建筑抗震设计教材第一章Word文件下载.docx
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1915
30,000
1920
中国甘肃
8.5
200,000
1923
日本东京
142,800
1927
中国
1934
印度
8.4
11,000
1935
1939
28,000
土耳其
7.9
33,000
1960
8.9
5,000
1964
日本新泻
5,100
1970
秘鲁
7.7
66,800
1976
中国唐山
7.6
240,000
危地马拉
22,800
菲律宾
7.8
8,000
1978
伊朗
25,000
1985
墨西哥
8.1
12,000
1990
75,000
27,000
1990.07
菲律宾吕宋
1,621
1992.12
印度尼西亚
2,500
1993.07
日本北海道
250
1995.05
俄罗斯库页岛
2,700
1996.02
8.0
145
1999.09
中国台湾集集
2001.01
2,000余
2008.05
中国汶川
68,000
图1-2我国主要地震带
在强烈地震发生时，地面受到地震波的冲击产生的强烈运动、断层运动及地壳变形等，出现各种破坏现象。
1.1.1地表破坏现象
（1）地面的断裂错动和地裂缝
强烈地震时，地下断层面直达地表，地貌随之改变。
显著的垂直位移造成断崖峭壁；
过大的水平位移产生地形、地物的错位；
挤压、扭曲造成地面的波状起伏和水平错动。
由于这些断裂错位，使道路中断、铁路扭曲（图1-3）、桥面断裂、房屋破坏，严重的可使河流改道，水坝受损（图1-4），直接造成灾害。
图1-3地震中铁路扭曲图1-4水坝局部垮塌
地裂缝是地震时最常见的现象，主要有两种类型。
一种是强烈地震时由于地下断层错动延伸至地表而形成的裂缝，称为构造地裂缝。
这种裂缝与地下断裂带的走向一致，其形成与断裂带的受力性质有关，一般规模较大，形状比较规则，通常呈带状出现（由数条地裂缝组成），裂缝带长度可达几千米甚至几万米，裂缝带宽度可达几米甚至几十米。
另一种地裂缝是在古河道、湖河岸边、陡坡等土质松软地方产生的地表交错裂缝，其大小形状不一，规模也较前一种小。
地裂缝穿过道路、结构时通常会使它们遭受破坏（图1-5）。
图1-5丽江地震中柏油路面震裂图1-6唐山地震中地面喷砂冒水
（2）喷砂、冒水
地震时出现喷砂冒水现象非常少见。
在地下水位较高、砂层埋深较浅的平原地区，地震时地震波的强烈振动使地下水压力急剧增高，地下水经地裂缝或土质较软的地方冒出地面，当地表土层为砂层或粉土层时，则夹带着砂土或粉土一起喷出地表，形成喷砂冒水现象（图1-6）。
喷砂冒水现象一般要持续很长时间，严重的地方可造成房屋不均匀下沉或上部结构开裂。
（3）地面下沉（震陷）
地震造成的局部地面下陷的事件是多种多样的（图1-7）。
在石灰岩分布地区，地下溶洞十分发育，在矿区由于人类的生产活动也会存在空洞，达地震时都可能被震塌，地面的土石层也随之下沉，造成大面积陷落；
在喷砂冒水严重的地方，也使地下出现洞穴。
造成土地下沉，形成洼地。
土地陷落的地方，当湖、海、河或地下水流入时，即可成灾。
唐山地震时，天津市郊一村庄沉陷2.6m，池水流入，水深可行船。
图1-7日本神户地震中操场地面沉陷结图1-8丽江地震时山体滑坡
（4）河岸、陡坡滑坡
在河岸、陡坡等处，强烈的地震作用往往造成土体失稳，从而形成塌方河滑坡。
有时会造成破坏道路、掩埋村庄、堵河成湖、房屋倒塌等严重震害（图1-8）。
1.1.2建筑物的破坏
在强烈地震作用下，各类建筑物发生严重破坏，按其破坏的形态及直接原因，可分为几类：
（1）结构构件强度不足造成的破坏
任何承重构件都有各自的特定功能，以适用于承受一定的外力作用。
对于设计时没有考虑抗震设防或抗震设防不足的结构，在强烈地震作用下，不仅构件内力增大很多，而且其受力性质往往也将改变，致使构件强度不足而被破坏（图1-9）。
图1-9构件强度不足使局部层破坏
（2）结构丧失整体性而造成的破坏
