第1章 地震基础知识与建筑抗震设防
【学习目标】
* 了解地震的类型及其成因。
* 熟悉地震波、地震震级、地震烈度等术语。
* 明确结构抗震设防依据、目标及分类标准。
* 理解抗震设计概念的基本内容和要求。
【本章导读】
本章主要通过有关地震震害的启示，学习地震的成因及类型，地震波、震级、烈度等基本概念，地震的破坏作用，结构抗震设防依据、目标和分类标准，以及抗震设计概念的基本内容和要求。
案例导入
地震是一种灾害性自然现象，全世界每年大约发生500万次地震，其中绝大多数地震是人感觉不到的微小地震，只有灵敏的仪器才能监测到它们的活动。人能够感觉到的地震(有感地震)每年发生约5万次，其中5级以上破坏性地震约有1000余次，能够造成严重破坏的强烈地震平均每年发生约18次。我国是世界上多地震国家之一，20世纪共发生破坏性地震3000余次，其中6级以上地震近800次，8级以上特大地震9次。
由于地震时产生的巨大能量，往往造成各类建筑物和设施的破坏，甚至倒塌，并引起各种次生灾害的发生以及人员的伤亡。提高建筑物和各类设施抵抗地震破坏能力，防止地震时人员伤亡，减少地震所造成的经济损失，是地震工程和抗震工程学的重要任务。
对各类建筑物和设施进行抗震设防，免不了要增加工程的造价和投资，因此如何合理地采用设防标准，既能有效地减轻工程受到的地震破坏、避免人员伤亡、减少经济损失，又能合理地使用有限的资金，是当前工程抗震防灾中迫切需要解决的关键问题。由于制定的设防标准不同，各类建筑物和设施在地震中的表现会截然不同，因而地震时造成的损失也会有巨大的差别。例如，日本东京历史上曾发生过8级以上大地震，日本政府以及各界一向对此十分关心和重视，长期以来一直致力于将东京建成一个能抗御8级大地震的城市。1986年一次6.2级地震发生在东京城底下，一座上千万人口的城市仅死亡2人，整个城市几乎未遭受到破坏。可是一向认为没有发生大地震危险的日本第二大港神户市对工程抗震设防就不那么重视。在1995年1月17日的一次6.9级(JMA震级为7.2)的地震中，导致了近10万栋房屋毁坏、5500人死亡和约1000亿美元的经济损失。
问题导入
从上述的案例不难看出，工程抗震是减轻地震灾害和损失十分有效的措施，工程抗震的成效很大程度上取决于所采用的工程设防标准，而制定恰当、合理的设防标准不仅需要有可靠的科学和技术依据，并同时要受到社会经济、政治等条件的制约。那么是不是对工程建筑物和设施的设防标准越高越好呢？本章将说明建筑抗震规范中最佳的或者说可行、合理的设防标准，特别是可接受的最低设防标准的制定，需要在保证地震作用下工程的安全性与优化的经济效益和社会影响之间取得平衡。
1.1 地震与地震动
地震给人类社会带来灾难，造成不同程度的人身伤亡和经济损失，为了减轻或避免这种伤亡及损失，就需要对?地震有较深入的了解。作为土木工程技术人员，其主要任务就是研究如何防止或减少建(构)筑物由于地震而?造成的破坏，这就是建(构)筑物的抗震问题。
1.1.1 地球的构造
地球是一个略呈椭圆的球体，它的平均半径约为6?400km。研究表明，地球是由性质不同的三个层次构成：最外层是薄薄的地壳，中间层是很厚的地幔，最里层是地核，如图1.1所示。
地壳是由各种结构不均匀、厚薄不一的岩层组成。在陆地上，陆地地壳除表面的沉积层外，主要由花岗岩层和玄武岩层组成，平均厚度为30～40km。在海洋中，海洋地壳一般只有玄武岩层，平均厚度为5～8km。地球上绝大部分地震都发生在地壳内。
地幔主要是由质地非常坚硬、结构比较均匀的橄榄岩组成。地壳与地幔的分界面叫莫霍面，莫霍面以下40～70km内是一层岩石层，它与地壳共同组成岩石圈。岩石层以下存在一个厚度几百千米的软流层，该层物质呈塑性状态并具有黏弹性质。岩石层与软流层合称上地幔。上地幔之下为下地幔，其物质成分与结构和上地幔差别不大，但物质密度较大。
图1.1 地球的构造
地核是个半径为3?500km的球体，可分为外核和内核。地核的成分和状态目前尚不清楚，据推测外核厚度约为2?100km，处于液态；内核半径约为1?400km，处于固态。地核构成物质主要是镍和铁。
到目前为止，所观察到的地震深度最深为700km，比起地球半径来仅占1/10，可见地震仅发生于地球的表面部分——地壳内和地幔上部。
1.1.2 地震类型与成因
地震按照其成因可分为三种主要类型：火山地震、塌陷地震和构造地震。
(1) 伴随火山喷发或由于地下岩浆迅猛冲出地面引起的地面运动称为火山地震。这类地震一般强度不大，影响范围和造成的破坏程度均比较小，主要分布于环太平洋、地中海以及东非等地带，其数量约占全球地震的7%。
(2) 地表或地下岩层由于某种原因陷落和崩塌引起的地面运动称为塌陷地震。这类地震的发生主要由重力引起，地震释放的能量与波及的范围均很小，主要发生在具有地下溶洞或古旧矿坑地质条件的地区，其数量约占全球地震的3%。
(3) 由于地壳构造运动造成地下岩层断裂或错动引起的地面振动称为构造地震。这类地震破坏性大、影响面广，而且发生频繁，绝大多数的强震均属构造地震。构造地震为数最多，约占全球地震的90%以上。构造地震一直是人们的主要研究对象，关于构造地震的成因有多种学说，这里主要介绍断层说和板块构造说。
构造地震成因的局部机制可以用地壳构造运动来说明。地球内部处于不断运动之中，地幔物质发生对流释放能量，使得地壳岩石层处在强大的地应力作用之下，在漫长的地质年代中，原始水平状的岩层发生形变：当地应力只能使岩层产生弯曲而未丧失其连续性时，岩层发生褶皱；当岩层变形积累的应力超过本身强度极限时，岩层就发生突然断裂和猛烈错动，岩层中原先积累的应变能全部释放，并以弹性波的形式传到地面，地面随之振动，形成地震，如图1.2所示。
图1.2 构造运动与地震形成示意图
构造地震成因的宏观背景可以借助板块构造学说来解释。板块构造学说认为，地壳和地幔之间厚70～100km的岩石组成的全球岩石圈由大大小小的板块组成，类似一个破裂后仍连在一起的蛋壳，板块下面是塑性物质构成的软流层。软流层中的地幔物质以岩浆活动的形式涌出海岭，推动软流层上的大洋板块在水平方向移动，并在海沟附近向大陆板块之下俯冲，返回软流层。这样在海岭和海沟之间便形成地幔对流，海岭形成于对流上升区，海沟形成于对流下降区(见图1.3)。
图1.3 板块运动
全球岩石圈可以分为六大板块，即欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度洋板块和南极板块(见图1.4)。各板块由于地幔对流而互相挤压、碰撞，地球上的主要地震带就分布在这些大板块的交界地区及附近，仅有15%左右发生于板块内部。
图1.4 全球大板块划分示意图
1.1.3 地震波
地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。它包含在地球内部传播的体波和只限于在地球表面传播的面波。地震波是一种弹性波。
