12.1 地震的基本知识
・12.1.1 地震基本概念及其分类・
1）基本概念
（1）地震
地震是一种自然现象，是由于地面运动而引起的振动。振动的原因是由于地壳板块进行构造运动，造成局部岩层变形不断增加，局部应力过大，当应力超过岩石强度时，岩层突然断裂或错动，释放出巨大的变形能，这种能量除一小部分转化为热能外，大部分以地震波的形式传到地面引起的局部地面振动。
（2）震源、震中、震中距、震源深度
造成地震发生的地方称为震源。构造地震的震源是指地下岩层发生断裂、错动的部位。这个部位不是一个点，而是具有一定深度和范围的区域。震源正上方的位置，或者说震源在地表的投影，称为震中。震中附近地面震动最厉害，也是破坏最严重的地区，称为震中区或极震区。地面某处至震中的距离称为震中距。把地面上破坏程度相近的点连成的曲线称为等震线。震源至地面的垂直距离称为震源深度。
（3）地震基本烈度
地震的发生具有一定的随机性，通常采用概率的方法来预测某地区在未来一定时间内可能发生地震的最大烈度。一个地区的基本烈度是指在50年期限内，一般场地条件下可能遭遇的超过概率为10%的地震烈度，该烈度称为地震基本烈度。
强烈的地震会引起地面剧烈颠簸和摇晃，并会造成建筑物和构筑物的破坏，危及人民生命财产安全。地震还可能引起水灾、火灾和滑坡等次生灾害。为了减轻或避免这些损害，需要对地震有较深入的了解，对建筑物进行抗震设计计算。
2）地震分类
（1）地震按其成因分类
地震按其成因可分成4种：构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震。
由于地壳深处岩层的构造变动引起的地震称为构造地震，构造地震分布广，危害最大；由于火山爆发，岩浆猛烈冲击地面引起的地面震动称为火山地震，火山地震在我国较少出现；由于地表或地下岩层突然发生大规模的塌陷和崩塌而引起的小范围内的地面震动称为陷落地震，这种地震很少造成损失，其震级也很小；由于水库蓄水或深井注水等引起的地面震动称为诱发地震。由于构造地震破坏性大、影响面广，建筑抗震设计中主要考虑的是构造地震。
（2）按震源深度分类
通常把震源深度在60 km以内的地震称为浅源地震；60～300 km的称为中源地震；大于300 km的称为深源地震。我国发生的绝大部分地震都属于浅源地震，一般深度为5～40 km。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400～600 km。由于深源地震所释放出的能量，在长距离传播中大部分被损失掉，所以对地面上的建筑物影响很小。
・12.1.2 地震强度・
1）地震震级
地震震级是地震大小的等级，是衡量一次地震释放能量的尺度。地震震级常用里氏震级表示：
式中 M——里氏震级；
A——采用标准地震仪（周期0.8 s，阻尼系数0.8，放大倍数2 800倍）在距离震中100 km处的坚硬地面上记录到的地面水平振幅（采用两个方向水平分量平均值，单位为μ m，1 μ m=10-3mm），当地震仪距震中不是100 km或非标准时，应按规定修正。
由式（12.1）可见，震级相差1级时，地面振幅相差10倍。
震级与地震释放的能量E（单位10-7J）的关系可用经验公式表示：
震级高1级时，能量增加约32倍。
根据M的大小可将地震分为：
①微震：M＜2。
②有感地震：M=2～4。
③破坏性地震（将引起建筑物不同程度的破坏）：M＞5。
④强烈地震：M=7～8。
⑤特大地震：M＞8。
2）地震烈度
地震烈度是指地震发生时在一定地点振动的强烈程度，它表示该地点地面和建筑物受破坏的程度（宏观烈度），也反映该地地面运动速度和加速度峰值的大小（定值烈度）。地震烈度与建筑所在场地、建筑物特征、地面运动加速度等有关。一次地震只有一个震级，而不同地点则会有不同的地震烈度。
・12.1.3 地震震害・
1）多层砌体房屋的震害
（1）墙体的破坏
在砌体房屋中，与水平地震作用方向平行的墙体是承担地震作用的主要构件。这类墙体往往因为主拉应力强度不足而引起斜裂缝破坏。由于水平地震反复作用，两个方向的斜裂缝组成交叉裂缝。由于多层房屋墙体下部地震剪力大，交叉形裂缝在多层砌体房屋中一般是下重上轻，如图12.1所示。
图12.1 交叉裂缝
图12.2 墙角破坏
（2）墙角的破坏
由于墙角位于房屋尽端，房屋对它的约束作用减弱，使该处抗震能力相对降低，因此较易破坏。此外，在地震过程中当房屋发生扭转时，墙角处位移反应较房屋其他部位大，这也是造成墙角破坏的一个原因，如图12.2所示。