房屋建筑都是由许多构件组成的，在强烈地震作用下，构件连接不牢，支撑长度不够和支撑失效等都会使结构丧失整体性而破坏（图1-10、1-11）。
图1-10汶川地震中房屋倒塌图1-11日本地震中房屋整体倒塌
（3）地基失效
当建筑物地基内含饱和砂层、粉土层时，在强烈地面运动影响下，土中孔隙水压力急剧增高，致使地基土发生液化，地基承载力下降，甚至完全丧失，从而导致上部结构破坏（图1-12）。
1.1.3设施的破坏
地震还会造成公路、铁路、桥梁、水坝、构筑物、地下结构、码头及河岸堤防等设施的破坏（图1-13～图1-15）。
图1-12由于地基失效北川中学图1-13高速路路面震断
五层教学楼仅剩三层
图1-14桥面坠毁图1-15地下柱破坏导致路面下陷
城市街道和交通公路震害特征基本相同，常见的破坏想象有：
路基路面开裂、断裂、隆起或凹陷、道路喷水冒砂、道路两旁滑坡或堆积物阻塞或冲毁路面等。
铁路分为地面铁路和地下铁路两部分。
震后，由于轨道、路基、桥梁等工程遭到不同程度的破坏，同时因房屋倒塌砸坏通信、电力、供水、机务等辅助设施和设备，常常使铁路瘫痪。
轨道震害表现在平面和纵断面上的严重变形上，呈“蛇曲”或“波浪形”（图1-3）。
路基震害主要是下沉、开裂、边坡塌落和塌陷等。
地下铁路破坏一般较轻微，相对安全。
如1995年墨西哥大地震中，地表破坏十分严重，而地下铁路路基基本完好。
1989年美国洛马普里埃塔7.1级地震，担负着旧金山和奥克兰之间的重要交通运输任务的地铁没有遭到破坏，只是由于地震后电力暂时中断和震害检查而无法立刻使用。
桥梁是铁路和公路交通的关键，桥梁（特别是重要交通干线上的桥梁）在地震时遭受破坏，将严重影响交通运输，甚至导致交通瘫痪。
桥梁的震害现象主要包括：
上部结构坠毁、支承连接件破坏、桥台桥墩破坏、基础破坏等。
另外，构筑物（如烟囱、水塔等）、地下结构、码头及河岸堤防等也会在地震中受到不同程度的破坏。
在中等烈度下，烟囱震害主要集中发生在中、上部，且破坏的部位随烈度的增加而下移；
水塔主要由水柜、支撑结构及基础组成，震害主要发生在支撑上，很少有水柜和基础发生破坏的震害实例；
地下结构，尤其是浅埋的地下结构震害的主要形式包括地层的破坏导致地下结构受剪断裂或严重破坏，地基土液化引起地下结构破坏、下沉或上浮，地下结构接头部位产生裂缝等；
地震中码头及河岸堤防会出现崩塌、开裂、陷落甚至全部坍塌或滑落到海水中，破坏导致水运系统的瘫痪。
1.1.4次生灾害造成的破坏
地震的次生灾害是指在强烈地震以后，以地震直接灾害为导因引起的一系列其他灾害。
以及虽与震动破坏无直接联系，但与地震的存在有关的灾害，如防震棚火灾，因避震移居室外造成冻害等。
地震次生灾害的种类很多，可形成灾害链（图1-16），表现为持续发生的特定。
不同地区发生地震，发生灾害链的重点也不同。
在城市及人口稠密、经济发达地区，以建筑物倒塌、人员伤亡、火灾等灾害链为主。
在山区以泥石流、火宅等次生灾害链突出。
当地震发生在沿海及海底时，必须十分注意海啸灾害的影响。
图1-16地震灾害链
（1）火灾
在多种次生灾害中，火灾是最常见、造成损失最大的次生灾害。
在城市地震灾害中，以火灾为首的次生灾害有时并不亚于直接灾害造成的损失（图1-17），美国旧金山地震、日本关东地震和智利大地震等还出现城市地震次生灾害的损失超过直接灾害的震例。
1906年旧金山发生8.3级地震，全市有50多处起火，由于自来水管和消防站被震坏，水源断绝，大火连烧三昼夜，约10km2的城区被烧毁，火灾造成的损失高出直接破坏损失的3倍。
1923年日本发生关东8.2级地震，距震中60km的横滨市有1／5的房屋倒塌，208处几乎同时起火，因为消防设备和水管被破坏，无法灭火，城市几乎全部烧光；
距震中90km的东京，房屋被震塌近13万幢，损坏12.6万幢。
由于震后未及时切断电源、关闭煤气，全市有200多处起火，又因水管破坏、水源断绝、街道狭窄、道路堵塞等，无法及时灭火，全市大火烧毁房屋44.7万幢。
图1-17地震引发大火
据统计，在死亡的10多万人中，90％以上是被烧死的，在一处空地上聚集了4万多人，就有3.8万人在四面大火的包围中无路可走，拥挤枕藉而死。