体波包括纵波和横波两种。纵波是由震源向外传播的疏密波，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故也称压缩波或疏密波。如在空气中传播的声波就是一种纵波。纵波?的特点是周期较短、振幅较小、传播速度快，在地壳内它的速度一般为200～1?400m/s。
横波是由震源向外传播的剪切波，其介质质点的振动方向与波的前进方向相垂直，亦称剪切波。横波的周期较长、振幅较大、传播速度较慢，在地壳内它的速度一般为100～800m/s(见图1.5)。还应指出，横波只能在固体内传播，而纵波在固体和液体内都能传播。
图1.5 体系质点振动形式
根据弹性理论，纵波的传播速度与横波的传播速度可分别按式(1.1)和式(1.2)计算：
(1.1)
(1.2)
式中：——介质的弹性模量；
——介质的剪切模量；
——介质的密度；
——介质的泊松比。
在一般情况下，当时，从式(1.1)和式(1.2)可得：
(1.3)
由此可见，纵波的传播速度要比横波的传播速度快，所以在仪器的观测记录纸上，纵波一般都先于横波到达。因此，通常又把纵波叫作P波(即初波)，把横波叫作S波(即次波)。根据P波和S波到达的时间差，可确定震源的距离。
研究表明，体波在地球中的传播速度将随深度的增加而加快(见图1.6)，并且由于地球的层状构造特点，体波通过分层介质?时，将会在界面上反复发生反射和折射。当体波经过地层界面的?多次反射和折射后投射到地面时，又激起两种仅沿地面传播的?面波，即瑞雷波(R波)和洛夫波(L波)。瑞雷波传播时，质点在?波的传播方向和地面法向所组成的平面内(xz平面)做与波前进方向相反的椭圆形运动，而与该平面垂直的水平方向(y方向)没有振动，故瑞雷波在地面上呈滚动形式(见图1.7(a))。瑞雷波振幅随着距地面深度增加而急剧减小，这可能是地震时地下建筑物比地上建筑物受害较轻的一个原因。洛夫波传播时将使质点在地平面内做与波前进方向相垂直的水平方向(y方向)的运动，即在地面上呈蛇形运动形式(见图1.7(b))。洛夫波也随着深度的增加而不断衰减。
图1.6 体波在地球内传播速度的变化 图1.7 面波质点振动形式
面波振幅大、周期长，只能在地表附近传播，比体波衰减慢，故能传播到很远的地方。
综上所述，地震波的传播以纵波最快，剪切波次之，面波最慢。所以在任意一地震波的记录图(见图1.8)上，纵波总是最先到达，剪切波次之，面波到达最晚。然而就振幅而言，面波却最大。由于面波的能量要比体波大，所以造成建筑物和地表破坏的以面波为主。大量震害调查表明，一般建筑物的震害主要是由水平振动引起，因此，由体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。从图1.8中还可看出，这三种波到达之间有一相对稳定区段，稳定区段的时间间隔随观测点至震源之间距离的减小而缩短。?在震中区，由于震源机制和地面扰动的复杂性，三种波的波列几乎是难以区分的。
图1.8 地震波记录图
1.1.4 地震强度
1. 震级
地震强度通常用震级和烈度等反映。震级是表示一次地震本身强弱程度和大小的尺度。目前，国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义是在1935年由里克特(C．F. Richter)给出，即地震震级M为：
(1.4)
式中，A为标准地震仪(指摆的自振周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大倍数为2?800倍的地震仪)在距震中100km处记录的以微米(1?m=10-6m)为单位的最大水平地动位移(单振幅)。实际上，地震时距震中恰好100km处不一定设置了地震仪，且观测点也不一定采用上述的标准地震仪。因此，对于距震中的距离不是 100km，且采用了非标准地震仪所确定的震级，尚需进行适当的修正才是所要求的结果。
震级表示一次地震释放能量的多少，也是表示地震强度大小的指标，所以一次地震只有一个震级。各种不同的震级M与地震释放能量E(尔格)之间有如下的关系：
(1.5)
由式(1.5)计算得知，震级相差一级，能量就要相差32倍之多。一次6级地震所释放的能量，相当于一个2万吨级的原子弹爆炸所产生的能量。
一般来说，小于2级的地震，人们是感觉不到的，只有仪器才能记录下来，因此称为微震；2～4级地震人就能感觉到了，故叫作有感地震；5级以上的地震就能引起不同程度的破坏，称为破坏性地震；7级以上的地震则称为强烈地震或大震；8级以上的地震称为特大地震。据1935年提出震级测算方法后，1960年5月发生在智利的8.5级地震，是记录到的世界最大震级地震，它所释放出来的地震能量是空前的，其引起的海啸规模巨大、地面形状变化非常显著，破坏性之大在世界地震史上是十分罕见的。
2. 地震烈度和地震烈度表
1) 地震烈度
地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。一次同样大小的地震，若震源深度、离震中的距离和土质条件等因素不同，则对地面和建筑物的破坏也不相同。这时，若仅用地震震级来表示地震震动的强度，还不足以区别地面和建筑物破坏轻重的程度。虽然一次地震只有一个震级，但距离震中不同的地点，地震的影响是不一样的，即地震烈度不同。一般来说，离震中愈近，地震影响愈大，地震烈度愈高；离震中愈远，地震烈度就愈低。
2) 地震烈度表
用什么尺度衡量地震烈度？在没有仪器观测的年代，只能由地震宏观现象，如人的感觉、器物的反应、地表和建筑物的影响和破坏程度等，总结出宏观烈度表来评定地震烈度。我国早期的《新中国地震烈度表》(1957)就属于这种宏观烈度表。由于宏观烈度表未能提供定量指标，因此不能直接用于工程抗震设计。随着科学技术的发展，强震仪的问世，使人们有可能记录到地面运动参数，如地面运动加速度峰值、速度峰值来定义地震烈度，从而出现了含有物理指标的定量烈度表。由于不可能随处取得地震仪记录，因此，用定量烈度表评定地震现场的地震烈度还有一定困难。比较好的方法是将两种烈度表结合起来，使之兼有两种功能，以便工程应用。
1999年由国家地震局颁布实施的GB/T 17742—1999《中国地震烈度表》，就属于将宏观烈度与地面运动参数建立起联系的地震烈度表。所以，该烈度表既有定性的宏观标志，又有定量的物理标志，兼具宏观烈度表和定量烈度表的功能。《中国地震烈度表》自发布实施以来，在地震烈度评定中发挥了重要作用。由于国家经济发展，城乡房屋结构发生了很大的变化，抗震设防的建筑比例在不断的增加。因此，中国地震局对GB/T 17742—1999《中国地震烈度表》进行了修订，并由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了新的GB/T 17742—2008《中国地震烈度表》，见表1.1。
表1.1 中国地震烈度表
地震
烈度
