第1章 地震基礎知識與建筑抗震設防
【學習目標】
* 了解地震的類型及其成因。
* 熟悉地震波、地震震級、地震烈度等術語。
* 明確結構抗震設防依據、目標及分類標準。
* 理解抗震設計概念的基本內容和要求。
【本章導讀】
本章主要通過有關地震震害的啟示，學習地震的成因及類型，地震波、震級、烈度等基本概念，地震的破壞作用，結構抗震設防依據、目標和分類標準，以及抗震設計概念的基本內容和要求。
案例導入
地震是一種災害性自然現象，全世界每年大約發生500萬次地震，其中絕大多數地震是人感覺不到的微小地震，只有靈敏的儀器才能監測到它們的活動。人能夠感覺到的地震(有感地震)每年發生約5萬次，其中5級以上破壞性地震約有1000余次，能夠造成嚴重破壞的強烈地震平均每年發生約18次。我國是世界上多地震國家之一，20世紀共發生破壞性地震3000余次，其中6級以上地震近800次，8級以上特大地震9次。
由于地震時產生的巨大能量，往往造成各類建筑物和設施的破壞，甚至倒塌，并引起各種次生災害的發生以及人員的傷亡。提高建筑物和各類設施抵抗地震破壞能力，防止地震時人員傷亡，減少地震所造成的經濟損失，是地震工程和抗震工程學的重要任務。
對各類建筑物和設施進行抗震設防，免不了要增加工程的造價和投資，因此如何合理地采用設防標準，既能有效地減輕工程受到的地震破壞、避免人員傷亡、減少經濟損失，又能合理地使用有限的資金，是當前工程抗震防災中迫切需要解決的關鍵問題。由于制定的設防標準不同，各類建筑物和設施在地震中的表現會截然不同，因而地震時造成的損失也會有巨大的差別。例如，日本東京歷史上曾發生過8級以上大地震，日本政府以及各界一向對此十分關心和重視，長期以來一直致力于將東京建成一個能抗御8級大地震的城市。1986年一次6.2級地震發生在東京城底下，一座上千萬人口的城市僅死亡2人，整個城市幾乎未遭受到破壞。可是一向認為沒有發生大地震危險的日本第二大港神戶市對工程抗震設防就不那么重視。在1995年1月17日的一次6.9級(JMA震級為7.2)的地震中，導致了近10萬棟房屋毀壞、5500人死亡和約1000億美元的經濟損失。
問題導入
從上述的案例不難看出，工程抗震是減輕地震災害和損失十分有效的措施，工程抗震的成效很大程度上取決于所采用的工程設防標準，而制定恰當、合理的設防標準不僅需要有可靠的科學和技術依據，并同時要受到社會經濟、政治等條件的制約。那么是不是對工程建筑物和設施的設防標準越高越好呢？本章將說明建筑抗震規范中最佳的或者說可行、合理的設防標準，特別是可接受的最低設防標準的制定，需要在保證地震作用下工程的安全性與優化的經濟效益和社會影響之間取得平衡。
1.1 地震與地震動
地震給人類社會帶來災難，造成不同程度的人身傷亡和經濟損失，為了減輕或避免這種傷亡及損失，就需要對?地震有較深入的了解。作為土木工程技術人員，其主要任務就是研究如何防止或減少建(構)筑物由于地震而?造成的破壞，這就是建(構)筑物的抗震問題。
1.1.1 地球的構造
地球是一個略呈橢圓的球體，它的平均半徑約為6?400km。研究表明，地球是由性質不同的三個層次構成：最外層是薄薄的地殼，中間層是很厚的地幔，最里層是地核，如圖1.1所示。
地殼是由各種結構不均勻、厚薄不一的巖層組成。在陸地上，陸地地殼除表面的沉積層外，主要由花崗巖層和玄武巖層組成，平均厚度為30～40km。在海洋中，海洋地殼一般只有玄武巖層，平均厚度為5～8km。地球上絕大部分地震都發生在地殼內。
地幔主要是由質地非常堅硬、結構比較均勻的橄欖巖組成。地殼與地幔的分界面叫莫霍面，莫霍面以下40～70km內是一層巖石層，它與地殼共同組成巖石圈。巖石層以下存在一個厚度幾百千米的軟流層，該層物質呈塑性狀態并具有黏彈性質。巖石層與軟流層合稱上地幔。上地幔之下為下地幔，其物質成分與結構和上地幔差別不大，但物質密度較大。
圖1.1 地球的構造
地核是個半徑為3?500km的球體，可分為外核和內核。地核的成分和狀態目前尚不清楚，據推測外核厚度約為2?100km，處于液態；內核半徑約為1?400km，處于固態。地核構成物質主要是鎳和鐵。
到目前為止，所觀察到的地震深度最深為700km，比起地球半徑來僅占1/10，可見地震僅發生于地球的表面部分——地殼內和地幔上部。
1.1.2 地震類型與成因
地震按照其成因可分為三種主要類型：火山地震、塌陷地震和構造地震。
(1) 伴隨火山噴發或由于地下巖漿迅猛沖出地面引起的地面運動稱為火山地震。這類地震一般強度不大，影響范圍和造成的破壞程度均比較小，主要分布于環太平洋、地中海以及東非等地帶，其數量約占全球地震的7%。
(2) 地表或地下巖層由于某種原因陷落和崩塌引起的地面運動稱為塌陷地震。這類地震的發生主要由重力引起，地震釋放的能量與波及的范圍均很小，主要發生在具有地下溶洞或古舊礦坑地質條件的地區，其數量約占全球地震的3%。
(3) 由于地殼構造運動造成地下巖層斷裂或錯動引起的地面振動稱為構造地震。這類地震破壞性大、影響面廣，而且發生頻繁，絕大多數的強震均屬構造地震。構造地震為數最多，約占全球地震的90%以上。構造地震一直是人們的主要研究對象，關于構造地震的成因有多種學說，這里主要介紹斷層說和板塊構造說。
構造地震成因的局部機制可以用地殼構造運動來說明。地球內部處于不斷運動之中，地幔物質發生對流釋放能量，使得地殼巖石層處在強大的地應力作用之下，在漫長的地質年代中，原始水平狀的巖層發生形變：當地應力只能使巖層產生彎曲而未喪失其連續性時，巖層發生褶皺；當巖層變形積累的應力超過本身強度極限時，巖層就發生突然斷裂和猛烈錯動，巖層中原先積累的應變能全部釋放，并以彈性波的形式傳到地面，地面隨之振動，形成地震，如圖1.2所示。
圖1.2 構造運動與地震形成示意圖
構造地震成因的宏觀背景可以借助板塊構造學說來解釋。板塊構造學說認為，地殼和地幔之間厚70～100km的巖石組成的全球巖石圈由大大小小的板塊組成，類似一個破裂后仍連在一起的蛋殼，板塊下面是塑性物質構成的軟流層。軟流層中的地幔物質以巖漿活動的形式涌出海嶺，推動軟流層上的大洋板塊在水平方向移動，并在海溝附近向大陸板塊之下俯沖，返回軟流層。這樣在海嶺和海溝之間便形成地幔對流，海嶺形成于對流上升區，海溝形成于對流下降區(見圖1.3)。
圖1.3 板塊運動
全球巖石圈可以分為六大板塊，即歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印度洋板塊和南極板塊(見圖1.4)。各板塊由于地幔對流而互相擠壓、碰撞，地球上的主要地震帶就分布在這些大板塊的交界地區及附近，僅有15%左右發生于板塊內部。
圖1.4 全球大板塊劃分示意圖
1.1.3 地震波
地震引起的振動以波的形式從震源向各個方向傳播并釋放能量，這就是地震波。它包含在地球內部傳播的體波和只限于在地球表面傳播的面波。地震波是一種彈性波。
