第1章抗震设计原则 1.1构造地震 在建筑抗震设计中所指的地震是由于地壳构造运动使深部岩石的应变超过容许值,岩层发生断裂、错动而引起的地面振动。这种地震就称为构造地震,一般简称地震。 强烈的构造地震影响面广,破坏性大,发生频率高,约占破坏性地震总量除构造地震外,还有由于火山爆发、溶洞陷落、核爆炸等原因所引起的地震。的90%以上。因此,在建筑抗震设计中,仅限于讨论在构造地震作用下建筑的设防问题。 地壳深处发生岩层断裂、错动的地方称为震源。震源至地面的距离称为震源深度(图1-1)。一般把震源深度小于60km的地震称为浅源地震; 60~300km的称为中源地震; 大于300km的称为深源地震。我国发生的绝大部分地震都属于浅源地震,一般深度为5~40km。例如,1976年7月28日的唐山大地震,震源深度为11km; 而1999年9月21日的台湾大地震,震源深度仅为1.1km。我国深源地震分布十分有限,仅在个别地区发生过深源地震,其深度一般为400~600km。由于深源地震所释放出来的能量,在长距离传播中大部分被损失掉,所以对地面上的建筑物影响很小。 图1-1地震术语示意图 震源正上方的地面称为震中,震中邻近地区称为震中区,地面上某点至震中的距离称为震中距。 1.2地震波、震级和烈度 1.2.1地震波 当震源岩层发生断裂、错动时,岩层所积累的变形能突然释放,它以波的形式从震源向四周传播,这种波就称为地震波。 地震波按其在地壳传播的位置不同,分为体波和面波。 1. 体波 在地球内部传播的波称为体波。体波又分为纵波和横波。 纵波是由震源向四周传播的压缩波,又称P波。介质质点的振动方向与波的传播方向一致。这种波的周期短,振幅小,波速快,在地壳内的波速一般为200~1400m/s。纵波的波速可按下式计算: vP=E(1-μ)ρ(1+μ)(1-2μ)(1-1) 式中: E——介质的弹性模量; μ——介质的泊松比; ρ——介质密度。 纵波引起地面垂直方向振动。 横波是由震源向四周传播的剪切波,又称S波。介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。这种波的周期长,振幅大,波速慢,在地壳内的波速一般为100~800m/s。横波的波速可按下式计算: vS=E2ρ(1+μ)=Gρ(1-2) 式中: G——介质的剪切模量; 其余符号意义与前相同。 横波引起地面水平方向振动。 当取μ=1/4时,由式(1-1)和式(1-2)可得: vP=3vS(1-3) 由此可见,P波比S波传播速度快。 2. 面波 在地球表面传播的波称为面波,又称L波。它是体波经地层界面多次反射、折射形成的次生波。其波速较慢,约为横波波速的0.9。所以,它在体波之后到达地面。这种波的介质质点振动方向复杂,振幅比体波大,对建筑物的影响也比 较大。 图1-2地震曲线图 图1-2为某次地震由地震仪记录下来的地震曲线图。由图中可见,纵波(P波)首先到达,横波(S波)次之,面波(L波)最后到达。分析地震曲线图上P波和S波到达的时间差,可确定震源的距离。 1.2.2震级 衡量一次地震释放能量大小的等级,称为震级,用符号M表示。 由于人们所能观测到的只是地震波传播到地表的振动,这也正是对我们有直接影响的那一部分地震能量所引起的地面振动。因此,也就自然地用地面振动的振幅大小来度量地震震级。1935年里克特(C.F.Richter)首先提出了震级的定义,即: 震级系利用标准地震仪(指周期为0.8s,阻尼系数为0.8,放大倍数为2800的地震仪)距震中100km处记录的以微米(1μm=1×10-3mm)为单位的最大水平地面位移(振幅)A的常用对数值: M=lgA(1-4) 式中: M——地震震级,一般称为里氏震级; A——由地震曲线图上量得的最大振幅,μm。 例如,在距震中100km处,用标准地震仪记录到的地震曲线图的最大振幅A=10mm(即104μm),于是该次地震震级为 M=lgA=lg104=4 实际上,地震时距震中100km处不一定恰好有地震台站,而且地震台站也不一定有上述的标准地震仪。因此,对于震中距不是100km的地震台站和采用非标准地震仪时,需按修正后的震级计算公式确定震级。 震级与地震释放的能量有下列关系: lgE=1.5M+11.8(1-5) 式中: E——地震释放的能量。 由式(1-3)和式(1-4)计算可知,当地震震级相差一级时,地面振动振幅增加约10 倍,而能量增加近32倍。 一般来说,M<2的地震,人们感觉不到,称为微震; M=2~4的地震称为有感地 震; M>5的地震,对建筑物就要引起不同程度的破坏,统称为破坏性地震; M>7的地震称为强烈地震或大地震; M>8的地震称为特大地震。 1.2.3地震烈度、地震烈度表和平均震害指数 1. 