人的感觉
房屋震害
其他震害现象
水平向的震动参数
类型
震害程度
平均震害
指数
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅰ
无感
—
—
—
—
—
—
Ⅱ
室内个别静止中的人有感觉
—
—
—
—
—
—
Ⅲ
室内少数静止中的人有感觉
—
门、窗轻微
作响
—
悬挂物微动
—
—
Ⅳ
室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒
—
门、窗作响
—
悬挂物明显摆动，器皿作响
—
—
Ⅴ
室内绝大多数、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒
门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，个别房屋墙体抹灰出现细微裂缝，个别屋顶烟囱掉砖
—
悬挂物大幅度晃动，不稳定器物摇动或翻倒
0.31
(0.22～0.44)
0.03
(0.02～0.04)
Ⅵ
多数人站立不稳，少数人惊逃户外
A
少数中等破坏，多数轻微破坏和/或基本完好
0.00～0.11家具和物品移动；河岸和松软土出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水；个别独立砖烟囱出现轻度裂缝
0.63
(0.45～0.89)
0.06
(0.05～0.09)
B
个别中等破坏，少数轻微破坏，多数基本完好
C
个别轻微破坏，大多数基本完好
0.00～0.08
续表
地震
烈度
人的感觉
房屋震害
其他震害现象
水平向地震动参数
类型
震害程度
平均震害
指数
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅶ
大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉
A
少数毁坏和/ 或严重破坏，多数中等破坏和/或轻微破坏
0.09～0.31
物体从架子上掉落；河岸出现塌方，饱和砂层常见喷水冒砂，松软土地上的裂缝较多；大多数独立砖烟囱中等破坏
1.25
(0.90～1.77)
0.13
(0.10～0.18)
B
少数中等破坏，多数轻微破坏和/或基本完好
C
少数中等和/ 或轻微破坏，多数基本完好
0.07～0.22
Ⅷ
多数人摇晃颠簸，行走困难
A
少数毁坏，多数严重和/ 或中等破坏
0.29～0.51
干硬土上亦出现裂缝, 饱和砂层绝大多数喷砂冒水；大多数独立砖烟囱严重破坏
2.50
(1.78～3.53)
0.25
(0.19～0.35)
B
个别毁坏，少数严重破坏，多数中等和/或轻微破坏
C
少数严重和/ 或中等破坏，多数轻微破坏
0.20～0.40
Ⅸ
行动的人摔倒
A
多数严重破坏和/或毁坏
0.49～0.71
干硬土上多处出现裂缝，可见基岩裂缝、错动，滑坡、塌方常见；独立砖烟囱多数倒塌
5.00
(3.54～7.07)
0.50
(0.36～0.71)
B
少数毁坏，多数严重和/ 或中等破坏
续表
地震
烈度
人的感觉
房屋震害
其他震害现象
水平向地震动参数
类型
震害程度
平均震害
指数
峰值加速度/
(m/s2)
峰值速度/
(m/s)
Ⅸ
行动的人摔倒
C
少数毁坏和/ 或严重破坏，多数中等和/ 或轻微破坏
0.38～0.60
Ⅹ
骑自行车的人会摔倒，处于不稳定状态的人会摔离原地，有抛起感
A
绝大多数毁坏
0.69～0.91
山崩和地震断裂出现，基岩上拱桥破坏；大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁
10.00
(7.08～14.14)
1.00
(0.72～1.41)
B
大多数毁坏
C
多数毁坏和/或严重破坏
0.58～0.80
Ⅺ
—
A
绝大多数毁坏
0.89～1.00
地震断裂延续很长；大量山崩滑坡
—
—
B
C
0.78～1.00
Ⅻ
A
几乎全部毁坏
1.00
地面剧烈变化，山河改观
—
—
B
C
注：表中给出的“峰值加速度”和“峰值速度”是参考值，括弧内给出的是变动范围。
地震烈度表具体说明如下。
(1) 评定烈度指标。新的烈度表规定了地震烈度的评定烈度指标，包括人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象、水平向的震动参数。
(2) 数量词的界定。数量词采用个别、少数、多数、大多数和绝大多数，其范围界定如下。
① “个别”为10%以下；
② “少数”为10%～45%；
③ “多数”为40%～70%；
④ “大多数”为60%～90%；
⑤ “绝大多数”为80%以上。
(3) 评定烈度的房屋类型。用于评定烈度的房屋，包括以下三种类型。
①??A类，木构架和土、石、砖墙建造的旧式房屋；
③??B类，未经抗震设防的单层或多层砖砌体房屋；
④??C类，按照Ⅶ度抗震设防的单层或多层砖砌体房屋。
(4) 房屋破坏等级及其对应的震害指数。房屋破坏等级分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏等5类，其定义和对应的震害指数d如下。
① 基本完好。承重和非承重构件完好，或个别非承重构件轻微损坏，不加修理可继续使用。对应的震害指数范围为0.00≤d＜0.10。
② 轻微破坏。个别承重构件出现可见裂缝，非承重构件有明显裂缝，不需要修理或稍加修理即可继续使用。对应的震害指数范围为0.10≤d＜0.30。
③ 中等破坏。多数承重构件出现轻微裂缝，部分有明显裂缝，个别非承重构件破坏严重，需要一般修理后可使用。对应的震害指数范围为0.30≤d＜0.55。
④ 严重破坏。多数承重构件破坏较严重，非承重构件局部倒塌，房屋修复困难。对应的震害指数范围为0.55≤d＜0.85。
⑤ 毁坏。多数承重构件严重破坏，房屋结构濒于崩溃或已倒毁，已无修复可能。对应的震害指数范围为0.85≤d＜1.00。
各类房屋平均震害指数D可按式(1.6)计算：
(1.6)
式中：——房屋破坏等级为i的震害指数；
——破坏等级为i的房屋破坏比，用破坏面积与总面积之比或破坏栋数与总栋数之比表示。
(5) 地震烈度。评定地震烈度时，Ⅰ～Ⅴ度应以地面上以及底层房屋中人的感觉和其他震害现象为主；Ⅵ～Ⅹ度应以房屋震害为主，参照其他震害现象，当用房屋震害程度与平均震害指数评定结果不同时，应以震害程度评定结果为主，并综合考虑不同类型房屋的平均震害指数；Ⅺ度和Ⅻ度应综合房屋震害和地表震害现象。
(6) 以下三种情况的地震烈度评定结果应做适当调整。
① 当采用高楼上人的感觉和器物反应评定地震烈度时，适当降低评定值。
② 当采用低于或高于Ⅶ度抗震设计房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时，适当降低或提高评定值。
