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全国注册结构工程师继续教育必修课之五建筑震害与设计对策第一章地震基础知识第二章建筑结构抗震设计基础概念第三章多层砌体房屋震害与设计对策第四章多层和高层混凝土房屋灾害与设计对策第一章地震基本知识1.1地球的构造地球是一个平均半径为6400km的椭球体。其最外面一层是地壳，平均厚度30km，包括表面沉积层，花岗岩层和玄武岩层；地球中间一层是地幔，厚度2900km，主要有橄榄岩组成；最里面的地核为半径3500km的球体，主要构造物质为铁镍，据推测，其外核（厚2100km）为液态，内核可能为固态。地球的平均重度为5.5g/cm3。地壳和地幔的界面称为莫霍面（M界面），在此处地震波速不连续（由7.5km/s突然增大到8.0~8.2km/s);地幔和地核的界面称为古登堡面（G界面），在此处地震波速明显变小（由13.3km/s下降到8.1km/s)。在距地幔顶部60~250km处存在地震波低速度层，说明该处岩石处于熔融状态，在板块学说中称之为软流层。1.2.1地震的类型按成因：构造地震、火山地震、冲击地震（陷落地震）和诱发地震。以构造地震数量多、分布广、震级也大。按震中距△：地方震（△＜100km)、近震（100≤△＜1000km）和远震（△＞1000km）。按震级M：小地震（M＜3)、有感地震(3≤M≤4.5）、中强地震（4.5＜M＜6）、强烈地震（6≤M＜7）、大地震（7≤M＜8）和特大地震（M≥8）共6个级别。按震源深度h：浅源地震（h≤60km）、中源地震（60km＜h≤300km）、和深源地震（300km＜h＜700km）1.2地震的成因与类型1.2.2地震的成因1.宏观背景——板块学说地壳和地幔顶部厚约70～100km的岩石组成了全球岩石圈，分为6大板块（参见书中图1-4）：欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块。由于岩石圈下部软流层的作用，太平洋板块以每年4～10cm的速度向西移动，在日本东岸深海沟一带向下俯冲；印澳板块以每年5～6cm的速度向北移动；同时，欧亚板块又从欧洲受到向东的推力。形成世界范围内的地震带。2.板内地震的产生——断块观点全球岩石圈的形成和发展并不是整齐划一的。不同年代的地质构造运动，使岩石圈断裂分割为大小不等、深浅不一、发展历史不同的断裂块体。我国则分为9个断块构造分区，以桑干期（＞24亿年）构造分区最为古老，喜马拉雅期（0.26~0.65亿年）构造分区最为年轻。断块构造区形成板内地震带。3.地震成因的局部机制——弹性回跳说①地壳由弹性的，有断层的岩石组成；②地壳运动产生的能量以弹性应变能的形成在断层及其附近岩石中长期积累；③当弹性应变能积累及岩石变形达到一定程度时，断层上某一点两侧的岩体发生相对位移，地震发生，断层上长期积累的弹性应变能突然释放；④地震后岩体又重新恢复到没有变形的状态。4.弹性回跳学说的改进——粘滑说弹性回跳说认为，断层发生错动时，把积累的应变能全部释放。粘滑说则提出，每一次断层发生错动时只释放了积累的总应变能的一小部分，而剩余部分则为断层面上很高的动摩擦力所平衡。地震后，断层两侧仍有摩擦力使之固结，并可以再积累而发生较大的地震。此观点能较好地解释下一节的地震序列。地震序列：按时间顺序排列的同一地质构造区内发生的一系列地震的大小（见书中图1-3）1.主震型主震震级突出，主震释放的地震能量占全序列的90%~95%；又可分为有明显前震和无明显前震两种情况；最大余震与主震的震级差的平均值为1.1~1.8。2.震群型没有突出的主震，最大地震在全序列中所占能量比例小于80%，此型地震活动的持续时间长。3.孤立型（单发性地震）前震和余震都很少1.3地震序列1.地震活动期和平静期我国华北、华南地区每个地震活动期持续一、二百年，然后是大约一百年的平静期；而新疆、西藏中部地区的每个地震活动期持续50年左右，然后是20、30年的平静期。