地震烈度、地震烈度表 地震烈度是指地震时在一定地点引起的地面震动及其影响的强弱程度。相对震中而言,地震烈度也可以把它理解为地震场的强度。 用什么尺度衡量地震烈度?在没有仪器观测的年代,只能由地震宏观现象,如人的感觉、器物的反应、地表和建筑物的影响与破坏程度等,总结出宏观烈度表来评定地震烈度。我国早期的《新中国地震烈度表》(1957)参见北京建筑工程学院,南京工程学院合编.建筑结构抗震设计.北京: 地震出版社,1981.就属于这种宏观烈度表。由于宏观烈度表未能提供定量指标,因此不能直接用于工程抗震设计。随着科学技术的发展,强震仪的问世,使人们有可能记录到地面运动参数,如地面运动加速度峰值、速度峰值来定义地震烈度,从而出现了含有物理指标的定量烈度表。由于不可能随处取得地震仪记录,因此,用定量烈度表评定地震现场的地震烈度还有一定困难。比较好的方法是将两种烈度表结合起来,使之兼有两种功能,以便工程应用。 1999年由国家地震局颁布实施的《中国地震烈度表》(GB/T 17742—1999),就属于将宏观烈度与地面运动参数建立起联系的地震烈度表。所以,该烈度表既有定性的宏观标志,又有定量的物理标志,兼有宏观烈度表和定量烈度表的功能。 《中国地震烈度表》(GB/T 17742—1999)自发布实施以来,在地震烈度评定中发挥了重要作用。由于国家经济发展,城乡房屋结构发生了很大变化,抗震设防的建筑比例增加。因此,由中国地震局对《中国地震烈度表》(GB/T 17742—1999)进行了修订,并由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了新的《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2008),参见表1-1。 表1-1中国地震烈度表(GB/T 17742—2008) 地震 烈度人的感觉 房屋震害 类型 震害程度 平均震害 指数 其他震 害现象 水平向地震动参数 峰值加速度 m/s2峰值速度 m/s Ⅰ无感—————— Ⅱ室内个别静止中的人有感觉—————— Ⅲ室内少数静止中的人有感觉—门、窗轻微作响—悬挂物微动—— Ⅳ室内多数人、室外少数人有感觉,少数人梦中惊醒—门、窗作响—悬挂物明显摆动,器皿作响—— Ⅴ室内绝大多数、室外多数人有感觉,多数人梦中惊醒—门窗、屋顶屋架颤动作响,灰土掉落,个别房屋墙体抹灰出现细微裂缝,个别屋顶烟囱掉砖—悬挂物大幅度晃动,不稳定器物摇动或翻倒0.31 (0.22~0.44)0.03 (0.02~0.04) 续表 地震 烈度人的感觉 房屋震害 类型 震害程度 平均震害 指数 其他震 害现象 水平向地震动参数 峰值加速度 m/s2峰值速度 m/s Ⅵ多数人站立不稳,少数人惊逃户外 A B C 少数中等破坏,多数轻微破坏和/或基本完好 个别中等破坏,少数轻微破坏,多数基本完好 个别轻微破坏,大多数基本完好 0.00~0.11 0.00~0.08家具和物品移动; 河岸和松软土出现裂缝,饱和砂层出现喷砂冒水; 个别独立砖烟囱轻度裂缝0.63 (0.45~0.89)0.06 (0.05~0.09) Ⅶ大多数人惊逃户外,骑自行车的人有感觉,行驶中的汽车驾乘人员有感觉 A B C 少数毁坏和/或严重破坏,多数中等和/或轻微破坏 少数中等破坏,多数轻微破坏和/或基本完好 少数中等和/或轻微破坏,多数基本完好 0.09~0.31 0.07~0.22物体从架子上掉落; 河岸出现塌方,饱和砂层常见喷砂冒水,松软土上裂缝较多; 大多数独立砖烟囱中等破坏1.25 (0.90~1.77)0.13 (0.10~0.18) Ⅷ多数人摇晃颠簸,行走困难 A B C 少数毁坏,多数严重和/或中等破坏 个别毁坏,少数严重破坏,多数中等和/或轻微破坏 少数严重和/或中等破坏,多数轻微破坏 0.29~0.51 0.20~0.40干硬土上出现裂缝,饱和砂层绝大多数喷砂冒水; 大多数独立砖烟囱严重破坏2.50 (1.78~3.53)0.25 (0.19~0.35) Ⅸ行动的人摔倒 A B C 多数严重破坏和/或毁坏 少数毁坏,多数严重和/或中等破坏 少数毁坏和/或严重破坏,多数中等和/或轻微破坏 0.49~0.71 0.38~0.60干硬土上多处出现裂缝,可见基岩裂缝、错动,滑坡、塌方常见; 独立砖烟囱多数倒塌5.00 (3.54~7.07)0.50 (0.36~0.71) 续表 地震 烈度人的感觉 房屋震害 类型 震害程度 平均震害 指数 其他震 害现象 水平向地震动参数 峰值加速度 m/s2峰值速度 m/s Ⅹ骑自行车的人会摔倒,处不稳状态的人会摔离原地,有抛起感 A B C 绝大多数毁坏 大多数毁坏 多数毁坏和/或严重破坏 0.69~0.91 0.58~0.80山崩和地震断裂出现,基岩上拱桥破坏; 大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁10.00 (7.08~14.14)1.00 (0.72~1.41) Ⅺ— A B C绝大多数毁坏 0.89~1.00 0.78~1.00 地震断裂延续很大; 大量山崩滑坡—— Ⅻ— A B C几乎全部毁坏1.00地面剧烈变化,山河改观—— 注: 表中给出的“峰值加速度”和“峰值速度”是参考值,括号内给出的是变动范围。 