地震與抗震

結構設計需要考慮地震作用，也就是進行抗震設計。但是很多結構工程師對地震知識了解不多，本小節對地震知識作簡單的介紹，并簡要闡述地震動參數與抗震計算參數的關系。

（一）認識地震

1.常用地震術語（圖3-1）

（1）震源：地殼深處發生岩層斷裂、錯動的地方稱為震源。

（2）震中：震源正上方的地面稱為震中。

（3）震源深度：震源到震中的距離稱為震源深度。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。我國發生的絕大部分地震都是淺源地震，一般深度為5~40km。例如，1976年7月28日的唐山大地震，震源深度為11km；1999年9月21日的台灣大地震，震源深度僅為1.1km；2008年5月12日汶川大地震，震源深度為14km。我國深源地震分布十分有限，僅在個别地區發生過深源地震，其深度一般為400~600km。由于深源地震所釋放出的能量，在長距離傳播中大部分被損失掉，所以對地面上的建築物影響很小。

（4）震中距：地面上某點至震中的距離稱為震中距。

圖3-1 地震術語示意圖

（5）震級：衡量一次地震釋放能量大小的等級，稱為震級，用符号表示。裡氏震級是由兩位來自美國加州理工學院的地震學家裡克特（Charles Francis Richter）和古登堡（Beno Gutenberg）于1935年提出的一種震級标度，是目前國際通用的地震震級标準。

裡氏震級是利用标準地震儀距震中100km處記錄的以微米為單位的最大水平地面位移（振幅）的常用對數值：

M=lgA （3-1）

A——由地震曲線圖上量得的最大振幅（μm)。

震級與地震釋放的能量有下列關系：

lgE=1.5M 11.8 （3-2）

M——地震釋放的能量。

由公式（3-1）和（3-2）計算可知，當地震震級相差一級時，地面振動振幅增加10倍，而能量增加近32倍（10**1.5=31.6倍）。

（6）地震烈度：地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。根據《中國地震烈度表》GB／T 17742-2008，地震烈度劃分為12等級，分别用羅馬字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ表示。地震烈度的評定指标，包括人的感覺、房屋震害程度、其他震害現象、水平向地震動參數。根據《中國地震動參數區劃圖》GB 18306-2015規定，Ⅱ類場地地震動峰值加速度與地震烈度對照表見表3-1，其中a表示Ⅱ類場地地震動峰值加速度。

Ⅱ類場地地震動峰值加速度與地震烈度對照表 表3-1

Ⅱ類場地地震動峰值加速度

0.04g≤a<0.09g

0.09g≤a<0.19g

0.19g≤a<0.38g

0.38g≤a<0.75g

a≥0.75g

地震烈度

Ⅵ

Ⅶ

Ⅷ

Ⅸ

≥Ⅹ

2.地震烈度與震級的關系

對應于一次地震，在其波及的地區内，根據烈度表可以對該地區内每一地點評定出一個烈度。我們将烈度相同的區域的外包線，稱為等烈度線或等震線。理想化的等震線應該是一些規則的同心圓。但實際上，由于建築物的差異、地質、地形的影響，等震線多是一些不規則的封閉曲線。

我國有關單位根據153個等震線資料，經過數理統計分析，給出了烈度I、震級M、和震中距R(km)之間的關系式：

I=0.92 1.63M-3.49lgR（3-3）

以及震中烈度I0與震級M之間的關系式：

I0 =0.24 1.29M（3-4）

3.我國“三水準，二階段”抗震設防目标與地震烈度之間的關系

《建築抗震設計規範》GB 50011-2010條文說明指出：根據我國華北、西北和西南地區對建築工程有影響的地震發生概率的統計分析，50年内超越概率約為63%的地震烈度為對應于統計“衆值”的烈度，比基本烈度約低一度半，本規範取為第一水準烈度，稱為“多遇地震”；50年超越概率約10%的地震烈度，即1990中國地震區劃圖規定的“地震基本烈度”或中國地震動參數區劃圖規定的峰值加速度所對應的烈度，規範取為第二水準烈度，稱為“設防地震”；50年超越概率2%～3%的地震烈度，規範取為第三水準烈度，稱為“罕遇地震”，當基本烈度6度時為7度強，7度時為8度強，8度時為9度弱，9度時為9度強。

與三個地震烈度水準相應的抗震設防目标是：一般情況下（不是所有情況下），遭遇第一水準烈度—衆值烈度（多遇地震）影響時，建築處于正常使用狀态，從結構抗震分析角度，可以視為彈性體系，采用彈性反應譜進行彈性分析；遭遇第二水準烈度—基本烈度（設防地震）影響時，結構進入非彈性工作階段，但非彈性變形或結構體系的損壞控制在可修複的範圍[與89規範、2001規範相同，其承載力的可靠性與《工業與民用建築抗震設計規範》TJ 11-78（以下簡稱78規範）相當并略有提高；遭遇第三水準烈度—最大預估烈度（罕遇地震）影響時，結構有較大的非彈性變形，但應控制在規定的範圍内，以免倒塌。

