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地震与抗震
结构设计需要把地震作用考虑进去，这就是要进行抗震设计。然而，许多结构工程师对地震知识的了解较为欠缺。本小节将对地震知识进行简单的介绍，同时也会简要地阐述地震动参数与抗震计算参数之间的关系。
（一）认识地震
1.常用地震术语（图3-1）
（1）震源：地壳深处发生岩层断裂、错动的地方称为震源。
（2）震中：震源正上方的地面称为震中。
震源到震中的距离被称作震源深度。通常将震源深度小于 60km 的地震称作浅源地震；震源深度在 60 至 300km 之间的被称为中源地震；震源深度大于 300km 的被称为深源地震。我国发生的绝大部分地震都属于浅源地震，其一般深度为 5 至 40km。1976 年 7 月 28 日发生了唐山大地震，震源深度是 11 千米；1999 年 9 月 21 日有台岛大地震，震源深度仅为 1.1 千米；2008 年 5 月 12 日出现汶川大地震，震源深度为 14 千米。我国的深源地震分布比较有限，只是在个别地区发生过深源地震，其深度通常在 400 到 600 千米之间。深源地震所释放出的能量，在长距离传播过程中大部分会被损失掉。正因如此，它对地面上的建筑物影响很小。
（4）震中距：地面上某点至震中的距离称为震中距。
图3-1 地震术语示意图
震级是用来衡量一次地震释放能量大小的等级，用符号来表示。1935 年，两位来自美国加州理工学院的地震学家里克特（Charles Francis Richter）和古登堡（Beno Gutenberg）提出了里氏震级，这是一种震级标度，目前它是国际通用的地震震级标准。
里氏震级是利用标准地震仪在距震中 100km 处记录的以微米为单位的最大水平地面位移（振幅），然后取其常用对数值。
M=lgA （3-1）
A——由地震曲线图上量得的最大振幅（μm)。
震级与地震释放的能量有下列关系：
lgE=1.5M+11.8 （3-2）
M——地震释放的能量。
通过公式（3 - 1）和（3 - 2）进行计算可以得知，当地震震级相差一个等级的时候，地面振动的振幅会增加 10 倍，并且能量会增加将近 32 倍，约为 10 的 1.5 次方即 31.6 倍。
地震引起的地面震动及其影响的强弱程度被称为地震烈度。依据《中国地震烈度表》GB／T 17742-2008，地震烈度被划分为 12 个等级，这些等级分别由罗马字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ来表示。地震烈度的评定指标包含人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象以及水平向地震动参数。《中国地震动参数区划图》GB 18306-2015有规定，Ⅱ类场地的地震动峰值加速度与地震烈度的对照情况在表 3-1 中有所体现，其中 a 指代的是Ⅱ类场地的地震动峰值加速度。
Ⅱ类场地的地震动峰值加速度与地震烈度存在对应关系，具体可参照表 3-1
Ⅱ类场地地震动峰值加速度
0.04g≤a
0.09g≤a
0.19g≤a
0.38g≤a
a≥0.75g
地震烈度
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
≥Ⅹ
2.地震烈度与震级的关系
一次地震发生后，在其波及的地区内，依据烈度表能够对该地区的每一个地点评定出一个烈度。我们把烈度相同的区域的外包线称作等烈度线或者等震线。理想化的等震线应当是一些有规则的同心圆。然而实际上，因为建筑物存在差异，以及受到地质、地形的影响，等震线大多是一些不规则的封闭曲线。
我国有关单位依据 153 个等震线资料，对其进行数理统计分析后，给出了烈度 I、震级 M 以及震中距 R（km）之间的关系式。
I=0.92+1.63M-3.49lgR（3-3）
以及震中烈度I0与震级M之间的关系式：
I0=0.24+1.29M（3-4）
3.我国“三水准，二阶段”抗震设防目标与地震烈度之间的关系
当基本烈度为 6 度时是 7 度强，7 度时是 8 度强，8 度时是 9 度弱，9 度时是 9 度强。
当遭遇第三水准烈度即最大预估烈度（罕遇地震）时，结构会有较大的非弹性变形，但应将其控制在规定的范围内，以避免倒塌。
从整体上能够看出，我国的抗震规范有着“三水准，二阶段”这样的抗震设防目标。而该目标与地震烈度之间的关系在表 3-2 中有呈现。
我国抗震设计仅进行了小震弹性的计算，部分项目进行了大震的弹塑性变形验算。设防地震对应的中震，是通过抗震措施（如强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、各种系数调整、各种抗震构造措施等）来予以保证的。《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 对需进行大震弹塑性变形验算的项目规定如下：