在每个地震活动期内又可出现地震更为集中的时间段，称为地震活动幕。1.4地震分布2.世界地震构造系统a)环太平洋地震带地震活动性最强，频度高，能量大，震源较下面几个地震带为深，释放的能量占全球地震释放总能量的75%以上。b)地中海——南亚地震带地震活动性仅次于环太平洋地震带，以浅源地震为主，释放的能量占全球地震释放能量的15%~20%。c)海岭地震带频度低，震源浅，能量小。d)大陆裂谷地震带地震活动较强，均为浅源地震。3.我国的地震活动情况我国可划分为10个地震区、23个地震亚区和30个地震带。概括地说：南海、东北地震强度小，频度低;华南中强地震活动，频度较低，但东南沿海强度较大；华北，台湾，青海高原和新疆地震强度大，频度高。1.5地震波与传播地震波体波（由震源发出的波）面波（体波经界面多次反射、折射而成）纵波（压缩波或P波）横波（剪切波或S波）瑞雷波（R波）乐夫波（L波）瑞雷波传播时，质点在波的传播方向和地表面法向组成的平面内做与波前进方向相反的椭圆运动。乐夫波传播时，质点在地平面内产生与波前进方向相垂直的运动，在地面上表现为蛇形运动。Vp=Vs＞Vs＞VLVp=5～6km/sP波、S波、L波的速度与震幅31.6.1震级震级是地震发生强度的一种度量。1935年里克特首先提出：M=lgAA——震中距为1000km处地震仪的最大振幅（μm)震级与能量的关系:lgE=1.5M+11.8E——地震释放的能量（erg)由以上两式可以看出，震级每增加1级，振幅增大10倍，而能量增大30余倍。1.6地震震级、震源与震中地方震级（近震震级）ML,测定近震的短周期震动，适用于2~6级地震标度：ML=lgAM-R(△)+CsAM——近震记录上的两个水平分量最大振幅的算术平均值；R(△)——起称函数；Cs——台站校整值。面波震级MS，测定远震的长周期震动，适用于4~8级地震标度：MS=lg()max+δ(△)+CSA——两个水平分向地动位移的矢量和；MS为通常媒体报道的里氏震级。TA体波震级MB,测定短周期深源地震：MS=1.59MB—4由于上述标定方法的局限性，由地震波频谱组成等因素的影响，同一地震在不同地震确定的震级差别可达0.5级。短震级Mw,为克服地震波谱组成影响和震级饱和而提出：Mw=lgM0—10.7M0——地震矩，由地震波谱或经验关系确定。321.6.2震源与震中震源：地震（岩层错断）发生的位置。震中：震源在地表的投影位置。震源距：地面上某一点到震源的距离。震中距：地面上某一点到震中的距离。大多数地震的震源深度为5~20km，震源深度超过100km的地震不致引起地面灾害，观测到最深的地震震源深度为700km。1.7地震烈度地震烈度：表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度。对应一次地震，震级只有一个，而由于震中距地质条件等的差别，不同地点的地震烈度也不同。1.地震烈度表地震烈度表：用以描叙不同地震烈度的表格。当前采用的地震烈度表：《中国地震烈度表》（GB/T17742—1999）。主要依据人的感觉（1~5度）一般房屋震害情况（6~10度）其他记录（11、12度）参考物的指标：峰值加速度、峰值速度（6~10度）2.烈度定量我国抗震规范采用：设计基本地震加速度（地震影响系数最大值）以及设计特征周期。1976年和1990年我国颁发了两版《中国地震烈度区划图》。2001年颁发了国家标准《中国地震烈度区划图》（GB18306—2001），给出了各地区50年超越概率为10%的地震动参数：地震动峰值加速度分区图和地震动反应谱特征周期分区图。3.烈度区划和地震动参数区划4.烈度和震级的关系震中烈度与震级的关系：M=1+Ⅰ0M=1.5+0.58Ⅰ0地震烈度的衰减关系：Ⅰ=a+bM—clg(R+R0)R—场地到震源的距离；R0—与震源深度有关的常数；a、b、c—回归常数。32M=8.0Ⅰ0=10.5Ⅰ0=11.2M=8.01.8地震灾害1.8.1地震引起的地表变化1.地裂缝构造性地裂：由地下断层的错动连带地面的岩层发生相对位移而形成。