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。
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