在我国，从邢台地震到唐山地震，也都有火灾发生，火灾中很突出的是防震棚火灾，海城地震时次生火灾仅60起，防震棚火灾有3142起，烧死424.人，烧伤651人，唐山地震时，天津发生火灾36起，而防震棚火灾有452起，烧死52人，烧伤56人，造成经济损失上百万元。
（2）地震滑坡和泥石流灾害
在山区，地震时一般都伴有不同程度的坍塌、滑坡、泥石流灾害（图1-18、图1-19）。
1970年秘鲁7.7级地震时，泥石流以80—90m／s的速度，流动了160km，5000万立方米的泥土石块使1.8万人葬身其中，是世界上最大的地震泥石流灾害。
滑坡、泥石流进入江河会堵塞河道，造成地震水灾。
1933年四川迭溪发生7.5级地震，使千年古城迭溪被地震滑坡毁灭，附近蜗江两岸山体崩塌滑坡堆积成三座高达100m左右的天然石坝，将岷江截断，堵塞成4个堰塞湖，震后45天，坝体决口，酿成下游空前的大水灾，洪水纵横泛滥近千公里，淹没人口2万以上，冲毁农田约3000多平方公里。
而且地震滑坡、泥石流灾害，也如地震余震活动那样，持续时间长，反复性大，可从地震开始一直延续到次年乃至数年。
2.4地震灾害
万以上，冲毁农田约3000多平方公里。
而且地震滑坡、泥石流灾害，也如地
震余震活动那样，持续时间长，反复性大，可从地震开始一直延续到次年乃至
图1-18山体滑坡图1-19汶川地震山体滑坡形成堰塞湖
（3）地震海啸
地震海啸灾害是沿海地区极为严重的地震次生灾害。
1960年5月智利8.9级地震引起世界著名的海啸，浪高6m，浪头高达30m，席卷了沿岸的码头、仓库及其它建筑。
海浪以600～700km/h的速度横渡太平洋，5小时后袭击夏威夷群岛，将护岸的重约l万kg的巨大石块抛到百米以外，扫荡了沿岸的各类建筑物。
又过6小时后，抵达远离智利1.7万公里的日本海岸，浪高仍有3～4m，将1000多所住宅冲走，将一艘巨大的船只推上陆地40～50m，压在民房之上。
海啸波的波高大，波长更长，在广阔的洋面上，不会造成船只的事故，但它临近海岸时，巨浪骤然形成“水墙”，汹涌地冲向海岸，可使堤岸溃决，海水入侵，造成沿海地区的破坏，可使海上建筑物被摧毁，造成重大的损失。
1998年7月西南太平洋发生两次7.0级以上地震，引发了浪高10m的海啸，卷了巴布亚新几内亚北部沿海的7个村庄，约有3000人遇难，是西南太平洋20世纪最惨重的一次海啸灾难。
2004年12月26日，
印度尼西亚苏门答腊附近海域发生强烈地震（中国地震台网测定震级为里氏8.7级，美国地震监网测定震级为里氏9级），并引发海啸（图1-20），影响到印度尼西亚、泰国、缅甸、马来西亚、孟加拉国、印度、斯里兰卡、马尔代夫、索马里、塞舌尔、肯尼亚东南亚、南亚和东非国家，造成重大人员伤亡和财产损失。
这次灾难已造成11个国家17.8万人死亡，另有5万人至今下落不明。
图1-20印度洋海啸
1.2地球的构造及地震的成因
1.2.1地球的构造
地球是一个椭圆球体，平均半径约6400km，它主要由三层不同的物质构成（图1-21）。
第一层为地壳，厚度不均，约5-70km,主要由海水、风化土及多种岩层（如花岗岩和玄武岩）组成。
绝大多数的地震均发生在这一层。
第二层为地幔，厚度约2900km，主要由橄榄岩组成，相对密度约3.9～5.1。
地球内部的压力随深度增加而增大压力，内部放射物质不断释放热量，地球内部的温度也随深度增加而升高。
在地幔的上部（地下700km深处）图1-21地球的构造
的温度已达到20000C。
地幔在高温高压作用下处于一种软流塑状态。
地幔内部物质在高温状态下和不均衡压力作用下产生缓慢的运动，即所谓的地幔对流。
地幔对流是地壳运动的主要根源。
第三层为地核，厚约3500km，是地球的核心部分，其主要物质为铁和镍。
地核又分为外核和内核，外核厚约2100km，据推测为液态，内核则可能为固态。
1.2.2地震类型及成因
地震主要有构造地震、火山地震、陷落地震以及诱发地震。
构造地震发生频率高（占地震发生总数约90%）、影响面广、破坏性大，是工程抗震的主要研究对象。
构造地震是由于地壳构造运动使深部岩石的应变超过允许值，岩层发生断裂、错动而引起的。