③ 当采用建筑质量特别差或特别好房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时，适当降低或提高评定值。
(7) 当计算的平均震害指数值位于表1.1中地震烈度对应的平均震害指数重叠搭接区间时，可参照其他判别指标和震害现象综合判定地震烈度。
(8) 农村可按自然村，城镇可按街区为单位进行地震烈度评定，面积以1km2 为宜。
(9) 当有自由场地强震动记录时，水平向的震动峰值加速度和峰值速度可作为综合评定地震烈度的参考指标。
3. 震级和震中烈度
震级与烈度是两个不同的概念，震级表示一次地震释放能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强弱程度。两者关系可用炸弹爆炸来解释，震级好比是炸弹的装药量，烈度则是炸弹爆炸后造成的破坏程度。所以一次地震震级只有一个，但烈度可以有很多个。
震级和烈度只在特定条件下存在大致对应关系。对于浅源地震(震源深度在10～30km)，震中烈度与震级M之间有如下对照关系(见表1.2)。
表1.2 震中烈度I0与震级M之间对照关系
震级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 常用术语
震源深度：震中到震源的垂直距离，称为震源深度(见图1.9)。
一般把震源深度小于60km的地震称为浅源地震；60～300km的称为中源地震；大于300km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5～40km。
震中距：建筑物到震中之间的距离叫震中距。
极震区：在震中附近，振动最剧烈、破坏最严重的地区叫极震区。
等震线：一次地震中，在其所波及的地区内，用烈度表可以对每一个地点评估出一个烈度，烈度相同点的外?包线叫等震线。
1.2 地震活动与地震分布
1.2.1 世界地震活动
由上述可知，地震的发生与地质构造密切相关。一般来说，岩层中原来已有断裂存在，致使岩石的强度较?低，容易发生错动或产生新的断裂，也就容易发生地震。特别是在活动性较大的断裂带的两端和拐角部位、两条活动断层的交汇处以及现代断裂差异运动变化剧烈的大型隆起或凹陷的转换地带，这些部位的地应力比较集中，构造比较脆弱，往往容易发生地震。
20世纪初，科学家们在遍访各大洲、进行宏观地震资料调查的基础上，编制了世界地震活动图。随后，又?根据各地震台的观测数据编出了较精确的世界地震分布图，如图1.10所示。从这些图中可以清楚地看到，小地震几乎到处都?有，大地震则主要发生在某些地区，即地球上的两个主要地震带。
(1) 环太平洋地震带。全球约80%浅源地震和90%的中深源地震，以及几乎所有的深源地震都集中在这一地带。它沿南北美洲西海岸、阿留申群岛，转向西南到日本列岛，再经我国台湾地区，到达菲律宾、新几内亚和?新西兰。
(2) 欧亚地震带。除分布在环太平洋地震活动带的中深源地震以外，几乎所有其他中深源地震和一些大的浅源地震都发生在这一地震活动带，这一活动带内的震中分布大致与山脉的走向一致。它西起大西洋的亚速岛，经意大利、土耳其、伊朗、印度北部、我国西部和西南地区，过缅甸至印度尼西亚与上述环太平洋地震带?相衔接。
除了上述两条主要地震带以外，在大西洋、太平洋、印度洋中也有一些洋脊地震带，沿着海洋底部隆起的山脉延伸。这些地震带与人类活动关系不大，地震发生的次数在地震总数中占的比例亦不高。对比板块划分图(见图1.10)可知，上述地震带大多数位于板块边缘，或者邻近板块边缘。
图1.10 世界地震带分布示意图
1.2.2 我国地震活动
我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是一个多地震国家。从地震地质背景看，我国存在发生频繁地震的复杂地质条件，因此，我国境内地震活动频度较高、强度较大。图1.11给出了我国历史上震级大于5级的地震活动分布。由图可见，我国地震活动呈带状分布，从中可以划分10个地震区：台湾地震区、南海地震区、华南地震区、华北地震区、东北地震区、青藏高原南部地震区、青藏高原中部地震区、青藏高原北部地震区、新疆中部地震区和新疆北部地震区。
图1.11 我国地震活动分布图
台湾地震区、南海地震区和华南地震区中的一部分属环太平洋地震带，是由太平洋板块与亚欧板块挤压引起的，其中台湾东部是我国地震活动最强、频率最高的地区。青藏高原南、中、北部地震区和新疆中、北部地震区属亚欧地震带，其活动与印度洋板块俯冲亚欧板块的运动有密切关系，除青藏高原北部地震区外，均属地震活动程度强烈地区。华北地震区主要是古生代褶皱系统，由一系列大断裂带组成，是典型的板块内部地震区，近期活动较为活跃。
1.2.3 我国严重的地震灾害
我国是世界上地震活动最强烈的国家之一。中国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，受太平洋板块向西、印度洋板块向北、欧洲向东等多向的推动和挤压，从而地震活动活跃，具有分布广、频度高、强度大、震源浅的特点。从历史上的地震情况来看，全国除个别省份外，大部分地区都发生过较强烈的破坏性地震。20世纪以来，根据地震仪器记录资料统计，我国已发生6级以上地震700多次，其中7.0～7.9级地震近100次，8级及8级以上11次，见表1.3。
表1.3 20世纪以来发生在我国的11次8级以上强震统计表
序 号
发震时间
地震名称
震级(M)
1
1902.8.22
新疆阿图什
8.3
2
1906.12.23
新疆玛纳斯
8.0
3
1920.6.5
台湾花莲东南海中
8.0
4
1920.12.16
宁夏海原
8.5
5
1927.5.23
甘肃古浪
8.0
6
1931.8.31
新疆富蕴
8.0
7
1950.8.15
西藏察隅、墨脱间
8.5
8
1951.11.18
西藏当雄西北
8.0
9
1972.1.25
台湾新港东海中
8.0
10
2001.11.14
青新交界
8.2
11
2008.5.12
汶川地震
8.0
强烈的地震活动使我国成为世界上地震灾害最严重的国家之一。1949年以来，100多次破坏性地震袭击了我国22个省(自治区、直辖市)，造成34万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%以上。地震作为我国第一大自然灾害，与其他自然灾害一起构成我国最基本的国情之一。
例如，1976年唐山大地震和2008年汶川大地震，这两次地震导致的死亡人数之和占到新中国成立以来地震死亡人数的85%以上。