（3）内外墙连接处的破坏
内外墙连接处是房屋的薄弱部位，特别是有些建筑内外墙分别砌筑，以直槎或马牙槎连接，这些部位在地震中极易拉开，造成外纵墙和山墙外闪、倒塌等现象，如图12.3和图12.4所示。
图12.3 屋盖破坏
图12.4 外纵墙倒塌
（4）楼梯间墙体的破坏
楼梯间除顶层外，一般层墙体计算高度较房屋其他部位墙体小，其刚度较大，因而该处分配的地震剪力大，故容易造成震害。而顶层墙体的计算高度又较其他部位大，其稳定性差，所以也易发生破坏。
（5）楼板与屋盖的破坏
在强烈地震作用下，由于楼板支承长度不足，引起局部倒塌，或其下部支承墙体破坏倒塌，引起楼板与屋盖的破坏，如图12.3所示。
（6）房屋附属物的破坏
在房屋中，突出屋面的屋顶间（电梯机房、水箱间等）、烟囱、女儿墙等附属结构，由于地震“鞭端效应”的影响，一般较下部主体结构破坏严重，几乎在6度区就发现有破坏。特别是较高的女儿墙、出屋面的烟囱，在7度区普遍破坏，8～9度区几乎全部损坏或倒塌。图12.5为烟囱破坏情形。
图12.5 烟囱破坏
2）多层框架房屋的震害
（1）框架梁、柱和节点的震害
框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁，柱顶震害重于柱底，角柱震害重于内柱，短柱震害重于一般柱。震害情况如下：
·柱顶 柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落（图12.6（a）），柱内箍筋拉断，纵筋压曲呈灯笼状，上部梁、板倾斜。例如，1976年发生在唐山的“7・28”大地震，以及1999年发生在台湾的“9・21”大地震，都有框架柱顶箍筋被拉断、混凝土崩落、纵筋压曲呈灯笼状的破坏现象。这种破坏的主要原因是节点处的弯矩、剪力和轴力都较大，柱的箍筋配置不足或锚固不好，在弯、剪、压的共同作用下，使箍筋失效造成的。这种破坏现象在高烈度区较为普遍，修复也很困难。
图12.6 框架结构房屋的破坏
（a）混凝土压碎崩落；（b）柱底出现环向水平裂缝；（c）桥墩短柱破坏；（d）填充墙倒塌
·柱底 柱的底部常见的震害是在离地面或楼面100～400 mm处有环向的水平裂缝，其破坏情况与柱顶相似，如图12.6（b）所示。
·短柱 当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成H/b≤4（H为柱高，b为柱截面的边长）的短柱。一方面短柱能承受较大的地震剪力；另一方面短柱也常发生剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断，图12.6（c）为桥墩短柱破坏情形。
·节点 梁柱节点区的破坏大都是因为节点区无箍筋或箍筋不足，混凝土出现斜裂缝甚至挤压破碎，严重时纵向钢筋压曲呈灯笼状。
·角柱 房屋不可避免地要发生扭转，因此角柱所受剪力最大，同时角柱又受双向弯矩作用，而其约束又较其他部位柱小，所以震害重于内柱。
（2）填充墙的震害
框架结构的砖砌填充墙破坏较为严重，一般7度即出现裂缝，端墙、窗间墙及门窗洞口边角部分裂缝最多，9度以上填充墙大部分倒塌，如图12.6（d）所示。其原因是在地震作用下，框架的层间位移较大，填充墙企图阻止其侧移，因砖砌体的极限变形很小，在往复水平地震作用下，会产生斜裂缝，甚至倒塌。
框架的变形为剪切形，下部层间位移较大，因此房屋中下部几层填充墙震害较重；框架-抗震墙结构的变形接近弯曲形，上部层间位移较大，故房屋上部几层填充墙震害严重。
（3）地基和其他原因造成的震害
建造在软弱地基上的高柔建筑物，烈度虽不甚高，但当结构自振周期与地基土卓越周期接近时，发生类共振而导致建筑物破坏的例子也屡见不鲜。如：1976年委内瑞拉发生6.5级地震，距震中56 km的加拉斯加冲积层场地土上有4栋10～12层钢筋混凝土框架全部倒塌；1976年唐山发生7.8级地震，距震中70 km的天津塘沽地区，地质条件为淤泥质软土层，建在这一地区的天津碱厂蒸发塔，高55 m、13层的框架结构7层以上部分倒塌。
防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞也容易造成震害，如天津市友谊宾馆东、西段之间只设有150 mm的防震缝，唐山地震时，在防震缝处不少面砖因碰撞而脱落。