下列结构应进行弹塑性变形验算：
8 度Ⅲ类场地以及 8 度Ⅳ类场地时，还有 9 度时，那种高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架。
7 度到 9 度时，存在这样的情况：钢筋混凝土框架结构和框排架结构的楼层屈服强度系数小于 0.5 ；
3)高度大于150m的结构；
4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构；
5)采用隔震和消能减震设计的结构。
下列结构宜进行弹塑性变形验算：
本规范表 5.1.2 - 1 中所列出的高度范围的高层建筑结构，并且属于本规范表 3.4.3 - 2 中所列出的竖向不规则类型
7 度Ⅲ类场地的建筑以及 7 度Ⅳ类场地的建筑，还有 8 度时的乙类建筑中的钢筋混凝土结构，以及 8 度时的乙类建筑中的钢结构。
3)板柱-抗震墙结构和底部框架砌体房屋；
4)高度不大于150m的其他高层钢结构；
5)不规则的地下建筑结构及地下空间综合体。
4.我们设计的房子到底可以防几级地震
经常有楼盘广告宣称其房子能抗 8 级地震。另外，笔者所在的城市武汉，其设防烈度为 6 度。很多开发商会询问，自己所建的这栋房子到底能抗几级地震？笔者时常听到设计人员这样回答：我们的房子可以抗 6 级地震，原因是我们的设计是按照 6 度设防的。实际情况真的是这样吗？
以武汉 6 度 0.05g 为例，从理论计算角度来看，按照抗震规范设计的房屋，究竟能够抵抗几级地震呢？表 3 - 3 是震中烈度与里氏震级的关系表。
震中烈度与里氏震级关系表 表3-3
震中烈度（I0）
对应地震
换算为里氏震级（M）
房屋破坏程度
备注
众值烈度4.45度
小震
里氏3.26级
不坏
I0=0.24+1.29M
设防烈度6度
中震
里氏4.46级
可修
大震烈度7度
大震
里氏5.24级
不倒
从表 3 - 3 能够看出：倘若这栋房子的正下方遭遇地震，也就是这栋房子恰好处于震中位置。按照理论进行计算，当发生 3.26 级地震时，房子不会损坏；当发生 4.46 级地震时，房子可以进行修理；当发生 5.24 级地震时，房子不会倒塌。如果像我们设计人员所言，房子底下遭遇 6 级地震（房子恰好处于震中）钢结构房屋划分为几个抗震等级，那么对应的震中烈度为 I0 = 0.24 + 1.29M = 7.98，大约是 8 度。实际上，我们武汉的设计只能确保 7 度不倒。然而，地震通常不会恰好发生在这栋房子之下，只要房子与震中有一定距离，烈度就会大幅降低（依据公式 3 - 3 能够得知）。
5.为什么大地震下不倒的房屋还是有人员伤亡
汶川大地震在 2008 年 5 月 12 日发生，震中位于汶川县映秀镇，震级为里氏 8.0 级，震源深度 14km。以它为例，可以说明在大震之下不倒的房屋为何仍会有人员伤亡。根据 I0 = 0.24 + 1.29M 这一公式，汶川大地震震中烈度 I0 为 0.24 + 1.29 乘以 8，其结果是 10.56。2001 版抗震规范中，汶川的设防烈度为 7 度 0.10g。即便严格按照该规范进行设计的房屋，也仅仅能够保证达到 8 度而不会倒塌。根据公式 I = 0.92 + 1.63M - 3.49lgR ，当距离震中 25km 时，地震烈度约为 9 度；当距离震中 50km 时，地震烈度约为 8 度；当距离震中 100km 时，地震烈度约为 7 度；当距离震中 200km 时，地震烈度约为 6 度。德阳距震中 101 千米，地震烈度约为 7 度。2001 年抗震规范规定德阳设防烈度为 6 度 0.05g（第一组），可保证在 7 度地震时不倒。但实际上德阳死亡 10000 多人。汶川大地震之后，规范对成都的地震动参数进行了修改，将其修改为 7 度 0.10g 第三组，同时提高了特征周期值；对德阳的地震动参数也进行了修改，将其修改为 7 度 0.10g 第二组，并且加大了峰值加速度，提高了特征周期值。
为什么按照规范，可以保证大震不倒的房子会有那么多人伤亡？有几个方面的原因。其一，部分房屋未依照规范进行设计和施工，从而导致房屋倒塌；其二，有些房屋属于年代久远的类型，未能满足当时 2001 版规范的要求，进而致使房屋倒塌；其三，即便按照 2001 版规范进行了设计和施工，房屋没有倒塌钢结构房屋划分为几个抗震等级，但我们的规范中所规定的“不倒”，仅仅是针对主体结构而言，无法保证非结构构件（如幕墙、填充墙、设备等）不会倒塌，非结构构件的倒塌会具有很大的破坏性，并且也会造成人员伤亡。