北京时间1976年7月28日凌晨3时42分，在河北省唐山市(北纬39.6°，东经118.1°)发生了7.8级强烈地震，极震区烈度高达Ⅺ度，使唐山这座人口稠密、经济发达的工业城市几乎沦为一片废墟。根据有关方面统计，这次地震毁坏公产房屋1?479万m2，倒塌民房530万间，造成的直接经济损失高达到54亿元，总损失估计超过100亿元。另外，该次地震共导致24.2万人死亡，16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残疾的就达到1?700多人，是新中国成立以来人员伤亡最为惨重的一次地震。
北京时间2008年5月12日14时28分，四川省汶川县(北纬31.0°，东经103.4°)发生了8.0级特大地震，极震区烈度也高达Ⅺ度。这次地震影响范围极大，超过40万km2，其中严重受灾地区达到10万km2。地震造成大面积的基础设施、建筑工程损坏和垮塌，并且由于四川省特殊的地形地貌和山地特征，导致严重的次生地质灾害，造成巨大的经济损失和人员伤亡。据统计，该次地震中死亡69?227人，失踪17?933人，374?643人受伤，直接经济损失达到8?451亿元人民币。汶川大地震作为新中国成立以来破坏性最强、涉及范围最广、救灾难度最大的一次地震，将会被历史永远铭记。
北京时间2010年4月14日清晨，青海省玉树县(北纬33.1°，东经96.6°)发生两次地震，最高震级7.1级，造成了县城结古镇多数民居倒塌或发生严重破坏，导致2?220人遇难，70人失踪。玉树地震是汶川大地震以来我国发生的又一次严重的地震灾害，再次给我们敲响了防御地震灾害的警钟，提醒我们当前的抗震防灾形势依然严峻。
1.3 地震的破坏作用
1.3.1 地表的破坏现象
1. 地裂缝
在强烈地震作用下，常常会在地面产生裂缝。根据产生的机理不同，地裂缝分为重力地裂缝和构造地裂缝两种。重力地裂缝是由于在强烈地震作用下，地面做剧烈震动而引起的惯性力超过了土的抗剪强度所致。这种裂缝长度可由几米到几十米，其断续总长度可达几千米，但一般都不深，多为1～2m。图1.12为唐山地震中出现的重力地裂缝的状态。构造地裂缝是地壳深部断层错动延伸至地面而出现的裂缝。美国旧金山大地震圣安德烈斯断层的巨大水平位移，就是现代可见断层形成的构造地裂缝。
2. 喷砂冒水
在地下水位较高、砂层埋深较浅的平原地区，地震时由于地震波的强烈振动使地下水压力急剧增高，地下水经地裂缝或土质松软的地方冒出地面，当地表土层为砂层或粉土层时，则地下水夹带着砂土或粉土一起喷出地表，形成喷砂冒水现象(见图1.13)。喷砂冒水现象一般要持续很长时间，严重的地方可造成房屋不均匀下沉或上部结构开裂。
?图1.12 唐山大地震地裂缝 ? 图1.13 喷砂冒水
3. 地面下沉(震陷)
在强烈地震作用下，地面往往会发生震陷，使建筑物破坏。
4. 河岸、陡坡滑坡
在强烈地震作用下，常引起河岸、陡坡滑坡(见图1.14)，规模很大时，会造成堰塞湖(见图1.15)，引起公路堵塞、岸边建筑物破坏等。
图1.14 汶川地震滑坡 图1.15 汶川地震形成的堰塞湖
1.3.2 建筑物的破坏
在强烈地震作用下，各类建筑物会发生严重破坏，按其破坏的形态及直接原因，可分为以下几类。
1. 结构丧失整体性
房屋建筑或其他构筑物都是由许多构件组成的，在强烈地震作用下，构件连接不牢，支撑长度不够或支撑失效等都会使结构丧失整体性而被破坏。图1.16为2005年3月20日日本福冈县以西海域发生里氏7级地震，建筑结构的整体性破坏。
2. 承重结构承载力不足引起破坏
任何承重构件都有其各自的特定功能，以适用于承受一定的外力作用。对于设计时没有考虑抗震设防或抗震设防不足的结构，在强烈地震作用下，不仅构件内力增大很多，而且其受力性质往往也将改变，致使构件承载力不足而被破坏。图1.17所示为某房屋在地震中承重构件强度不足遭受破坏的情况。
图1.16 结构丧失整体性破坏 图1.17 承重构件强度不足破坏
3. 地基失效
当建筑物地基内含饱和砂层、粉土层时，在强烈地面运动作用下，土中孔隙水压力急剧增高，致使地基土发生液化，地基承载力下降，甚至完全丧失，从而导致上部建筑结构遭受破坏(见图1.18)。
图1.18 日本新潟砂土液化导致地基丧失承载力
1.3.3 次生灾害
地震除直接造成建筑物的破坏外，还可能引起火灾、水灾、污染等严重的次生灾害，有时比地震直接造成的损失还大。在城市，尤其是在大城市这个问题越来越引起人们的关注。例如，1995年1月17日发生的日本阪神大地震，引起火灾有122起之多，不少建筑物倒塌后又被烈火包围，烈焰熊熊，浓烟遮天蔽日，火势入夜不减，这给救援工作带来很大困难，如图1.19所示。又如，1923年日本关东大地震，据统计，该次地震震倒房屋13万栋。由于地震时正值中午做饭时间，故许多地方同时起火，自来水管普遍遭到破坏，而道路又被堵塞，致使大火蔓延，烧毁房屋达45万栋之多。1906年美国旧金山大地震，在震后的三天火灾中，共烧毁521个街区的28?000幢建筑物，使已被震坏但仍未倒塌的房屋，又被大火夷为一片废墟。1960年发生在海底的智利大地震引起的海啸灾害除吞噬了智利中、南部沿海房屋外，海浪还从智利沿大海以每小时640km的速度横扫太平洋，22h之后，高达4m的海浪又袭击了距智利17?000km远的日本，在本州和北海道，海港和码头建筑遭到严重的破坏，甚至连巨船也被抛上陆地。再如，2005年12月26日上午，印度尼西亚苏立门答腊岛附近海域发生了一场近百年来罕见的强烈地震。此次地震的震级高达里氏8.7级，引起的高达10m的海啸向附近的东南亚国家沿海地区呼啸而去。地震和随之而来的海啸造成了极其严重人员伤亡和财产损失，据报道，印度、斯里兰卡等7个国家有近30万人遇难。北京时间2011年3月11日13时46分，在日本东北部海岸(北纬38.1度，东经142.6度)发生里氏9.0级地震，震源深度约32千米。地震引发的巨大海啸于震后15min抵达日本沿岸，并在随后数小时内袭击海岸区，如图1.20所示。据日本警察厅统计，截至2011年4月28日，地震和海啸共造成日本14?564人死亡、11?356人失踪以及5?314人不同程度受伤，接近20万栋建筑物受损，其中绝大部分由海啸造成，为日本“二战”后伤亡最惨重的自然灾害。海啸冲至陆地的最高点被确定为37.9m，如图1.20所示。
图1.19 阪神地震火灾 图1.20 日本海啸
1.4 建筑结构的抗震设防
1.4.1 抗震设防依据
1. 基本烈度和地震动参数
强烈地震是一种破坏性很大的自然灾害，它的发生具有很大的随机性，采用概率方法预测某地区未来一定时间内可能发生的最大烈度是具有实际意义的，因此，国家有关部门提出了基本烈度的概念，并编制了《中国地震烈度区划图(1990)》，经国务院批准已由国家地震局和建设部于1992年6月颁布实施。该图用基本烈度表示地震危险性，把全国划分为基本烈度不同的5个地区(见图1.21)，一个地区的基本烈度是指：50年期限内，一般场地条件下，可能遭受超越概率为10%的烈度值。
图1.21 中国地震烈度区划图