體波包括縱波和橫波兩種。縱波是由震源向外傳播的疏密波，其介質質點的振動方向與波的前進方向一致，從而使介質不斷地壓縮和疏松，故也稱壓縮波或疏密波。如在空氣中傳播的聲波就是一種縱波。縱波?的特點是周期較短、振幅較小、傳播速度快，在地殼內它的速度一般為200～1?400m/s。
橫波是由震源向外傳播的剪切波，其介質質點的振動方向與波的前進方向相垂直，亦稱剪切波。橫波的周期較長、振幅較大、傳播速度較慢，在地殼內它的速度一般為100～800m/s(見圖1.5)。還應指出，橫波只能在固體內傳播，而縱波在固體和液體內都能傳播。
圖1.5 體系質點振動形式
根據彈性理論，縱波的傳播速度與橫波的傳播速度可分別按式(1.1)和式(1.2)計算：
(1.1)
(1.2)
式中：——介質的彈性模量；
——介質的剪切模量；
——介質的密度；
——介質的泊松比。
在一般情況下，當時，從式(1.1)和式(1.2)可得：
(1.3)
由此可見，縱波的傳播速度要比橫波的傳播速度快，所以在儀器的觀測記錄紙上，縱波一般都先于橫波到達。因此，通常又把縱波叫作P波(即初波)，把橫波叫作S波(即次波)。根據P波和S波到達的時間差，可確定震源的距離。
研究表明，體波在地球中的傳播速度將隨深度的增加而加快(見圖1.6)，并且由于地球的層狀構造特點，體波通過分層介質?時，將會在界面上反復發生反射和折射。當體波經過地層界面的?多次反射和折射后投射到地面時，又激起兩種僅沿地面傳播的?面波，即瑞雷波(R波)和洛夫波(L波)。瑞雷波傳播時，質點在?波的傳播方向和地面法向所組成的平面內(xz平面)做與波前進方向相反的橢圓形運動，而與該平面垂直的水平方向(y方向)沒有振動，故瑞雷波在地面上呈滾動形式(見圖1.7(a))。瑞雷波振幅隨著距地面深度增加而急劇減小，這可能是地震時地下建筑物比地上建筑物受害較輕的一個原因。洛夫波傳播時將使質點在地平面內做與波前進方向相垂直的水平方向(y方向)的運動，即在地面上呈蛇形運動形式(見圖1.7(b))。洛夫波也隨著深度的增加而不斷衰減。
圖1.6 體波在地球內傳播速度的變化 圖1.7 面波質點振動形式
面波振幅大、周期長，只能在地表附近傳播，比體波衰減慢，故能傳播到很遠的地方。
綜上所述，地震波的傳播以縱波最快，剪切波次之，面波最慢。所以在任意一地震波的記錄圖(見圖1.8)上，縱波總是最先到達，剪切波次之，面波到達最晚。然而就振幅而言，面波卻最大。由于面波的能量要比體波大，所以造成建筑物和地表破壞的以面波為主。大量震害調查表明，一般建筑物的震害主要是由水平振動引起，因此，由體波和面波共同引起的水平地震作用通常是最主要的地震作用。從圖1.8中還可看出，這三種波到達之間有一相對穩定區段，穩定區段的時間間隔隨觀測點至震源之間距離的減小而縮短。?在震中區，由于震源機制和地面擾動的復雜性，三種波的波列幾乎是難以區分的。
圖1.8 地震波記錄圖
1.1.4 地震強度
1. 震級
地震強度通常用震級和烈度等反映。震級是表示一次地震本身強弱程度和大小的尺度。目前，國際上比較通用的是里氏震級，其原始定義是在1935年由里克特(C．F. Richter)給出，即地震震級M為：
(1.4)
式中，A為標準地震儀(指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數為0.8，放大倍數為2?800倍的地震儀)在距震中100km處記錄的以微米(1?m=10-6m)為單位的最大水平地動位移(單振幅)。實際上，地震時距震中恰好100km處不一定設置了地震儀，且觀測點也不一定采用上述的標準地震儀。因此，對于距震中的距離不是 100km，且采用了非標準地震儀所確定的震級，尚需進行適當的修正才是所要求的結果。
震級表示一次地震釋放能量的多少，也是表示地震強度大小的指標，所以一次地震只有一個震級。各種不同的震級M與地震釋放能量E(爾格)之間有如下的關系：
(1.5)
由式(1.5)計算得知，震級相差一級，能量就要相差32倍之多。一次6級地震所釋放的能量，相當于一個2萬噸級的原子彈爆炸所產生的能量。
一般來說，小于2級的地震，人們是感覺不到的，只有儀器才能記錄下來，因此稱為微震；2～4級地震人就能感覺到了，故叫作有感地震；5級以上的地震就能引起不同程度的破壞，稱為破壞性地震；7級以上的地震則稱為強烈地震或大震；8級以上的地震稱為特大地震。據1935年提出震級測算方法后，1960年5月發生在智利的8.5級地震，是記錄到的世界最大震級地震，它所釋放出來的地震能量是空前的，其引起的海嘯規模巨大、地面形狀變化非常顯著，破壞性之大在世界地震史上是十分罕見的。
2. 地震烈度和地震烈度表
1) 地震烈度
地震烈度是指地震時某一地區的地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強弱程度。一次同樣大小的地震，若震源深度、離震中的距離和土質條件等因素不同，則對地面和建筑物的破壞也不相同。這時，若僅用地震震級來表示地震震動的強度，還不足以區別地面和建筑物破壞輕重的程度。雖然一次地震只有一個震級，但距離震中不同的地點，地震的影響是不一樣的，即地震烈度不同。一般來說，離震中愈近，地震影響愈大，地震烈度愈高；離震中愈遠，地震烈度就愈低。
2) 地震烈度表
用什么尺度衡量地震烈度？在沒有儀器觀測的年代，只能由地震宏觀現象，如人的感覺、器物的反應、地表和建筑物的影響和破壞程度等，總結出宏觀烈度表來評定地震烈度。我國早期的《新中國地震烈度表》(1957)就屬于這種宏觀烈度表。由于宏觀烈度表未能提供定量指標，因此不能直接用于工程抗震設計。隨著科學技術的發展，強震儀的問世，使人們有可能記錄到地面運動參數，如地面運動加速度峰值、速度峰值來定義地震烈度，從而出現了含有物理指標的定量烈度表。由于不可能隨處取得地震儀記錄，因此，用定量烈度表評定地震現場的地震烈度還有一定困難。比較好的方法是將兩種烈度表結合起來，使之兼有兩種功能，以便工程應用。
1999年由國家地震局頒布實施的GB/T 17742—1999《中國地震烈度表》，就屬于將宏觀烈度與地面運動參數建立起聯系的地震烈度表。所以，該烈度表既有定性的宏觀標志，又有定量的物理標志，兼具宏觀烈度表和定量烈度表的功能。《中國地震烈度表》自發布實施以來，在地震烈度評定中發揮了重要作用。由于國家經濟發展，城鄉房屋結構發生了很大的變化，抗震設防的建筑比例在不斷的增加。因此，中國地震局對GB/T 17742—1999《中國地震烈度表》進行了修訂，并由國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合發布了新的GB/T 17742—2008《中國地震烈度表》，見表1.1。
表1.1 中國地震烈度表
地震