现将新的地震烈度表的内容和查表时注意事项简述如下。 1) 地震烈度评定指标 新的烈度表规定了地震烈度的评定烈度指标,包括人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象、水平向地震动参数。 2) 地震烈度等级 地震烈度仍划分为12等级,分别用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅻ表示。 3) 数量词的界定 数量词采用个别、少数、多数、大多数和绝大多数,其范围界定如下: (1) 个别为10%以下; (2) 少数为10%~45%; (3) 多数为40%~70%; (4) 大多数为60%~90%; (5) 绝大多数为80%以上。 4) 评定烈度的房屋类型 用于评定烈度的房屋,包括以下三种类型: (1) A类: 木构架和土、石、砖墙建造的旧式房屋; (2) B类: 未经抗震设防的单层或多层砖砌体房屋; (3) C类: 按照Ⅶ度抗震设防的单层或多层砖砌体房屋。 5) 房屋破坏等级及其对应的震害指数 房屋破坏等级分为: 基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏五类,其定义和对应的震害指数见表1-2。 表1-2建筑破坏等级与震害指数 破 坏 等 级震 害 程 度震害指数d 基本完好承重构件和非承重构件完好,或个别非承重构件轻微损坏,不加修理可继续使用0.00≤d<0.10 轻微破坏个别承重构件出现可见裂缝,非承重构件有明显裂缝,不需要修理或稍加修理即可继续使用0.10≤d<0.30 中等破坏多数承重构件出现轻微裂缝,部分有明显裂缝,个别非承重构件破坏严重,需要一般修理后方可使用0.30≤d<0.55 严重破坏多数承重构件破坏较为严重,非承重构件局部倒塌,房屋修复困难0.55≤d<0.85 毁坏多数承重构件严重破坏,房屋结构濒临崩溃或已倒毁,已无修理可能0.85≤d<1.00 6) 地震烈度评定 (1) 评定地震烈度时,Ⅰ~Ⅴ度应以地面上以及底层房屋中人的感觉和其他震害现象为主; Ⅵ~Ⅹ度应以房屋震害为主,参照其他震害现象,当用房屋震害程度与平均震害指数评定结果不同时,应以震害程度评定结果为主,并综合考虑不同类型房屋的平均震害指数; Ⅺ度和Ⅻ度应综合房屋震害和地表震害现象。 (2) 以下三种情况的地震烈度评定结果,应作适当调整: ① 当采用高楼上人的感觉和器物反应评定地震烈度时,适当降低评定值; ② 当采用低于或高于Ⅶ度抗震设计房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时,适当降低或提高评定值; ③ 当采用建筑质量特别差或特别好房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时,适当降低或提高评定值。 (3) 当计算的平均震害指数值位于表1-1中地震烈度对应的平均震害指数重叠搭接区间时,可参照其他判别指标和震害现象综合判定地震烈度。 (4) 农村可按自然村,城镇可按街区为单位进行地震烈度评定,面积以1km2为宜。 (5) 当有自由场地强震动记录时,水平向地震动峰值加速度和峰值速度可作为综合评定地震烈度的参考指标。 2. 平均震害指数 由于建筑种类不同,结构类型各异,所以,如何评定某一地区房屋的震害程度,做出比较符合实际的数量统计,以便正确地应用地震烈度表评定出宏观烈度,这是一个十分重要的问题。 《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2008)采用“平均震害指数”确定房屋的宏观烈度。所谓平均震害指数,是指同类房屋震害指数的加权平均值,即 D=1N∑5i=1dini(1-6) 若令λi=niN,则平均震害指数又可写成: D=∑5i=1diλi(1-7) 式中: di——房屋破坏等级为i的震害指数; ni——房屋破坏等级为i的房屋幢数; N——被统计的该类房屋总幢数; λi——破坏等级为i的房屋破坏比,即破坏等级为i的房屋幢数与被统计的该类房屋总幢数之比。 由式(1-7)可见,平均震害指数也可定义为破坏等级为i的房屋破坏比与其相应的震害指数的乘积之和。 