关于构造地震的成因有多种假说，主要是断层假说和板块构造假说。
断层假说
由地球的构造可以看出，地壳如同浮在水面上的筏板。
在地幔对流等因素产生的巨大能量作用下，使地壳和地幔上部的岩石层发生皱褶变形，当积聚的地应力超过岩石的极限强度时，岩石层便发生脆性断裂，猛烈回弹错动，从而引起振动，以波的形式向地面传播，形成地震（图1-22）。
图1-22岩层的断裂
板块构造假说
板块构造学说认为，地球的表面岩层是由六大板块构成（图1-23、1-24），即美洲板块、非洲板块、欧亚板块、印澳板块、太平洋板块和南极洲板块。
这些板块在相对运动着，在它们的边界处产生挤压、拉伸和剪切，甚至有些板块呈现插入另一板块之下欲使其翘起的趋势。
地球上大多数地震就发生在这些板块的交界之处。
图1-23地球剖面图
图1-24板块分布图
1.2.3地震常用术语
地壳深处发生岩层断裂、错动，产生剧烈振动的地方称为震源。
震源至地面的垂直距离称为震源深度。
震源正上方的地面位置称为震中。
地面上某点至震源的距离称为震源距。
地面某点至震中的距离称为震中距（图1-25）。
图1-25地震术语示意图
一般把震源深度<
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属浅源地震；
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；
1999年9月21日的台湾大地震，震源深度仅为1.1km；
2008年5月12日的汶川特大地震，震源深度为14km。
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的能量，在长距离传播中大部分损失掉，所以对地面上的建筑物影响很小。
1.3地震波、震级和烈度
1.3.1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
体波是在地球内部传播的地震波。
体波又分为纵波和横波。
纵波是由震源向外传播的拉压波或疏密波，又称P波。
它使得介质质点振动向与波的传播方向一致。
这种波周期短，振幅小、速度快，引起地面垂直方向振动（图1-26）。
在地壳内它的速度一般为200~1400m/s。
从物理学可知，纵波的波速可按下式计算：
（1-1）
式中：
E—介质的弹性模量；
μ—介质的泊松比；
ρ—介质的密度
图1-26纵波的振动形式图1-27横波的振动形式
横波是由震源向四周传播的剪切波或等容波，又称S波。
它使得介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。
这种波周期长，振幅大，速度慢，引起地面水平方向振动（图1-27）。
在地壳内它的速度一般为100~800m/s。
从物理学可知，横波的波速可按下式计算：
（1-2）
G—介质的剪切模量。
当取μ=1/4时，由上面两式可知：
。
可见，P波比S波速度快。
（2）面波
面波是体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表面形成一种次生波。
面波又分为瑞利波（R波）和洛夫波（L波）。
瑞利波（R波）传播时，质点在波的传播方向和自由面（即地面）法线所组成的平现内作椭圆运动（图1-28）；
而与该平面垂直的水平方向（y方向）没有振动，在地面上呈滚动形式。
洛夫波（L波）传播时，质点只在与传播方向垂直的水平方向振动（图1-29），在地面上呈蛇形运动。
图1-28R波的振动形式图1-29L波的振动形式
面波周期长、振幅大；
速度为剪切波速的0.9。
面波只能在地面附近传播，使建筑物既竖向振动又水平摇晃；
面波衰减慢，能传播到很远的地方；
面波的波速比体波低，且具有随着地面深度增加而急剧减小的趋势。
纵波使建筑物上下颠簸，横波使建筑物产生水平方向摇晃，面波则使建筑物既产生竖向颠簸有产生水平方向摇晃。
横波和面波都到达时建筑物振动最为剧烈。
但面波的能量比体波的大，所以造成建筑物和地表的破坏主要以面波为主。
总之，从地震波的传播速度看：