《中国地震烈度区划图(1990)》采用地震烈度作为编图参数，而此时的工程结构抗震设计早已进入反应谱阶段，即其设计基本依据是场地相关地震反应谱，而用单一的烈度参数难以构成设计反应谱。目前许多国家采用地震动峰值加速度和反应谱特征周期双参数进行地震区划，可以较容易地形成抗震设计反应谱。
近年来随着我国地震研究的不断深入，对《中国地震烈度区划图(1990)》进行了修订，已于2001年8月颁布了GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》。该区划图根据地震危险性分析方法，提供了Ⅱ类场地上，50年超越概率为10%的地震动参数，给出了地震动峰值加速度分区图和地震动反应谱特征周期分区图。地震动峰值加速度分区图分为7个区(见图1.22)，与中国地震烈度区划图相比，多出了加速度值为0.15g和0.30g的两个分区。地震动反应谱特征周期分区图分为3个区，1区特征周期为0.35s，2区为0.40s，3区为0.45s，特征周期分区图描绘了地震反应谱的形状。2008年汶川地震后，又及时对四川、陕西、甘肃三省局部地区设防烈度做了变更。
GB 5011—2010《建筑抗震设计规范》(以下简称《建筑抗震规范》)规定，一般情况下可采用《中国地震动参数区划图》的地震基本烈度或设计地震动参数作为抗震设防依据。
图1.22 中国地震烈度区划图
2. 地震小区划
地震烈度区划考虑了较大范围的平均的地质条件，对大区域地震活动水平做出了预测。震害经验表明，同一地区不同场地上的建筑物震害程度有着明显差异，局部场地条件对地震动的特性和地震破坏效应存在较大影响。地震小区划就是在大区划(地震烈度区划)的基础上，考虑局部范围的地震地质背景、土质条件、地形地貌，给出一个城市或一个大的工矿企业内的地震烈度和地震动参数，为工程抗震提供更为经济合理的场地地震特性评价。《建筑抗震规范》规定对做过地震小区划的地区，可采用抗震主管部门批准使用的设防烈度和设计地震动参数。
3. 设计地震分组
理论分析和震害表明，在同样烈度下由不同震级和震中距的地震引起的地震动特征是不同的，对不同动力特性的结构造成的破坏程度也是不同的。一般来说，震级较大、震中距较远的地震对长周期柔性结构的破坏，比同样烈度下震级较小、震中距较近的地震造成的破坏要严重。产生这种差异的主要原因是地震波中的高频分量随传播距离的衰减比低频分量要快，震级大、震中距远的地震波的主导频率为低频分量，与长周期的高柔结构自振周期接近，存在“共振效应”。
为了反映同样烈度下，不同震级和震中距的地震对建筑物的影响，补充和完善烈度区划图的烈度划分，《建筑抗震规范》将建筑工程的抗震设计划分为三组，以近似反映近、中、远震的影响。不同设计分组，采用不同的设计特征周期和基本地震动峰值加速度。
1.4.2 建筑抗震设防要求
1. 设防目标
20世纪70年代以来，世界不少国家的抗震设计规范都采用了这样一种设计思想：在建筑使用寿命期限内，对于不同频度和强度的地震，要求其具有不同的抗震能力。即对于较小的地震，由于其发生的可能性大，当遭遇到这种多遇地震时，要求建筑结构不受损坏，这在技术上和经济上都是可以做到的；对于罕遇的强烈地震，由于其发生的可能性小，当遭遇到这种地震时，若要求建筑结构不受损坏，这在经济上是不合算的。比较合理的做法是，应允许损坏，但在任何情况下结构不应倒塌。
基于上述抗震设计准则，我国《建筑抗震规范》提出了三水准的抗震设防要求。
(1) 第一水准。当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震(或称小震)时，建筑物一般不损坏或不须修理仍可继续使用。
(2) 第二水准。当遭受本地区设防烈度的地震时，建筑物可能损坏，经过一般修理或不须修理仍可继续使用。
(3) 第三水准。当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震(或称大震)时，建筑物不倒塌，或不发生危及生命的严重破坏。
概括起来，三水准抗震设防目标的通俗说法是：小震不坏，中震可修，大震不倒。
上述三个水准烈度分别对应于地震的多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度，与三个水准烈度相应的抗震设防目标是：遭遇第一水准烈度时，一般情况下建筑物处于正常使用状态，结构处于弹性工作阶段；遭遇第二水准烈度时，建筑物可能发生一定程度的破坏，允许结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形造成的结构损坏应控制在可修复的范围内；遭遇第三水准烈度时，建筑物可以产生严重破坏，结构可以有较大的非弹性变形，但不应发生建筑倒塌和危及人民生命安全的破坏。这三个水准烈度关系如图1.23所示。
2. 小震和大震
从概率意义上说，小震应是发生机会较多的地震，大震应是发生机会极小的地震。根据对我国华北、西北和西南地区的地震烈度统计分析，认为我国地震烈度的概率分布符合极值Ⅲ型，概率密度曲线上峰值对应的烈度(即发震频率最高的烈度)为众值烈度。当设计基准期为50年内众值烈度的超越概率为63.2%，《建筑抗震规范》取为第一水准的烈度，即小震对应的烈度；50年内超越概率为10%的烈度相当于地震区划图规定的基本烈度，《建筑抗震规范》取为第二水准的烈度；50年内超越概率为2%～3%的烈度称为罕遇烈度，《建筑抗震规范》取为第三水准的烈度，即大震对应的烈度。由烈度概率分布图1.23可知，基本烈度与众值烈度相差1.55度，而基本烈度与罕遇烈度相差约为1度。例如，当基本烈度为8度时，其众值烈度(小震烈度)为6.45度左右，罕遇烈度(大震烈度)为9度左右。
图1.23 三种烈度关系示意图
3. 建筑结构抗震设计方法
《建筑抗震规范》提出了二阶段设计方法以实现上述3个烈度水准的抗震设防要求。第一阶段设计是在方案布置符合抗震设计原则的前提下，按与基本烈度相对应的众值烈度(相当于小震)的地震动参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应，然后与其他荷载效应按一定的组合系数进行组合，并对结构构件截面进行承载力验算，对于较高的建筑物还要进行变形验算，以控制其例向变形不要过大。这样，既满足了第一水准下建筑结构必要的承载力可靠度，又可满足第二水准的设防要求(损坏可修)，然后再通过概念设计和构造措施来满足第三水准的设防要求。对于大多数结构，一般可只进行第一阶段的设计，但对于少部分结构，如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，除了应进行第一阶段的设计外，还要进行第二阶段的设计，即按与基本烈度相对应的罕遇烈度(相当于大震)验算结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求(不发生倒塌)，如果有变形过大的薄弱层(或部位)，则应修改设计或采取相应的构造措施，以使其能够满足第三水准的设防要求(大震不倒)。