烈度
人的感覺
房屋震害
其他震害現象
水平向的震動參數
類型
震害程度
平均震害
指數
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅰ
無感
—
—
—
—
—
—
Ⅱ
室內個別靜止中的人有感覺
—
—
—
—
—
—
Ⅲ
室內少數靜止中的人有感覺
—
門、窗輕微
作響
—
懸掛物微動
—
—
Ⅳ
室內多數人、室外少數人有感覺，少數人夢中驚醒
—
門、窗作響
—
懸掛物明顯擺動，器皿作響
—
—
Ⅴ
室內絕大多數、室外多數人有感覺，多數人夢中驚醒
門窗、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落，個別房屋墻體抹灰出現細微裂縫，個別屋頂煙囪掉磚
—
懸掛物大幅度晃動，不穩定器物搖動或翻倒
0.31
(0.22～0.44)
0.03
(0.02～0.04)
Ⅵ
多數人站立不穩，少數人驚逃戶外
A
少數中等破壞，多數輕微破壞和/或基本完好
0.00～0.11家具和物品移動；河岸和松軟土出現裂縫，飽和砂層出現噴砂冒水；個別獨立磚煙囪出現輕度裂縫
0.63
(0.45～0.89)
0.06
(0.05～0.09)
B
個別中等破壞，少數輕微破壞，多數基本完好
C
個別輕微破壞，大多數基本完好
0.00～0.08
續表
地震
烈度
人的感覺
房屋震害
其他震害現象
水平向地震動參數
類型
震害程度
平均震害
指數
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅶ
大多數人驚逃戶外，騎自行車的人有感覺，行駛中的汽車駕乘人員有感覺
A
少數毀壞和/ 或嚴重破壞，多數中等破壞和/或輕微破壞
0.09～0.31
物體從架子上掉落；河岸出現塌方，飽和砂層常見噴水冒砂，松軟土地上的裂縫較多；大多數獨立磚煙囪中等破壞
1.25
(0.90～1.77)
0.13
(0.10～0.18)
B
少數中等破壞，多數輕微破壞和/或基本完好
C
少數中等和/ 或輕微破壞，多數基本完好
0.07～0.22
Ⅷ
多數人搖晃顛簸，行走困難
A
少數毀壞，多數嚴重和/ 或中等破壞
0.29～0.51
干硬土上亦出現裂縫, 飽和砂層絕大多數噴砂冒水；大多數獨立磚煙囪嚴重破壞
2.50
(1.78～3.53)
0.25
(0.19～0.35)
B
個別毀壞，少數嚴重破壞，多數中等和/或輕微破壞
C
少數嚴重和/ 或中等破壞，多數輕微破壞
0.20～0.40
Ⅸ
行動的人摔倒
A
多數嚴重破壞和/或毀壞
0.49～0.71
干硬土上多處出現裂縫，可見基巖裂縫、錯動，滑坡、塌方常見；獨立磚煙囪多數倒塌
5.00
(3.54～7.07)
0.50
(0.36～0.71)
B
少數毀壞，多數嚴重和/ 或中等破壞
續表
地震
烈度
人的感覺
房屋震害
其他震害現象
水平向地震動參數
類型
震害程度
平均震害
指數
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅸ
行動的人摔倒
C
少數毀壞和/ 或嚴重破壞，多數中等和/ 或輕微破壞
0.38～0.60
Ⅹ
騎自行車的人會摔倒，處于不穩定狀態的人會摔離原地，有拋起感
A
絕大多數毀壞
0.69～0.91
山崩和地震斷裂出現，基巖上拱橋破壞；大多數獨立磚煙囪從根部破壞或倒毀
10.00
(7.08～14.14)
1.00
(0.72～1.41)
B
大多數毀壞
C
多數毀壞和/或嚴重破壞
0.58～0.80
Ⅺ
—
A
絕大多數毀壞
0.89～1.00
地震斷裂延續很長；大量山崩滑坡
—
—
B
C
0.78～1.00
Ⅻ
A
幾乎全部毀壞
1.00
地面劇烈變化，山河改觀
—
—
B
C
注：表中給出的“峰值加速度”和“峰值速度”是參考值，括弧內給出的是變動范圍。
地震烈度表具體說明如下。
(1) 評定烈度指標。新的烈度表規定了地震烈度的評定烈度指標，包括人的感覺、房屋震害程度、其他震害現象、水平向的震動參數。
(2) 數量詞的界定。數量詞采用個別、少數、多數、大多數和絕大多數，其范圍界定如下。
① “個別”為10%以下；
② “少數”為10%～45%；
③ “多數”為40%～70%；
④ “大多數”為60%～90%；
⑤ “絕大多數”為80%以上。
(3) 評定烈度的房屋類型。用于評定烈度的房屋，包括以下三種類型。
①??A類，木構架和土、石、磚墻建造的舊式房屋；
③??B類，未經抗震設防的單層或多層磚砌體房屋；
④??C類，按照Ⅶ度抗震設防的單層或多層磚砌體房屋。
(4) 房屋破壞等級及其對應的震害指數。房屋破壞等級分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和毀壞等5類，其定義和對應的震害指數d如下。
① 基本完好。承重和非承重構件完好，或個別非承重構件輕微損壞，不加修理可繼續使用。對應的震害指數范圍為0.00≤d＜0.10。
② 輕微破壞。個別承重構件出現可見裂縫，非承重構件有明顯裂縫，不需要修理或稍加修理即可繼續使用。對應的震害指數范圍為0.10≤d＜0.30。
③ 中等破壞。多數承重構件出現輕微裂縫，部分有明顯裂縫，個別非承重構件破壞嚴重，需要一般修理后可使用。對應的震害指數范圍為0.30≤d＜0.55。
④ 嚴重破壞。多數承重構件破壞較嚴重，非承重構件局部倒塌，房屋修復困難。對應的震害指數范圍為0.55≤d＜0.85。
⑤ 毀壞。多數承重構件嚴重破壞，房屋結構瀕于崩潰或已倒毀，已無修復可能。對應的震害指數范圍為0.85≤d＜1.00。
各類房屋平均震害指數D可按式(1.6)計算：
(1.6)
式中：——房屋破壞等級為i的震害指數；
——破壞等級為i的房屋破壞比，用破壞面積與總面積之比或破壞棟數與總棟數之比表示。
(5) 地震烈度。評定地震烈度時，Ⅰ～Ⅴ度應以地面上以及底層房屋中人的感覺和其他震害現象為主；Ⅵ～Ⅹ度應以房屋震害為主，參照其他震害現象，當用房屋震害程度與平均震害指數評定結果不同時，應以震害程度評定結果為主，并綜合考慮不同類型房屋的平均震害指數；Ⅺ度和Ⅻ度應綜合房屋震害和地表震害現象。
(6) 以下三種情況的地震烈度評定結果應做適當調整。
① 當采用高樓上人的感覺和器物反應評定地震烈度時，適當降低評定值。
② 當采用低于或高于Ⅶ度抗震設計房屋的震害程度和平均震害指數評定地震烈度時，適當降低或提高評定值。
③ 當采用建筑質量特別差或特別好房屋的震害程度和平均震害指數評定地震烈度時，適當降低或提高評定值。
(7) 當計算的平均震害指數值位于表1.1中地震烈度對應的平均震害指數重疊搭接區間時，可參照其他判別指標和震害現象綜合判定地震烈度。
(8) 農村可按自然村，城鎮可按街區為單位進行地震烈度評定，面積以1km2 為宜。
