住宅結構設計之抗震

　　地震及震源和震中 地殼是由各種巖層組成的。由于地球在其運動和發展過程中內部存在大量的能量，地殼中的巖層在這些能量所產生的巨力作用下，使原來成水平狀態的巖層發生形變，出現褶皺；隨著地應力的逐漸加劇，巖層構造變動也逐漸加劇，當巖層薄弱部位的巖石強度承受不了強大力作用時（或者說其應變已超過了巖石所能容忍的應變時），巖層發生了突然的斷裂和猛烈的錯動，此時，巖層在構造變動過程中累積起來的應變能突然得到釋放，并以彈性波的形式傳到地面，產生強烈的地面運動，此即為構造地震。因其在各種地震中占絕大多數，且影響最大，故一般把構造地震簡稱為地震。

　　除構造地震外，還有由于火山爆發、溶洞塌陷、水庫蓄水、核爆炸等原因引起的地震，這些地震和構造地震相比，其影響小、頻度低。地殼巖層發生斷裂產生劇烈的相對運動的地方叫震源。震源正上方向的地面位置叫震中。由震中到觀測點的距離叫震中距。一般把震源距地面的深度小于60km的地震稱為淺源地震，深度為60～300km的地震稱為中源地震，深度大于300km的地震稱為深源地震。我國除黑龍江省和吉林省的個別地區有深度為400～600km的深源地震外，絕大部分屬于淺源地震。一般說對于同樣大小的地震，淺源地震波及面小而破壞程度大，深源地震則相反。多數破壞性地震發生于較淺的地方，深度大于100km的地震在地面上不致引起災害。由于我國地震2／3發生在大陸地區，而且絕大多數是震源深度為20～30km的淺源地震，故對地面建筑物和工程設施的破壞較重，給人民生命財產和國民經濟造成十分嚴重的損失。

　　震級 是反映一次地震大小的級別。震級M的原始定義是的1935年里希特給出的：

　　M＝logA

　　A是標準地震儀（周期為0．8秒、阻尼系數為0．8、放大倍數為2800倍的地震儀）在距震中100km 處記錄的以μm（10↑（－3）mm）為單位的最大水平地動位移。例如，在上述條件下測得的A值為10000μm，取其對數等于4，這次地震即定義為4級。震級直接與震源釋放出來的能量大小有關。不同震級M與所釋放出來的能量E（爾格，1爾格：10↑（－7）焦耳）有如下關系：

　　log10E＝11．8+1．5M

　　按此式推算，震級每增加一級，地震波能量增加32倍。2級以下地震稱為微震，人們感覺不到；2～4級地震稱為有感地震；5級以上地震統稱為破壞性地震；7級以上的稱為強烈地震；8級以上的稱為特大地震。至今已發生的最大震級為8．9級。

　　基本烈度、眾值烈度及罕遇烈度 基本烈度指某一地區今后一定時期內在一般場地條件下可能遭受的較大烈度。其實質是某地區今后一定時間內的震害預報，同時也是抗震設防設計的依據?；玖叶鹊拇_定是地震主管部門以我國的地震危險區為基礎，考慮了地震烈度隨震中距增加而衰減的統計分析，結合歷史地震調查，制定了我國的地震烈度區劃圖，烈度區劃圖中劃定的烈度即為基本烈度。一個地區發生的地震是隨機事件，而地震烈度更是隨機變量。隨機變量只能用概率分布規律來描述。我國地震烈度區劃圖上標定的基本烈度，其概率上的定義為50年設計基準期內具有超越概率為10％的保證率。眾值烈度又稱常遇烈度或多遇烈度，是該地區出現頻度最高的烈度，相當于概率密度曲線上峰值時的烈度，故稱眾值烈度。具有超越概率為63％的保證率。多遇烈度（眾值烈度）比基本烈度低1．5度（嚴格地說低1．55度）。罕遇烈度：在設計基準期內，遭遇大于基本烈度的大烈度震害的小概率事件還是可能發生的。隨著基本烈度的提高，大震烈度增加的幅度有所減少，不同基本烈度對應的大震烈度的定量標準也不應相同。通過對43個城市地震危險性的分析，并結合我國經濟實況，可粗略地將50年超越概率2％～3％的烈度作為罕遇地震的概率水平：當基本烈度為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。