1.4.3 建筑抗震设防分类及设防标准
1. 抗震设防分类
根据新版GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》(以下简称《分类标准》)规定，建筑抗震设防类别划分应根据下列因素综合分析确定。
(1) 建筑破坏造成的人员伤亡、直接和间接经济损失及社会影响大小。
(2) 城镇的大小、行业的特点、工矿企业的规模。
(3) 建筑使用功能失效后，对全局的影响范围大小、抗震救灾影响及恢复的难易程度。
(4) 建筑各区段的重要性显著不同时，可按区段划分抗震设防类别。
(5) 不同行业的相同建筑，当其所处地位及地震破坏所产生的后果和影响不同时，其抗震设防类别可不相同。《分类标准》规定，建筑工程应根据其使用功能的重要性和地震灾害后果的严重性分为以下4个抗震设防类别。
(1) 特殊设防类。指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑，简称甲类。
(2) 重点设防类。指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑，简称乙类。
(3) 标准设防类。指大量的除(1)、(2)、(4)款以外按标准要求进行设防的建筑，简称丙类。
(4) 适度设防类。指使用人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑，简称丁类。
《分类标准》指出，划分不同的抗震设防分类并采取不同的设计要求，是在现有技术和经济条件下减轻地震灾害的重要对策之一。新的《分类标准》侧重于建筑的使用功能和灾害后果，并更强调对人员安全的保障。
《分类标准》对一些行业的建筑的设防标准做了调整。例如，在教育建筑中，规定幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂的抗震设防类别不应低于乙类。《分类标准》列出了主要行业甲、乙、丁类建筑和少数丙类建筑的示例，可供查用。
2. 抗震设防标准
《分类标准》规定，各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求。
(1) 标准设防类。应按本地区抗震设防烈度确定建筑的抗震措施，使其在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。
(2) 重点设防类。应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施；当抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
对于划分为重点设防类而规模很小的工业建筑，当改用抗震性能较好的材料且符合抗震设计规范对结构体系的要求时，允许按标准设防类设防。
(3) 特殊设防类。应按高于本地区抗震设防烈度1度采取抗震措施；当抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
(4) 适度设防类。允许按本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
抗震设防烈度为6度时，除《建筑抗震规范》有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。
1.5 建筑结构抗震概念设计
由于地震发生的随机性和建筑结构本身的复杂性，建筑物的地震破坏机理目前还不十分清楚，结构抗震设计中尚存在许多不定因素，现行规范提供的地震作用估算和结构抗震计算的方法大都是具有一定概率水准的近似方法。人们在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到，不能单纯依赖数值计算追求结构的抗震能力，必须合理运用概念设计提高建筑的抗震性能。对于结构抗震设计，数值计算和概念设计具有同等重要的地位。
所谓概念设计，是指考虑地震及其影响的不确定性，依据历次震害总结出的规律，既着眼于结构的总体地震反应，合理选择建筑体型和结构体系，又顾及结构关键部位的细节，正确处理细部构造和选用材料，灵活运用抗震设计思想，综合解决抗震设计基本问题。
1.5.1 场地、地基和基础的要求
1. 选择对抗震有利的场地
选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握与地震活动情况、工程地质和地震地质有关的资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对于不利地段，应提出避开要求，当无法避开时应采取有效措施。对于危险地段，严禁建造甲、乙类建筑，不应建造丙类建筑。
对抗震有利的地段，一般是指稳定的基岩、坚硬土或开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等地段；不利地段，一般是指软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖的地基等)含水量高的可塑黄土，地表存在结构性裂隙等地段；危险地段，一般是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等灾害，以及地震断裂带上可能发生地表错位的部位等地段；一般地段，是指不属于有利、不利和危险的地段。
2. 不同场地上的抗震构造措施的调整
(1) 建筑场地为Ⅰ类时，甲、乙类建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；丙类建筑应允许按比本地区抗震设防烈度低一度的要求采取抗震构造措施。但抗震设防烈度为6度时仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。
(2) 建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时，对于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，除《建筑抗震规范》另有规定外，宜分别按抗震设防烈度为8度(0.20g)和9度(0.40g)的各类建筑的要求采取抗震构造措施。
3. 地基和基础设计的要求
(1) 同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。
(2) 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。
(3) 地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应的措施。
4. 山区建筑场地和地基基础设计的要求