(9) 當有自由場地強震動記錄時，水平向的震動峰值加速度和峰值速度可作為綜合評定地震烈度的參考指標。
3. 震級和震中烈度
震級與烈度是兩個不同的概念，震級表示一次地震釋放能量的大小，烈度表示某地區遭受地震影響的強弱程度。兩者關系可用炸彈爆炸來解釋，震級好比是炸彈的裝藥量，烈度則是炸彈爆炸后造成的破壞程度。所以一次地震震級只有一個，但烈度可以有很多個。
震級和烈度只在特定條件下存在大致對應關系。對于淺源地震(震源深度在10～30km)，震中烈度與震級M之間有如下對照關系(見表1.2)。
表1.2 震中烈度I0與震級M之間對照關系
震級M
2
3
4
5
6
7
8
8以上
震中烈度I0
1～2
3
4～5
6～7
7～8
9～10
11
12
1.1.5 常用術語
震源深度：震中到震源的垂直距離，稱為震源深度(見圖1.9)。
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屬于淺源地震，一般深度為5～40km。
震中距：建筑物到震中之間的距離叫震中距。
極震區：在震中附近，振動最劇烈、破壞最嚴重的地區叫極震區。
等震線：一次地震中，在其所波及的地區內，用烈度表可以對每一個地點評估出一個烈度，烈度相同點的外?包線叫等震線。
1.2 地震活動與地震分布
1.2.1 世界地震活動
由上述可知，地震的發生與地質構造密切相關。一般來說，巖層中原來已有斷裂存在，致使巖石的強度較?低，容易發生錯動或產生新的斷裂，也就容易發生地震。特別是在活動性較大的斷裂帶的兩端和拐角部位、兩條活動斷層的交匯處以及現代斷裂差異運動變化劇烈的大型隆起或凹陷的轉換地帶，這些部位的地應力比較集中，構造比較脆弱，往往容易發生地震。
20世紀初，科學家們在遍訪各大洲、進行宏觀地震資料調查的基礎上，編制了世界地震活動圖。隨后，又?根據各地震臺的觀測數據編出了較精確的世界地震分布圖，如圖1.10所示。從這些圖中可以清楚地看到，小地震幾乎到處都?有，大地震則主要發生在某些地區，即地球上的兩個主要地震帶。
(1) 環太平洋地震帶。全球約80%淺源地震和90%的中深源地震，以及幾乎所有的深源地震都集中在這一地帶。它沿南北美洲西海岸、阿留申群島，轉向西南到日本列島，再經我國臺灣地區，到達菲律賓、新幾內亞和?新西蘭。
(2) 歐亞地震帶。除分布在環太平洋地震活動帶的中深源地震以外，幾乎所有其他中深源地震和一些大的淺源地震都發生在這一地震活動帶，這一活動帶內的震中分布大致與山脈的走向一致。它西起大西洋的亞速島，經意大利、土耳其、伊朗、印度北部、我國西部和西南地區，過緬甸至印度尼西亞與上述環太平洋地震帶?相銜接。
除了上述兩條主要地震帶以外，在大西洋、太平洋、印度洋中也有一些洋脊地震帶，沿著海洋底部隆起的山脈延伸。這些地震帶與人類活動關系不大，地震發生的次數在地震總數中占的比例亦不高。對比板塊劃分圖(見圖1.10)可知，上述地震帶大多數位于板塊邊緣，或者鄰近板塊邊緣。
圖1.10 世界地震帶分布示意圖
1.2.2 我國地震活動
我國地處環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個多地震國家。從地震地質背景看，我國存在發生頻繁地震的復雜地質條件，因此，我國境內地震活動頻度較高、強度較大。圖1.11給出了我國歷史上震級大于5級的地震活動分布。由圖可見，我國地震活動呈帶狀分布，從中可以劃分10個地震區：臺灣地震區、南海地震區、華南地震區、華北地震區、東北地震區、青藏高原南部地震區、青藏高原中部地震區、青藏高原北部地震區、新疆中部地震區和新疆北部地震區。
圖1.11 我國地震活動分布圖
臺灣地震區、南海地震區和華南地震區中的一部分屬環太平洋地震帶，是由太平洋板塊與亞歐板塊擠壓引起的，其中臺灣東部是我國地震活動最強、頻率最高的地區。青藏高原南、中、北部地震區和新疆中、北部地震區屬亞歐地震帶，其活動與印度洋板塊俯沖亞歐板塊的運動有密切關系，除青藏高原北部地震區外，均屬地震活動程度強烈地區。華北地震區主要是古生代褶皺系統，由一系列大斷裂帶組成，是典型的板塊內部地震區，近期活動較為活躍。
1.2.3 我國嚴重的地震災害
我國是世界上地震活動最強烈的國家之一。中國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，受太平洋板塊向西、印度洋板塊向北、歐洲向東等多向的推動和擠壓，從而地震活動活躍，具有分布廣、頻度高、強度大、震源淺的特點。從歷史上的地震情況來看，全國除個別省份外，大部分地區都發生過較強烈的破壞性地震。20世紀以來，根據地震儀器記錄資料統計，我國已發生6級以上地震700多次，其中7.0～7.9級地震近100次，8級及8級以上11次，見表1.3。
表1.3 20世紀以來發生在我國的11次8級以上強震統計表
序 號
發震時間
地震名稱
震級(M)
1
1902.8.22
新疆阿圖什
8.3
2
1906.12.23
新疆瑪納斯
8.0
3
1920.6.5
臺灣花蓮東南海中
8.0
4
1920.12.16
寧夏海原
8.5
5
1927.5.23
甘肅古浪
8.0
6
1931.8.31
新疆富蘊
8.0
7
1950.8.15
西藏察隅、墨脫間
8.5
8
1951.11.18
西藏當雄西北
8.0
9
1972.1.25
臺灣新港東海中
8.0
10
2001.11.14
青新交界
8.2
11
2008.5.12
汶川地震
8.0
強烈的地震活動使我國成為世界上地震災害最嚴重的國家之一。1949年以來，100多次破壞性地震襲擊了我國22個省(自治區、直轄市)，造成34萬余人喪生，占全國各類災害死亡人數的54%以上。地震作為我國第一大自然災害，與其他自然災害一起構成我國最基本的國情之一。
例如，1976年唐山大地震和2008年汶川大地震，這兩次地震導致的死亡人數之和占到新中國成立以來地震死亡人數的85%以上。
北京時間1976年7月28日凌晨3時42分，在河北省唐山市(北緯39.6°，東經118.1°)發生了7.8級強烈地震，極震區烈度高達Ⅺ度，使唐山這座人口稠密、經濟發達的工業城市幾乎淪為一片廢墟。根據有關方面統計，這次地震毀壞公產房屋1?479萬m2，倒塌民房530萬間，造成的直接經濟損失高達到54億元，總損失估計超過100億元。另外，該次地震共導致24.2萬人死亡，16.4萬人受重傷，僅唐山市區終身殘疾的就達到1?700多人，是新中國成立以來人員傷亡最為慘重的一次地震。