纵波最大，横波次之，面波最小。
因此从地震记录图（图1-30）中可以看出，纵波首先到达，横波次之，面波最后到达。
图1-30地震波记录图
根据地震波曲线，利用P波和S波到达测量仪位置的时间差T可以得到震源距R。
由于
（1-3）
，称为虚波波速。
根据测量仪附近的地质情况可事先求得虚波波速v，一般情况下取8km/s。
1.3.2地震震级
衡量一次地震释放能量大小的等级，称为震级。
地震的震级一般采用里氏震级，用符号M表示，它是由里克特（C.F.Richter）在1935年首先提出的，即在离震中100km处由Wood-Anderson式标准地震仪（摆的自振周期为0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数为2800）所记录到的最大水平位移A（单振幅，单位为10-3mm）的常用对数M：
（1-4）
当震中距不是100km时，则需按修正公式进行计算：
（1-5）
A0为被选为标准的某一特定地震的最大振幅。
地震震级与地震释放能量由如下经验公式：
（1-6）
E为地震释放的能量，单位为erg（尔格）。
由式（1-4）和式（1-6）计算可知，当地震震级相差一级时，地面振动振幅相差约10倍，而能量相差近32倍。
一次6级地震释放的能量相当于一个2万吨级的原子弹。
一般来说，M<
2的地震，人们感觉不到，称为无感地震或微震；
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；
7的地震称为强烈地震或大地震；
8级，特大地震。
到目前为止记录到的最大地震为8.9级，1960年5月发生在智利。
1.3.3地震烈度
地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。
对于一次地震，只有一个震级。
但由于各地区距震中的远近不同、地质情况和建筑物状况也不同，故各地区所遭受到的地震影响程度也不同。
即一次地震对于不同地区有多个地震烈度。
一般地说，随距离震中的远近不同，烈度就有差异，距震中愈远，地震影响愈小，烈度就愈低；
反之，距震中愈近，地震影响愈大，烈度就愈高。
我国根据153个等震线资料统计出的地震烈度I、震级M和震中距R之间的经验关系：
（1-7）
震中点的烈度称为“震中烈度”。
对于浅源地震，震级与震中烈度I0的关系，如经验公式（1-8）和表1-2所示：
（1-8）
烈度与震级的大致关系表1-2
震级（M）
2
3
4
5
6
7
8
>
震中烈度（I0）
1-2
4-5
6-7
7-8
9-10
11
12
此外，地震烈度还与震源深度、地震传播介质、表土性质、建筑物动力特征、施工质量等许多因素有关。
为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准就称为地震烈度表。
它是以描述震害宏观想象为主的，即根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具等物体的反应等方面进行区分。
由于对烈度影响轻重的分段不同，以及在宏观现象和定量指标确定方面有差异，加上各国建筑情况及地表条件的不同，各国所制定的烈度表也不同。
现在，除了日本采用从0度到7度分成8等的烈度表、少数国家（如欧洲一些国家）用10度划分的地震烈度表外，绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。
我国1999年公布的GB/T17742-1999《中国地震烈度表》（见表1-3）继承了1980年烈度表的基本内容，只是对不同烈度的现象表述作了一些修改。
中国地震烈度表表1-3
烈度
地面上人
的感觉
房屋震害程度
其他现象
物理参数
震害现象
平均震害指数
峰值加速度
/（m/s2）
峰值速度
/（m/s）
1
无感
室内个别静止中人有感觉
室内少数静止中人有感觉
门、窗轻微作响
悬挂物微动
/（m/
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