(1) 山区建筑场地应根据其地质、地形条件和使用要求，因地制宜设置符合抗震设防要求的边坡工程；边坡应避免深挖高填，坡高大且稳定性差的边坡应采用后仰放坡或分阶放坡。
(2) 建筑基础与土质、强风化岩质边坡的边缘应留有足够的距离，其值应根据抗震设防烈度的高低确定，并采取措施避免地震时地基基础被破坏。
1.5.2 建筑结构的规则性
建筑形状关系到结构的体形，结构体形对建筑物的抗震性能有明显影响。震害表明，形状比较简单的建筑在遭遇地震时一般破坏较轻，这是因为形状简单的建筑受力性能明确，传力途径简捷，设计时容易分析建筑的实际地震反应和结构内力分布，结构的构造措施也易于处理。因此，建筑形状应力求简单规则，同时注意遵循下面的要求。
1. 建筑平面布置应简单规整
建筑结构的简单和复杂可通过其平面形状来区分(见图1.24)。地震区房屋的建筑平面以方形、矩形、圆形为好，正六角形、正八边形、椭圆形、扇形次之。三角形平面虽然也属简单形状，但是由于它沿主轴方向不都是对称的，在地震作用下容易发生较强的扭转振动，对抗震不利，因而不是抗震结构的理想平面形状。此外，带有较长翼缘的T形、L形、U形、H形、Y形等平面(见图1.25)对抗震结构性能也不利。
图1.24 简单平面图形
图1.25 复杂平面图形
平面不规则有以下几种类型。
(1) 扭转不规则。楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍，如图1.26(a)所示。
(2) 凹凸不规则。结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%，如图1.26(b)所示。
(3) 楼板局部不连续。楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。例如，开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层，或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，如图1.26(c)所示。
2. 建筑物竖向布置应均匀和连续
建筑体形复杂会导致结构体系沿竖向的强度与刚度分布不均匀，在地震作用下容易使某一层或某一部位率先屈服而出现较大的弹塑性变形。例如，立面突然收进的建筑或局部突出的建筑，会在凹角处产生应力集中；大底盘建筑，在低层裙房与高层主楼相连处，体形突变引起刚度突变，使裙房与主楼交接处的塑性变形集中；柔性底层建筑，因底层需要开放大空间，上部的墙、柱不能全部落地，形成柔弱底层。
竖向不规则的类型如下。
(1) 侧向刚度不规则(见图1.27(a))。该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。
(2) 竖向抗侧力构件不连续(见图1.27(b))。竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架)向下传递。
(3) 楼层承载力突变(见图1.27(c))。抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。
图1.26 平面不规则的类型
图1.27 竖向不规则的类型
3. 刚度中心和质量中心应一致
房屋中抗侧力构件合力作用点的位置称为质量中心。地震时，如果刚度中心和质量中心不重合，会产生扭转效应使远离刚度中心的构件产生较大应力而严重破坏。例如，前述具有伸出翼缘的复杂平面形状的建筑，伸出端往往破坏较重。又如，有的建筑虽然外形规则对称，但抗侧力系统不对称，如将抗侧刚度很大的钢筋混凝土芯筒或钢筋混凝土墙偏设，会造成刚心偏离质心，产生扭转效应。再如，建筑上将质量较大的特殊设备、高架游泳池偏设，造成质心偏离刚心，同样也会产生扭转效应。
4. 复杂体形建筑物的处理
房屋体形常常因其使用功能和建筑美观的限制，不易布置成简单规则的形式。对于体形复杂的建筑物可采取下面两种处理方法：设置建筑防震缝，将建筑物分隔成规则的单元，但设缝会影响建筑立面效果，容易引起相邻单元之间碰撞；不设防震缝，但应对建筑物进行细致的抗震分析，估计其局部应力、变形集中及扭转影响，判明易损部位，采取加强措施提高结构的抗变形能力。
1.5.3 抗震结构体系
抗震结构体系的主要功能为承担侧向地震作用，合理选取抗震结构体系是抗震设计中的关键环节，直接影响着房屋的安全性和经济性。在进行结构方案决策时，应从以下几方面加以考虑。
1. 结构屈服机制
结构屈服机制可以根据地震中构件出现屈服的位置和次序将其划分为两种基本类型：层间屈服机制和总体屈服机制。层间屈服机制是指结构的竖向构件先于水平构件屈服，塑性铰首先出现在柱上，只要某一层柱上下端出现塑性铰，该楼层就会整体侧向屈服，发生层间破坏，如弱柱型框架、强梁型联肢剪力墙等。总体屈服机制是指结构的水平构件先于竖向构件屈服，塑性铰首先出现在梁上，使大部分梁甚至全部梁上出现塑性铰，结构也不会形成破坏机构，如强柱型框架、弱梁型联肢剪力墙等。总体屈服机制有较强的耗能能力，在水平构件屈服的情况下，仍能维持相对稳定的竖向承载力，可以继续经历变形而不倒塌，其抗震性能优于层间屈服机制。
2. 多道抗震防线
结构的抗震能力依赖于其各组成部分的吸能和耗能能力，在抗震体系中，吸收和消耗地震输入能量的各部分称为抗震防线。一个良好的抗震结构体系应尽量设置多道防线，当某部分结构出现破坏，降低或丧失抗震能力后，其余部分仍能继续抵抗地震作用。具有多道防线的结构：一是要求结构具有良好的延性和耗能能力；二是要求结构具有尽可能多的抗震赘余度。结构的吸能和耗能能力，主要依靠结构或构件在预定部位产生的塑性铰，若结构没有足够的超静定次数，一旦某部位形成塑性铰后，会使其变成可变体系而丧失整体稳定。另外，应控制塑性铰出现的位置，塑性铰的形成不应危及整体结构的安全。
框架-抗震墙结构是具有多道防线的结构体系，它的主要抗侧力构件抗震墙是第一道防线，当抗震墙部分在地震作用下遭到损坏后，框架部分则起到第二道防线的作用，可以继续承受水平地震作用和竖向荷载。还有些结构本身只有一道防线，若采取某些措施，改善其受力状态，增加抗震防线。如框架结构只有一道防线，若在框架中设置填充墙，可利用填充墙的强度和刚度增设一道防线。在强烈地震作用下，填充墙首先开裂，吸收和消耗部分地震能量，然后退出工作，此为第一道防线；随着地震反复作用，框架经历较大变形，梁柱出现塑性铰，可看作第二道防线。
1.5.4 结构构件
结构体系是由各类构件连接而成的，抗震结构的构件应具备必要的强度、适当的刚度、良好的延性和可靠的连接，并应注意强度、刚度和延性之间的合理均衡。
(1) 结构构件要有足够的强度，其抗剪、抗弯、抗压、抗扭等强度均应满足抗震承载力要求。要合理选择截面
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