北京時間2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣(北緯31.0°，東經103.4°)發生了8.0級特大地震，極震區烈度也高達Ⅺ度。這次地震影響范圍極大，超過40萬km2，其中嚴重受災地區達到10萬km2。地震造成大面積的基礎設施、建筑工程損壞和垮塌，并且由于四川省特殊的地形地貌和山地特征，導致嚴重的次生地質災害，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。據統計，該次地震中死亡69?227人，失蹤17?933人，374?643人受傷，直接經濟損失達到8?451億元人民幣。汶川大地震作為新中國成立以來破壞性最強、涉及范圍最廣、救災難度最大的一次地震，將會被歷史永遠銘記。
北京時間2010年4月14日清晨，青海省玉樹縣(北緯33.1°，東經96.6°)發生兩次地震，最高震級7.1級，造成了縣城結古鎮多數民居倒塌或發生嚴重破壞，導致2?220人遇難，70人失蹤。玉樹地震是汶川大地震以來我國發生的又一次嚴重的地震災害，再次給我們敲響了防御地震災害的警鐘，提醒我們當前的抗震防災形勢依然嚴峻。
1.3 地震的破壞作用
1.3.1 地表的破壞現象
1. 地裂縫
在強烈地震作用下，常常會在地面產生裂縫。根據產生的機理不同，地裂縫分為重力地裂縫和構造地裂縫兩種。重力地裂縫是由于在強烈地震作用下，地面做劇烈震動而引起的慣性力超過了土的抗剪強度所致。這種裂縫長度可由幾米到幾十米，其斷續總長度可達幾千米，但一般都不深，多為1～2m。圖1.12為唐山地震中出現的重力地裂縫的狀態。構造地裂縫是地殼深部斷層錯動延伸至地面而出現的裂縫。美國舊金山大地震圣安德烈斯斷層的巨大水平位移，就是現代可見斷層形成的構造地裂縫。
2. 噴砂冒水
在地下水位較高、砂層埋深較淺的平原地區，地震時由于地震波的強烈振動使地下水壓力急劇增高，地下水經地裂縫或土質松軟的地方冒出地面，當地表土層為砂層或粉土層時，則地下水夾帶著砂土或粉土一起噴出地表，形成噴砂冒水現象(見圖1.13)。噴砂冒水現象一般要持續很長時間，嚴重的地方可造成房屋不均勻下沉或上部結構開裂。
?圖1.12 唐山大地震地裂縫 ? 圖1.13 噴砂冒水
3. 地面下沉(震陷)
在強烈地震作用下，地面往往會發生震陷，使建筑物破壞。
4. 河岸、陡坡滑坡
在強烈地震作用下，常引起河岸、陡坡滑坡(見圖1.14)，規模很大時，會造成堰塞湖(見圖1.15)，引起公路堵塞、岸邊建筑物破壞等。
圖1.14 汶川地震滑坡 圖1.15 汶川地震形成的堰塞湖
1.3.2 建筑物的破壞
在強烈地震作用下，各類建筑物會發生嚴重破壞，按其破壞的形態及直接原因，可分為以下幾類。
1. 結構喪失整體性
房屋建筑或其他構筑物都是由許多構件組成的，在強烈地震作用下，構件連接不牢，支撐長度不夠或支撐失效等都會使結構喪失整體性而被破壞。圖1.16為2005年3月20日日本福岡縣以西海域發生里氏7級地震，建筑結構的整體性破壞。
2. 承重結構承載力不足引起破壞
任何承重構件都有其各自的特定功能，以適用于承受一定的外力作用。對于設計時沒有考慮抗震設防或抗震設防不足的結構，在強烈地震作用下，不僅構件內力增大很多，而且其受力性質往往也將改變，致使構件承載力不足而被破壞。圖1.17所示為某房屋在地震中承重構件強度不足遭受破壞的情況。
圖1.16 結構喪失整體性破壞 圖1.17 承重構件強度不足破壞
3. 地基失效
當建筑物地基內含飽和砂層、粉土層時，在強烈地面運動作用下，土中孔隙水壓力急劇增高，致使地基土發生液化，地基承載力下降，甚至完全喪失，從而導致上部建筑結構遭受破壞(見圖1.18)。
圖1.18 日本新潟砂土液化導致地基喪失承載力
1.3.3 次生災害
地震除直接造成建筑物的破壞外，還可能引起火災、水災、污染等嚴重的次生災害，有時比地震直接造成的損失還大。在城市，尤其是在大城市這個問題越來越引起人們的關注。例如，1995年1月17日發生的日本阪神大地震，引起火災有122起之多，不少建筑物倒塌后又被烈火包圍，烈焰熊熊，濃煙遮天蔽日，火勢入夜不減，這給救援工作帶來很大困難，如圖1.19所示。又如，1923年日本關東大地震，據統計，該次地震震倒房屋13萬棟。由于地震時正值中午做飯時間，故許多地方同時起火，自來水管普遍遭到破壞，而道路又被堵塞，致使大火蔓延，燒毀房屋達45萬棟之多。1906年美國舊金山大地震，在震后的三天火災中，共燒毀521個街區的28?000幢建筑物，使已被震壞但仍未倒塌的房屋，又被大火夷為一片廢墟。1960年發生在海底的智利大地震引起的海嘯災害除吞噬了智利中、南部沿海房屋外，海浪還從智利沿大海以每小時640km的速度橫掃太平洋，22h之后，高達4m的海浪又襲擊了距智利17?000km遠的日本，在本州和北海道，海港和碼頭建筑遭到嚴重的破壞，甚至連巨船也被拋上陸地。再如，2005年12月26日上午，印度尼西亞蘇立門答臘島附近海域發生了一場近百年來罕見的強烈地震。此次地震的震級高達里氏8.7級，引起的高達10m的海嘯向附近的東南亞國家沿海地區呼嘯而去。地震和隨之而來的海嘯造成了極其嚴重人員傷亡和財產損失，據報道，印度、斯里蘭卡等7個國家有近30萬人遇難。北京時間2011年3月11日13時46分，在日本東北部海岸(北緯38.1度，東經142.6度)發生里氏9.0級地震，震源深度約32千米。地震引發的巨大海嘯于震后15min抵達日本沿岸，并在隨后數小時內襲擊海岸區，如圖1.20所示。據日本警察廳統計，截至2011年4月28日，地震和海嘯共造成日本14?564人死亡、11?356人失蹤以及5?314人不同程度受傷，接近20萬棟建筑物受損，其中絕大部分由海嘯造成，為日本“二戰”后傷亡最慘重的自然災害。海嘯沖至陸地的最高點被確定為37.9m，如圖1.20所示。
圖1.19 阪神地震火災 圖1.20 日本海嘯
1.4 建筑結構的抗震設防
1.4.1 抗震設防依據
1. 基本烈度和地震動參數
強烈地震是一種破壞性很大的自然災害，它的發生具有很大的隨機性，采用概率方法預測某地區未來一定時間內可能發生的最大烈度是具有實際意義的，因此，國家有關部門提出了基本烈度的概念，并編制了《中國地震烈度區劃圖(1990)》，經國務院批準已由國家地震局和建設部于1992年6月頒布實施。該圖用基本烈度表示地震危險性，把全國劃分為基本烈度不同的5個地區(見圖1.21)，一個地區的基本烈度是指：50年期限內，一般場地條件下，可能遭受超越概率為10%的烈度值。
圖1.21 中國地震烈度區劃圖
《中國地震烈度區劃圖(1990)》采用地震烈度作為編圖參數，而此時的工程結構抗震設計早已進入反應譜階段，即其設計基本依據是場地相關地震反應譜，而用單一的烈度參數難以構成設計反應譜。目前許多國家采用地震動峰值加速度和反應譜特征周期雙參數進行地震區劃，可以較容易地形成抗震設計反應譜。