重力型地裂：结构不均匀土质、不稳定的土坡及液化土层在地震作用下形成的。2.滑坡塌方3.喷砂冒水无粘性土（沙土和粉土）的抗剪强度：f=(-u）tan—剪切面上总法向压应力；u—空隙水压力；—土的内摩擦角。4.海啸1.8.2工程破坏1.房屋建筑破坏承载力不足引起的破坏连接不牢引起的破坏地基失效引起的破话2.桥梁破坏3.铁路破坏4.生命线工程破坏1.8.3次生灾害1.9建筑震害的程度划分第二章建筑结构抗震设计基本概念2.1建筑抗震设计思想1.非抗震建筑结构结构在预期荷载作用下保持或基本保持在弹性工作状态。设计使结构具有足够的强度，保证安全性；又要使结构具有足够的刚度等正常使用性能。2.地震作用的特点相对于结构自重、风、雪等荷载，地震动出现次数少，作用时间短，各次地震的强度差异大。若要求在各种强度的地震影响下结构仍保持弹性状态是不经济的，甚至是不可能的。3.抗震设计基本思想——抗震设防目标当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，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，当遭受高于本地区抗震设防烈度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。1.三水准设防目标的概括及两阶段设计三水准设防目标可概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒。”书中图2-1三水准设防目标通过“两阶段设计”来实现。第一阶段设计：进行第一水准烈度下的结构构件截面设计和验算结构的弹性层间位移角，以满足“小震不坏”；在此基础上，听过构造措施，保证结构的延性，以满足“中震可修”。第二阶段设计：验算第三水准烈度下的结构薄弱部位的弹塑性层间位移角，以满足“大震不倒”。2.三个水准烈度第一水准：多遇烈度（众值烈度）50年超越概率63.2%50年一遇第二水准：基本烈度50年超越概率10%474年一遇第三水准：罕遇烈度50年超越概率2~3%1600~2500年一遇45.0max表中数值2.2.1房屋建筑地震破坏的直接原因1.地震引起强烈的地面变形2.地震引起地基失效3建筑结构的地震反应超出其承受能力总结震害经验以改进建筑抗震设计技术2.2建筑地震灾害及其启示2.2.2历次地震房屋建筑震害概说1.1906年美国旧金山地震地震发生于1906年4月18日，8.3级，震中烈度10度。当时尚无钢筋混凝土建筑。型钢骨架砖填充墙的高层建筑普遍出现非结构破坏，墙体开口部分之间有”x”裂缝或水平裂缝，位置大致在建筑高度的2/3处。这次地震突出的经验教训：因房屋倒塌，引起水灾，且自来水管道破裂，消防系统失灵，大火持续了三天三夜。此后，人们开始重视地震区房屋建筑的耐震、耐火等问题，提出在地震区应推广钢筋混凝土结构。2.1957年墨西哥地震1957年10月28日在墨西哥城南部发生7.6级地震，墨西哥城最大加速度0.05~0.1g。地震区分山区、过渡区和湖泊区，山区破坏轻，湖泊区破坏严重。该市55座8层以上建筑，有11座钢筋混凝土框架遭到破坏。特点是5层以上震害严重，未与骨架联接的填充墙、隔墙出现明显裂缝，而框架结构的裂缝与相邻建筑物的碰撞有关。3.1960年5月21日智利南部地震为有记录以来最大地震，有十次超过7级，三次超过8级，主震级8.9级（一说9.5级）。智利1940年制定抗震规范，起到了提高房屋抗震能力的作用。经验教训：①钢筋混凝土剪力墙的抗震性能经受了考验。②L形、T形平面建筑发生扭转破坏。③局部应力集中会导致破坏。④不同类型的场地土对上部结构影响不同，对高层建筑需充分考虑场地卓越周期问题。4.1963年南斯拉夫科普里市地震震级6级，震中烈度8~9度，震源深度5~10km。当框架结构底层砌有砖围护墙时震害较轻；底层完全敞开的框架结构震害较重，柱子混凝土被压碎并永久性倾斜。框架——剪力墙结构破坏轻，只是配筋不足、施工质量欠佳的剪力墙出现裂缝。经验：慎