綜上可以看出，我國抗震規範“三水準，二階段” 抗震設防目标與地震烈度之間的關系見表3-2。

也就是說，我國的抗震設計僅進行了小震彈性的計算，少數項目進行了大震的彈塑性變形驗算。而設防地震對應的中震，是以抗震措施（強柱弱梁、強剪弱彎、強節點、各種系數調整、各種抗震構造措施等）來加以保證的。《建築抗震設計規範》GB 50011-2010對需要進行大震彈塑性變形驗算的項目是這麼規定的：

下列結構應進行彈塑性變形驗算：

1)8度Ⅲ、Ⅳ類場地和9度時，高大的單層鋼筋混凝土柱廠房的橫向排架；

2)7～9度時樓層屈服強度系數小于0.5的鋼筋混凝土框架結構和框排架結構；

3)高度大于150m的結構；

4)甲類建築和9度時乙類建築中的鋼筋混凝土結構和鋼結構；

5)采用隔震和消能減震設計的結構。

下列結構宜進行彈塑性變形驗算：

1)本規範表5.1.2-1所列高度範圍且屬于本規範表3.4.3-2所列豎向不規則類型的高層建築結構；

2)7度Ⅲ、Ⅳ類場地和8度時乙類建築中的鋼筋混凝土結構和鋼結構；

3)闆柱-抗震牆結構和底部框架砌體房屋；

4)高度不大于150m的其他高層鋼結構；

5)不規則的地下建築結構及地下空間綜合體。

4.我們設計的房子到底可以防幾級地震

經常看到有些樓盤廣告說我們的房子可以抗8級地震。再就是筆者所在的城市武漢設防烈度為6度，很多開發商問，我們這棟房子到底可以抗幾級地震？筆者經常聽到設計人員回答：我們的房子可以抗6級地震，依據就是我們的設計是按照6度設防。實際情況是這樣的嗎？

下面以武漢6度0.05g為例，理論計算按照抗震規範設計的房屋，到底可以抵抗幾級地震。表3-3為震中烈度與裡氏震級關系表。

震中烈度與裡氏震級關系表 表3-3

震中烈度（I0）

對應地震

換算為裡氏震級（M）

房屋破壞程度

備注

衆值烈度4.45度

小震

裡氏3.26級

不壞

I0 =0.24 1.29M設防烈度6度

中震

裡氏4.46級

可修

大震烈度7度

大震

裡氏5.24級

不倒

從表3-3可以看出：如果這棟房子的正下方發生地震（也就是這棟房子正好位于震中），理論計算，發生3.26級地震房子不壞，發生4.46級地震房子可修，發生5.24級地震房子不倒。如果真如我們設計人員所說，房子底下發生6級地震（房子正好位于震中），其對應的震中烈度為 I0 =0.24 1.29M=7.98，約為8度，其實我們武漢的設計隻能保證7度不倒。但是其實地震也不會正好發生在這棟房子以下，隻要房子離震中有距離，烈度就會劇烈折減（根據公式3-3可知）。

5.為什麼大震下不倒的房屋還是有人員傷亡

以汶川大地震為例，說明為什麼大震下不倒的房屋還是有人員傷亡。汶川大地震發生于2008年5月12日，震中汶川縣映秀鎮，裡氏震級8.0級，震源深度14km。根據 I0 =0.24 1.29M，汶川大地震震中烈度度 I0 =0.24 1.29x8=10.56，2001版抗震規範汶川設防烈度為7度0.10g，即使嚴格按照規範進行設計的房屋，也僅能保證8度不倒。根據 I=0.92 1.63M-3.49lgR，距離震中25km，地震烈度約為9度；距離震中50km，地震烈度約為8度；距離震中100km，地震烈度約為7度；距離震中200km，地震烈度約為6度。成都距離震中92km，地震烈度約為7度，2001年抗震規範規定成都設防烈度為7度0.10g（第一組），可保證8度不倒，但是成都死亡約4100人。德陽距離距離震中101km，地震烈度約為7度，2001年抗震規範規定德陽設防烈度為6度0.05g（第一組），可保證7度不倒，但是德陽死亡10000多人。汶川大地震後，規範對成都和德陽的地震動參數作了修改，成都修改為7度0.10g第三組（提高特征周期值），德陽修改為7度0.10g第二組（加大峰值加速度、提高特征周期值）。

為什麼按照規範，可以保證大震不倒的房子會有那麼多人傷亡？有幾方面的原因，一是有些房屋沒有按照規範進行設計、施工，房屋倒塌；二是有些房屋是年代久遠的房屋，沒有達到當時的2001版規範的要求，房屋倒塌；三是即使按照2001版規範設計、施工，房屋沒有倒塌，但是我們規範中規定的“不倒”，僅僅指主體結構，并不能保證非結構構件（幕牆、填充牆、設備等）不倒塌，非結構構件的倒塌也會有很大的破壞性，也會緻人傷亡。