近年來隨著我國地震研究的不斷深入，對《中國地震烈度區劃圖(1990)》進行了修訂，已于2001年8月頒布了GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》。該區劃圖根據地震危險性分析方法，提供了Ⅱ類場地上，50年超越概率為10%的地震動參數，給出了地震動峰值加速度分區圖和地震動反應譜特征周期分區圖。地震動峰值加速度分區圖分為7個區(見圖1.22)，與中國地震烈度區劃圖相比，多出了加速度值為0.15g和0.30g的兩個分區。地震動反應譜特征周期分區圖分為3個區，1區特征周期為0.35s，2區為0.40s，3區為0.45s，特征周期分區圖描繪了地震反應譜的形狀。2008年汶川地震后，又及時對四川、陜西、甘肅三省局部地區設防烈度做了變更。
GB 5011—2010《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《建筑抗震規范》)規定，一般情況下可采用《中國地震動參數區劃圖》的地震基本烈度或設計地震動參數作為抗震設防依據。
圖1.22 中國地震烈度區劃圖
2. 地震小區劃
地震烈度區劃考慮了較大范圍的平均的地質條件，對大區域地震活動水平做出了預測。震害經驗表明，同一地區不同場地上的建筑物震害程度有著明顯差異，局部場地條件對地震動的特性和地震破壞效應存在較大影響。地震小區劃就是在大區劃(地震烈度區劃)的基礎上，考慮局部范圍的地震地質背景、土質條件、地形地貌，給出一個城市或一個大的工礦企業內的地震烈度和地震動參數，為工程抗震提供更為經濟合理的場地地震特性評價。《建筑抗震規范》規定對做過地震小區劃的地區，可采用抗震主管部門批準使用的設防烈度和設計地震動參數。
3. 設計地震分組
理論分析和震害表明，在同樣烈度下由不同震級和震中距的地震引起的地震動特征是不同的，對不同動力特性的結構造成的破壞程度也是不同的。一般來說，震級較大、震中距較遠的地震對長周期柔性結構的破壞，比同樣烈度下震級較小、震中距較近的地震造成的破壞要嚴重。產生這種差異的主要原因是地震波中的高頻分量隨傳播距離的衰減比低頻分量要快，震級大、震中距遠的地震波的主導頻率為低頻分量，與長周期的高柔結構自振周期接近，存在“共振效應”。
為了反映同樣烈度下，不同震級和震中距的地震對建筑物的影響，補充和完善烈度區劃圖的烈度劃分，《建筑抗震規范》將建筑工程的抗震設計劃分為三組，以近似反映近、中、遠震的影響。不同設計分組，采用不同的設計特征周期和基本地震動峰值加速度。
1.4.2 建筑抗震設防要求
1. 設防目標
20世紀70年代以來，世界不少國家的抗震設計規范都采用了這樣一種設計思想：在建筑使用壽命期限內，對于不同頻度和強度的地震，要求其具有不同的抗震能力。即對于較小的地震，由于其發生的可能性大，當遭遇到這種多遇地震時，要求建筑結構不受損壞，這在技術上和經濟上都是可以做到的；對于罕遇的強烈地震，由于其發生的可能性小，當遭遇到這種地震時，若要求建筑結構不受損壞，這在經濟上是不合算的。比較合理的做法是，應允許損壞，但在任何情況下結構不應倒塌。
基于上述抗震設計準則，我國《建筑抗震規范》提出了三水準的抗震設防要求。
(1) 第一水準。當遭受低于本地區設防烈度的多遇地震(或稱小震)時，建筑物一般不損壞或不須修理仍可繼續使用。
(2) 第二水準。當遭受本地區設防烈度的地震時，建筑物可能損壞，經過一般修理或不須修理仍可繼續使用。
(3) 第三水準。當遭受高于本地區設防烈度的預估罕遇地震(或稱大震)時，建筑物不倒塌，或不發生危及生命的嚴重破壞。
概括起來，三水準抗震設防目標的通俗說法是：小震不壞，中震可修，大震不倒。
上述三個水準烈度分別對應于地震的多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度，與三個水準烈度相應的抗震設防目標是：遭遇第一水準烈度時，一般情況下建筑物處于正常使用狀態，結構處于彈性工作階段；遭遇第二水準烈度時，建筑物可能發生一定程度的破壞，允許結構進入非彈性工作階段，但非彈性變形造成的結構損壞應控制在可修復的范圍內；遭遇第三水準烈度時，建筑物可以產生嚴重破壞，結構可以有較大的非彈性變形，但不應發生建筑倒塌和危及人民生命安全的破壞。這三個水準烈度關系如圖1.23所示。
2. 小震和大震
從概率意義上說，小震應是發生機會較多的地震，大震應是發生機會極小的地震。根據對我國華北、西北和西南地區的地震烈度統計分析，認為我國地震烈度的概率分布符合極值Ⅲ型，概率密度曲線上峰值對應的烈度(即發震頻率最高的烈度)為眾值烈度。當設計基準期為50年內眾值烈度的超越概率為63.2%，《建筑抗震規范》取為第一水準的烈度，即小震對應的烈度；50年內超越概率為10%的烈度相當于地震區劃圖規定的基本烈度，《建筑抗震規范》取為第二水準的烈度；50年內超越概率為2%～3%的烈度稱為罕遇烈度，《建筑抗震規范》取為第三水準的烈度，即大震對應的烈度。由烈度概率分布圖1.23可知，基本烈度與眾值烈度相差1.55度，而基本烈度與罕遇烈度相差約為1度。例如，當基本烈度為8度時，其眾值烈度(小震烈度)為6.45度左右，罕遇烈度(大震烈度)為9度左右。
圖1.23 三種烈度關系示意圖
3. 建筑結構抗震設計方法
《建筑抗震規范》提出了二階段設計方法以實現上述3個烈度水準的抗震設防要求。第一階段設計是在方案布置符合抗震設計原則的前提下，按與基本烈度相對應的眾值烈度(相當于小震)的地震動參數，用彈性反應譜法求得結構在彈性狀態下的地震作用標準值和相應的地震作用效應，然后與其他荷載效應按一定的組合系數進行組合，并對結構構件截面進行承載力驗算，對于較高的建筑物還要進行變形驗算，以控制其例向變形不要過大。這樣，既滿足了第一水準下建筑結構必要的承載力可靠度，又可滿足第二水準的設防要求(損壞可修)，然后再通過概念設計和構造措施來滿足第三水準的設防要求。對于大多數結構，一般可只進行第一階段的設計，但對于少部分結構，如有特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結構，除了應進行第一階段的設計外，還要進行第二階段的設計，即按與基本烈度相對應的罕遇烈度(相當于大震)驗算結構的彈塑性層間變形是否滿足規范要求(不發生倒塌)，如果有變形過大的薄弱層(或部位)，則應修改設計或采取相應的構造措施，以使其能夠滿足第三水準的設防要求(大震不倒)。
1.4.3 建筑抗震設防分類及設防標準
1. 抗震設防分類
根據新版GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》(以下簡稱《分類標準》)規定，建筑抗震設防類別劃分應根據下列因素綜合分析確定。
(1) 建筑破壞造成的人員傷亡、直接和間接經濟損失及社會影響大小。
(2) 城鎮的大小、行業的特點、工礦企業的規模。
(3) 建筑使用功能失效后，對全局的影響范圍大小、抗震救災影響及恢復的難易程度。