　　近震和遠震 在相同烈度和相同場地條件下的某一地區，當處在中等地震（例如震級M：5．5）的震中區和處在大地震（例如震級M：7．5）距震中較遠處（例如震中距為50km），其所受到的破壞作用很不相同。這是因為長周期地震波比短周期地震波隨距離增加衰減得輕，剛性結構在震中的破壞大于震中距遠的地方，而高柔結構則相反。此外，同一烈度而地震持續時間不同，震害也不同。例如震級為8級，震中距遠的8度區，地震持續時間常達40s以上，而震級為6級，震中區附近的8度區，地震持續時間僅幾秒，兩者震害很不相同。相同烈度下這種不同地震破壞作用，實質上反映了頻譜特性或反應譜的差異。故有必要區分在相同烈度條件下震級或震中距不同時的反應譜差異。經統計，不同震級M時，地震烈度I與震中距D（以km計）的關系為：

　　I＝0．92＋1．63M－3．49logD

　　而在震中區為：

　　I＝0．24+1．29M

　　規范規定：當某地區是受震中烈度與該地區給定的基本烈度相等或比它大一度的地震影響時，稱為近震；當某地區是受震中烈度比該地區給定的基本烈度大二度或二度以上的地震影響時，稱為遠震。按現行烈度區劃圖，我國絕大多數地區只考慮近震影響。

篇2：住宅結構設計之抗震(3)

　　住宅結構設計之抗震（3）

　　抗震的二階段設計 用此二階段設計來實現三水準的設防目標。第一階段設計是為了保證在設防烈度地震影響下結構滿足預定的設計要求。采用按第一水準的地震動參數計算結構的彈性地震作用和相應的地震作用效應作為標準值，采用分項系數表達式進行結構構件的截面設計。這樣，既滿足了在第一水準下有必要的強度可靠度，又滿足第二水準的設防要求（損壞可修）。對大多數結構來說，可只進行第一階段設計，而通過概念設計和抗震構造要求來滿足第三水準的設計要求。第二階段設計，即薄弱部位和地震時易倒塌的柔性建筑物，除進行第一階段設計外，尚需進行第二階段設計，以找出薄弱部位，采取相應構造措施，以防止倒塌，實現第三水準的設防要求。

　　抗震概念設計 概念設計是指一些在計算中或在規范中難以作出具體規定的問題，必須由工程師運用"概念"進行分析，作出判斷，以便采取相應的措施。例如結構破壞機理的概念，力學概念以及由震害試驗現象等總結提供的各種宏觀和具體的經驗等，這些概念及經驗要貫穿在方案確定及結構布置過程中，也體現在計算簡圖或計算結果的處理中。建筑結構的抗震設計，是以現有科學水平和經濟條件為前提的。目前地震及結構所受地震作用還有許多規律未被認識，人們在總結歷次大地震災害經驗中認識到：一個合理的抗震設計，在很大程度上取決于良好的"概念設計"?？拐鸶拍钤O計主要有如下幾點：1．建筑的體型力求簡單、規則、對稱、質量和剛度變化均勻。2．抗震結構體系，應符合以下要求：（1）具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；（2）具有多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力；（3）應具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力；（4）具有合理的剛度和強度分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中；對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。3．抗震結構的各類構件應具有必要的強度和變形能力（或延性）。4．抗震結構的各類構件之間應具有可靠的連接。5．抗震結構的支撐系統應能保證地震時結構穩定。6．非結構構件（圍護墻、隔墻、填充墻）要合理設置。

　　抗震結構體系 是抗震設計應考慮的最關鍵問題，對安全和經濟起決定性的作用，是綜合的系統決策。體系的選擇要符合抗震概念設計的幾條基本原則。主要的抗震結構體系有：1．多層砌體房屋。是以砌體（無筋砌體或配筋砌體）抗震墻為抗震結構體系，其中以橫墻承重為主的結構體系較有利，承重橫墻兼作橫向抗震墻，縱向自承重墻作為縱向抗震墻，必要時也可以采用縱、橫墻混合承重。2．多層內框架房屋。指外墻為磚墻垛（或壁柱）承重，內柱為鋼筋砼柱承重的房屋，適用于工藝上需要較大空間或使用上要求有較空曠的大廳的輕工廠房和民用公共建筑等。3．底層框架磚房。底層要求有較大空間作商店、服務大廳等，上部則為隔墻較多的住宅或辦公樓，是一種上下材料不同、強度和剛度不連續的結構體系，在抗震設計中有較嚴格的要求。4．框架結構。多應用于多層及高層民用建筑和多層的工業建筑，建筑平面布置靈活，易于布置較大房間。但純框架結構側向剛度小，屬柔性結構，故其層數和高度都受到一定限制。5．框架－抗震墻結構。在多層和高層鋼筋混凝土房屋的縱向和橫向布置適當的抗震墻，并與框架結構形成框架－抗震墻協同工作的結構體系。在地震作用下層間位移比純框架結構顯著減小，故其建筑高度可以高很多。6．抗震墻結構。是全部由縱、橫抗震墻組成的結構體系，其抗震性能較好，在高層住宅、公寓、旅館等建筑中廣泛應用。