式(1-6)的物理意义表示某类房屋的平均震害程度。通过各类房屋不同的对比,可以了解各类房屋之间抗震性能的优劣。如某类房屋的平均震害指数越大,则说明该类房屋的抗震性能越差。 求出平均震害指数后,即可由表1-1查得地震烈度。 1.2.4烈度衰减规律和等震线 对应于一次地震,在其波及的地区内,根据烈度表可以对该地区内每一地点评定出一个烈度。我们将烈度相同的区域的外包线,称为等烈度线或等震线。理想化的等震线应该是一些规则的同心圆。但实际上,由于建筑物的差异,地质、地形的影响,等震线多是一些不规则的封闭曲线。等震线一般取地震烈度级差为1度。一般来说,等震线的度数随震中距的增加而递减。但有时由于局部地形、地质的影响,也会在某一烈度区域内出现一小块高于该烈度1度或低于1度的异常区。图1-3所示为1976年唐山地震的等震线。 图1-3唐山地震等震线 我国有关单位根据153个等震线资料,经过数理统计分析,给出了烈度I、震级M和震中距R(km)之间的关系式: I=0.92+1.63M-3.49lgR(1-8) 以及震中烈度I0与震级M之间的关系式: I0=0.24+1.29M(1-9) 根据式(1-8)和式(1-9),可在M-lgR坐标系中绘出等烈度区(图1-4)。实际上,它是烈度衰减规律的另一表达形式,它有助于了解不同震级M和震中距R对烈度I衰减的影响。 图1-4等烈度区的划分 1.3地震基本烈度和地震烈度区划图 1.3.1地震基本烈度 强烈地震是一种破坏性很大的自然灾害,它的发生具有很大的随机性,采用概率方法预测某地区未来一定时间内可能发生的最大烈度是具有实际意义的。因此,国家有关部门提出了基本烈度的概念。 一个地区的基本烈度是指该地区在今后50年期限内,在一般场地条件下一般场地条件是指地区内普遍分布的地基土质条件及一般地形、地貌、地质构造条件。可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。 1.3.2地震烈度区划图 国家地震局和建设部于1992年联合发布了新的《中国地震烈度区划图(1990)》该图未包括我国海域部分及小的岛屿。。该图给出了全国各地地震基本烈度的分布,可供国家经济建设和国土利用规划、一般工业与民用建筑的抗震设防及制定减轻和防御地震灾害对策之用。图1-5为北京地区地震烈度区划图(1990)。 编制地震烈度区划图分两步进行: 第一步先确定地震危险区,即未来50年期限内可能发震的地段,并估计每个发震地段可能发生的最大地震,从而确定出震中烈度; 第二步是预测这些地震的影响范围,即根据地震衰减规律确定其周围地区的烈度。因此,地震烈度区划图上标明的某一地点的基本烈度,总是相应于一定震源的,当然也包括几个不同震源所造成的同等烈度的影响。 1.4建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 1.4.1建筑抗震设防分类 根据新版国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)(以下简称《分类标准》)规定,建筑抗震设防类别划分,应根据下列因素综合分析确定: (1) 建筑破坏造成的人员伤亡、直接和间接经济损失及社会影响大小。 (2) 城镇的大小、行业的特点、工矿企业的规模。 (3) 建筑使用功能失效后,对全局的影响范围大小、抗震救灾影响及恢复的难易程度。 (4) 建筑各区段的重要性显著不同时,可按区段划分抗震设防类别。 (5) 不同行业的相同建筑,当所处地位及地震破坏所产生的后果和影响不同时,其抗震设防类别可不相同。 《分类标准》规定,建筑工程应根据其使用功能的重要性和地震灾害后果的严重性分为以下四个抗震设防类别。 1. 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时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果,需要进行特殊设防的建筑,简称甲类。 2. 重点设防类 指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑,以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果,需要提高设防标准的建筑,简称乙类。 3. 标准设防类 指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑,简称丙类。 4. 适度设防类 指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害,允许在一定条件下适度降低要求的建筑,简称丁类。