(4) 建筑各區段的重要性顯著不同時，可按區段劃分抗震設防類別。
(5) 不同行業的相同建筑，當其所處地位及地震破壞所產生的后果和影響不同時，其抗震設防類別可不相同。《分類標準》規定，建筑工程應根據其使用功能的重要性和地震災害后果的嚴重性分為以下4個抗震設防類別。
(1) 特殊設防類。指使用上有特殊設施，涉及國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發生嚴重次生災害等特別重大災害后果，需要進行特殊設防的建筑，簡稱甲類。
(2) 重點設防類。指地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的生命線相關建筑，以及地震時可能導致大量人員傷亡等重大災害后果，需要提高設防標準的建筑，簡稱乙類。
(3) 標準設防類。指大量的除(1)、(2)、(4)款以外按標準要求進行設防的建筑，簡稱丙類。
(4) 適度設防類。指使用人員稀少且震損不致產生次生災害，允許在一定條件下適度降低要求的建筑，簡稱丁類。
《分類標準》指出，劃分不同的抗震設防分類并采取不同的設計要求，是在現有技術和經濟條件下減輕地震災害的重要對策之一。新的《分類標準》側重于建筑的使用功能和災害后果，并更強調對人員安全的保障。
《分類標準》對一些行業的建筑的設防標準做了調整。例如，在教育建筑中，規定幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂的抗震設防類別不應低于乙類。《分類標準》列出了主要行業甲、乙、丁類建筑和少數丙類建筑的示例，可供查用。
2. 抗震設防標準
《分類標準》規定，各抗震設防類別建筑的抗震設防標準，應符合下列要求。
(1) 標準設防類。應按本地區抗震設防烈度確定建筑的抗震措施，使其在遭遇高于當地抗震設防烈度的預估罕遇地震時不致倒塌或發生危及生命安全的嚴重破壞的抗震設防目標。
(2) 重點設防類。應按高于本地區抗震設防烈度1度的要求加強其抗震措施；當抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎的抗震措施，應符合有關規定。同時，應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。
對于劃分為重點設防類而規模很小的工業建筑，當改用抗震性能較好的材料且符合抗震設計規范對結構體系的要求時，允許按標準設防類設防。
(3) 特殊設防類。應按高于本地區抗震設防烈度1度采取抗震措施；當抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應按批準的地震安全性評價的結果且高于本地區抗震設防烈度確定其地震作用。
(4) 適度設防類。允許按本地區抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低。一般情況下，仍應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。
抗震設防烈度為6度時，除《建筑抗震規范》有具體規定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算。
1.5 建筑結構抗震概念設計
由于地震發生的隨機性和建筑結構本身的復雜性，建筑物的地震破壞機理目前還不十分清楚，結構抗震設計中尚存在許多不定因素，現行規范提供的地震作用估算和結構抗震計算的方法大都是具有一定概率水準的近似方法。人們在總結歷次地震災害的經驗中逐漸認識到，不能單純依賴數值計算追求結構的抗震能力，必須合理運用概念設計提高建筑的抗震性能。對于結構抗震設計，數值計算和概念設計具有同等重要的地位。
所謂概念設計，是指考慮地震及其影響的不確定性，依據歷次震害總結出的規律，既著眼于結構的總體地震反應，合理選擇建筑體型和結構體系，又顧及結構關鍵部位的細節，正確處理細部構造和選用材料，靈活運用抗震設計思想，綜合解決抗震設計基本問題。
1.5.1 場地、地基和基礎的要求
1. 選擇對抗震有利的場地
選擇建筑場地時，應根據工程需要，掌握與地震活動情況、工程地質和地震地質有關的資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做出綜合評價。對于不利地段，應提出避開要求，當無法避開時應采取有效措施。對于危險地段，嚴禁建造甲、乙類建筑，不應建造丙類建筑。
對抗震有利的地段，一般是指穩定的基巖、堅硬土或開闊、平坦、密實、均勻的中硬土等地段；不利地段，一般是指軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘、非巖質的陡坡，河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態明顯不均勻的土層(如故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖的地基等)含水量高的可塑黃土，地表存在結構性裂隙等地段；危險地段，一般是指地震時可能發生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等災害，以及地震斷裂帶上可能發生地表錯位的部位等地段；一般地段，是指不屬于有利、不利和危險的地段。
2. 不同場地上的抗震構造措施的調整
(1) 建筑場地為Ⅰ類時，甲、乙類建筑應允許仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施；丙類建筑應允許按比本地區抗震設防烈度低一度的要求采取抗震構造措施。但抗震設防烈度為6度時仍應按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。
(2) 建筑場地為Ⅲ、Ⅳ類時，對于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區，除《建筑抗震規范》另有規定外，宜分別按抗震設防烈度為8度(0.20g)和9度(0.40g)的各類建筑的要求采取抗震構造措施。
3. 地基和基礎設計的要求
(1) 同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上。
(2) 同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基。
(3) 地基為軟弱黏性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻土時，應估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應的措施。
4. 山區建筑場地和地基基礎設計的要求