篇3：住宅結構設計之抗震(2)

　　住宅結構設計之抗震（2）

　　場地 指建筑物所在地，其范圍大體相當于廠區、居民點和自然村的區域，并具有相近的反應譜特性；場地類別系按場地土類型和場地覆蓋層厚度對場地地震效應的一種劃分，作為表征場地條件的指標。場地土指場地范圍內的地基土；場地土類型系場地上剛度的一種劃分，不能單獨作為表征場地條件的指標。場地覆蓋層厚度指地面至剪切波速大于500m／s土層或堅硬土層面的距離。場地土類型可采用剪切波速分類法或近似分類法，當為多層土時用土層平均剪切波速值劃分。場地類別按場地土類型和場地覆蓋層厚度劃分成I～Ⅳ四類，按規范表格劃分。當有充分依據時可以適當調整。當用樁基或深基礎時不改變原有場地類別。建筑場地的選擇應根據工程需要，掌握地震活動情況和工程地質的有關資料，作出綜合評價；宜選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震不利的地段，不應在對建筑抗震危險的地段建造甲、乙、丙類建筑。

　　土層的卓越周期 設基巖為彈性半無窮體，其剪切模量為G↓巖，密度為P↓巖，橫波在其中通過的波速為V↓（s巖）；其上覆蓋厚度為H的水平土層，土層的剪切模量為G↓土，密度為P↓土，橫波在其中通過的波速為V↓（s土）。根據理論分析，假如有個自基巖發射出來的正弦波形的彈性波，經過土層到達地面的振幅與基巖振幅的比值可用下式表達：

　　式中 為巖土阻抗比。當表土層剛度比基巖小，即K＜1時，一般情況下β＞1，地面振幅比基巖中的大；當表土層剛度比基巖大，即K＞1時，一般情況下β＜1，地面振幅比基巖中的小。當巖基上覆蓋著軟土層時，振幅放大系數β有些類似于單質點系共振曲線，在ωH／V↓（s土）＝π／2時，β出現峰值，相應的周

　　期為：

　　一般稱此為土層卓越周期，是場地的重要動力特性之一。一般來說，地基上土卓越周期只是在土層數少、相鄰土層的波傳播速度差別較大時才較明顯。至于考慮土的阻尼作用以及強震時土的變形非線性關系之后，問題就更加復雜。盡管如此，卓越周期公式說明，地震對結構的破壞作用除了地震烈度大小之外，所在地的地基土質情況如土的剛度及土層覆蓋厚度是很重要因素。一般軟弱地基地面運動振幅大，卓越周期長，持續時間亦長，對柔性結構不利，建筑物震害有加重趨勢，這是由于建筑物發生類共振現象所致，在結構抗震設計中，應使結構的自振周期避開卓越周期，以免產生共振現象。

　　地基液化 地震時飽和砂土地基會發生液化現象，造成建筑物的地基失效，發生建筑物下沉、傾斜甚或倒塌等現象。地基土的承載能力主要來自土的抗剪強度，而砂土或粉土的抗剪強度主要取決于土顆粒之間形成的骨架作用。飽和狀態下的砂土或粉土受到振動時，孔隙水壓力上升，土中的有效應力減小，土的抗剪強度降低。振動到一定程度時，土顆粒處于懸浮狀態，土中有效應力完全消失，土的抗剪強度為零。土變成了可流動的水土混合物，此即為液化。飽和砂土或粉土液化除了地震的振動特性外，還取決于土的自身狀態：1．土飽和，即要有水，且無良好的排水條件；2．土要足夠松散，即砂土或粉土的密實度不好；3．土承受的靜載大小，主要取決于可液化土層的埋深大小，埋深大，土層所受正壓力加大，有利于提高抗液化能力。此外，土顆粒大小，土中粘粒含量的大小，級配情況等也影響到土的抗液化能力。在地震區，一般應避免用未經加固處理的可液化土層作天然地基的持力層。

　　三水準的地震設防目標 為貫徹執行地震工作以預防為主的方針，使建筑經抗震設防后，減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失，結合我國目前的經濟能力，規范提出地震設防的三個水準是，第一水準：當遭受低于本地區設防烈度的多遇地震影響時，建筑一般不受損壞或不需修理仍可繼續使用，即"小震不壞"。第二水準：當遭受本地區設防烈度的地震影響時，建筑可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用，即"中震可修"。第三水準：當遭受高于本地區設防烈度的預估的罕遇地震時，建筑不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞，即"大震不倒"。