗震规范采用设计地震分组考虑震中距的这种影响，第一组表示近震，第二、三组表示中、远震影响。场地条件的影响将在下一章中进一步阐述。建筑抗震概念设计（seismicconceptdesignofbuildings）：根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。抗震措施（seismicmeasures）：除地震作用计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。抗震构造措施（detailsofseismicdesign）：根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。5.工程抗震设计思想抗震设防目标应达到经济与安全间的合理平衡，世界上的大多数国家都遵循“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。我国“抗震规范”的三水准设防目标是：第一水准——当遭遇多遇的、低于本地区设防烈度的地震时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用；第二水准——当遭遇相当于本地区设防烈度的地震影响时，可能发生损坏，但经一般修理仍可继续使用；第三水准——当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。使用功能或其它方面有特殊要求的建筑，当采用抗震性能化设计时，具有更具体或更高的抗震设防目标。规范要求对抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。二阶段设计方法第一阶段为承载力设计，采用第一水准（多遇）地震动参数，按弹性方法计算地震作用及其效应，与其它荷载进行组合，再进行构件截面设计，这样既满足了第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准损坏可修的目标。大多建筑可只进行第一阶段设计，而通过合理的结构布置等概念设计和抗震构造措施保证第三水准性能目标。第二阶段为弹塑性变形验算，对于特殊要求的建筑、易倒塌的建筑或存在明显薄弱层的不规则结构，还要取罕遇地震动参数对结构薄弱层的弹塑性层间变形进行验算，并采取相应的构造措施来保证“大震不倒”。工程结构分类和设防标准

根据建筑物破坏后可能产生的经济损失、社会影响以及在抗震救灾中的作用，《建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2008）》将建筑物按重要性分为四类，不同重要性的建筑采用不同的设防标准。特殊设防类：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果