(1) 山區建筑場地應根據其地質、地形條件和使用要求，因地制宜設置符合抗震設防要求的邊坡工程；邊坡應避免深挖高填，坡高大且穩定性差的邊坡應采用后仰放坡或分階放坡。
(2) 建筑基礎與土質、強風化巖質邊坡的邊緣應留有足夠的距離，其值應根據抗震設防烈度的高低確定，并采取措施避免地震時地基基礎被破壞。
1.5.2 建筑結構的規則性
建筑形狀關系到結構的體形，結構體形對建筑物的抗震性能有明顯影響。震害表明，形狀比較簡單的建筑在遭遇地震時一般破壞較輕，這是因為形狀簡單的建筑受力性能明確，傳力途徑簡捷，設計時容易分析建筑的實際地震反應和結構內力分布，結構的構造措施也易于處理。因此，建筑形狀應力求簡單規則，同時注意遵循下面的要求。
1. 建筑平面布置應簡單規整
建筑結構的簡單和復雜可通過其平面形狀來區分(見圖1.24)。地震區房屋的建筑平面以方形、矩形、圓形為好，正六角形、正八邊形、橢圓形、扇形次之。三角形平面雖然也屬簡單形狀，但是由于它沿主軸方向不都是對稱的，在地震作用下容易發生較強的扭轉振動，對抗震不利，因而不是抗震結構的理想平面形狀。此外，帶有較長翼緣的T形、L形、U形、H形、Y形等平面(見圖1.25)對抗震結構性能也不利。
圖1.24 簡單平面圖形
圖1.25 復雜平面圖形
平面不規則有以下幾種類型。
(1) 扭轉不規則。樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)大于該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的1.2倍，如圖1.26(a)所示。
(2) 凹凸不規則。結構平面凹進的一側尺寸，大于相應投影方向總尺寸的30%，如圖1.26(b)所示。
(3) 樓板局部不連續。樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。例如，開洞面積大于該樓層面積的30%，或較大的樓層錯層，或有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，如圖1.26(c)所示。
2. 建筑物豎向布置應均勻和連續
建筑體形復雜會導致結構體系沿豎向的強度與剛度分布不均勻，在地震作用下容易使某一層或某一部位率先屈服而出現較大的彈塑性變形。例如，立面突然收進的建筑或局部突出的建筑，會在凹角處產生應力集中；大底盤建筑，在低層裙房與高層主樓相連處，體形突變引起剛度突變，使裙房與主樓交接處的塑性變形集中；柔性底層建筑，因底層需要開放大空間，上部的墻、柱不能全部落地，形成柔弱底層。
豎向不規則的類型如下。
(1) 側向剛度不規則(見圖1.27(a))。該層的側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%。
(2) 豎向抗側力構件不連續(見圖1.27(b))。豎向抗側力構件(柱、抗震墻、抗震支撐)的內力由水平轉換構件(梁、桁架)向下傳遞。
(3) 樓層承載力突變(見圖1.27(c))。抗側力結構的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%。
圖1.26 平面不規則的類型
圖1.27 豎向不規則的類型
3. 剛度中心和質量中心應一致
房屋中抗側力構件合力作用點的位置稱為質量中心。地震時，如果剛度中心和質量中心不重合，會產生扭轉效應使遠離剛度中心的構件產生較大應力而嚴重破壞。例如，前述具有伸出翼緣的復雜平面形狀的建筑，伸出端往往破壞較重。又如，有的建筑雖然外形規則對稱，但抗側力系統不對稱，如將抗側剛度很大的鋼筋混凝土芯筒或鋼筋混凝土墻偏設，會造成剛心偏離質心，產生扭轉效應。再如，建筑上將質量較大的特殊設備、高架游泳池偏設，造成質心偏離剛心，同樣也會產生扭轉效應。
4. 復雜體形建筑物的處理
房屋體形常常因其使用功能和建筑美觀的限制，不易布置成簡單規則的形式。對于體形復雜的建筑物可采取下面兩種處理方法：設置建筑防震縫，將建筑物分隔成規則的單元，但設縫會影響建筑立面效果，容易引起相鄰單元之間碰撞；不設防震縫，但應對建筑物進行細致的抗震分析，估計其局部應力、變形集中及扭轉影響，判明易損部位，采取加強措施提高結構的抗變形能力。
1.5.3 抗震結構體系
抗震結構體系的主要功能為承擔側向地震作用，合理選取抗震結構體系是抗震設計中的關鍵環節，直接影響著房屋的安全性和經濟性。在進行結構方案決策時，應從以下幾方面加以考慮。
1. 結構屈服機制
結構屈服機制可以根據地震中構件出現屈服的位置和次序將其劃分為兩種基本類型：層間屈服機制和總體屈服機制。層間屈服機制是指結構的豎向構件先于水平構件屈服，塑性鉸首先出現在柱上，只要某一層柱上下端出現塑性鉸，該樓層就會整體側向屈服，發生層間破壞，如弱柱型框架、強梁型聯肢剪力墻等。總體屈服機制是指結構的水平構件先于豎向構件屈服，塑性鉸首先出現在梁上，使大部分梁甚至全部梁上出現塑性鉸，結構也不會形成破壞機構，如強柱型框架、弱梁型聯肢剪力墻等。總體屈服機制有較強的耗能能力，在水平構件屈服的情況下，仍能維持相對穩定的豎向承載力，可以繼續經歷變形而不倒塌，其抗震性能優于層間屈服機制。
2. 多道抗震防線
結構的抗震能力依賴于其各組成部分的吸能和耗能能力，在抗震體系中，吸收和消耗地震輸入能量的各部分稱為抗震防線。一個良好的抗震結構體系應盡量設置多道防線，當某部分結構出現破壞，降低或喪失抗震能力后，其余部分仍能繼續抵抗地震作用。具有多道防線的結構：一是要求結構具有良好的延性和耗能能力；二是要求結構具有盡可能多的抗震贅余度。結構的吸能和耗能能力，主要依靠結構或構件在預定部位產生的塑性鉸，若結構沒有足夠的超靜定次數，一旦某部位形成塑性鉸后，會使其變成可變體系而喪失整體穩定。另外，應控制塑性鉸出現的位置，塑性鉸的形成不應危及整體結構的安全。
框架-抗震墻結構是具有多道防線的結構體系，它的主要抗側力構件抗震墻是第一道防線，當抗震墻部分在地震作用下遭到損壞后，框架部分則起到第二道防線的作用，可以繼續承受水平地震作用和豎向荷載。還有些結構本身只有一道防線，若采取某些措施，改善其受力狀態，增加抗震防線。如框架結構只有一道防線，若在框架中設置填充墻，可利用填充墻的強度和剛度增設一道防線。在強烈地震作用下，填充墻首先開裂，吸收和消耗部分地震能量，然后退出工作，此為第一道防線；隨著地震反復作用，框架經歷較大變形，梁柱出現塑性鉸，可看作第二道防線。
1.5.4 結構構件
結構體系是由各類構件連接而成的，抗震結構的構件應具備必要的強度、適當的剛度、良好的延性和可靠的連接，并應注意強度、剛度和延性之間的合理均衡。
(1) 結構構件要有足夠的強度，其抗剪、抗彎、抗壓、抗扭等強度均應滿足抗震承載力要求。要合理選擇截面
……
新書資訊