地震工程学

地震工程学
摘要：近几十年来，我国发生了多起地震，我所印象深刻的要数唐山、汶川。

最近我国又发生了一起雅安地震，伤亡之惨重，经济损失百亿。

地震给国家、人民带来不尽的损失和伤痛。

所以地震工程学的研究实践，对减轻地震灾害有直接而重大的意义。

本文从地震的定义、中国地震灾害及构造、地震工程学、结构抗震计算、抗震概念设计、防震减灾发展战略等方面做了研究，希望能够对我国抗震减灾带来帮助。

关键词：地震；防震减灾；设计；发展战略
1.引言
2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川、北川发生里氏8.0级地震，地震造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。

此次地震为新中国成立以来国内破坏性最强、波及范围最广、总伤亡人数最多的一次地震，被称为“汶川大地震”。

地震成因：印度洋板块向亚欧板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。

高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川—映秀地区突然释放。

逆冲、右旋、挤压型断层地震。

四川特大地震发生在地壳脆韧性转换带，震源深度为10～20千米，与地表近，持续时间较长，因此破坏性巨大，影响强烈。

而在2013年4月20日8时02分46秒，在四川省雅安市芦山县龙门乡、宝盛乡、太平镇交界（北纬30.3°,东经103.0°）发生里氏7.0级地震，震源深度13公里。

震中距成都约100公里，距离汶川大地震震中。

此次地震最大烈度IX度，受灾范围约18,682平方千米。

芦山县距离雅安市市区33千米，位于龙门山前缘构造带南段。

龙门山断裂带位于青藏高原东缘。

龙门山断裂带上地震多发，2008年的汶川大地震即在距离芦山县北部大川镇仅69千米处发生。

关于雅安地震是否属于汶川地震的一次余震，中外专家有不同的说法，中国地震台网中心地震预报部副主任蒋海昆认为，雅安地震为“逆冲型的地震”，破裂特征与汶川地震非常相似，但不是汶川地震的余震。

美国和日本的专家则认为雅安地震是汶川地震的一次余震。

在宫老师讲的所有课程里，我最感兴趣的应该是老师在讲《灾害防救知识》的时候，感觉特别有意思，恰逢在这期间国家发生了比较严重的地震—雅安地震。

而且老师在讲其他东西的时候，对于我来说有点难度，所以我在写论文的时候就倾向于写这一章节的东西。

在汉语词典中，有个词语是我们大家都不希望遇到的，那就是“天灾人祸”。

何谓天灾
呢？天灾实质就是那些自然界中的灾难。

我们人类所居住的自然环境有时会出现一些异常的变化，而这些变化又常常会作用于我们人类社会，给我们造成巨大的损失，这就构成了所谓的灾害。

灾害，尤其是自然灾害往往是不可预知、不可避免的。

面对突如其来的灾难，地震，是我所认为的最大的灾难，在近几年我所了解的地震就数汶川地震和雅安地震了，虽然只在电视上看过，但那触目惊心的画面让我动容，是什么力量摧毁了那么多房屋建筑，是什么力量带走了那么多人的生命，在学过地震工程学后，我了解到了地震的可怕性，也了解到防震减灾的重要性！我们应该怎么面对？是勇敢的战胜它还是回避它呢？我们肯定会毫不犹豫的选择前者。

俗话说：知己知彼，百战不怠。

我们要想战胜这些自然灾害，把损失降到最少，就必须要了解它，掌握它们的特点和规律，从而更好的来监测和预防。

2.地震的定义
地球，可分为三层。

中心层是地核，地核主要是由铁元素组成；中间是地幔；外层是地壳。

地震一般发生在地壳之中。

地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用（即内力作用），使地壳岩层变形、断裂、错动，于是便发生地震。

超级地震指的是震波极其强烈的大地震。

但其发生占总地震7%~21%,破坏程度是原子弹的数倍，所以超级地震影响十分广泛，也是十分具有破坏力的。

地震，是地球内部发生的急剧破裂产生的震波，在一定范围内引起地面振动的现象。

地震就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。

它就像海啸、龙卷风、冰冻灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害。

大地振动是地震最直观、最普遍的表现。

在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。

地震是及其
频繁
的，全
球每年
发生地
震约五
百五十
万次。

地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾，水灾，有毒气体泄漏，细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸，滑坡，崩塌，地裂缝等次生灾害。

全球板块构造运动中国地震火山分布带
地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾，水灾，有毒气体泄漏，细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸，滑坡，崩塌，地裂缝等次生灾害。

地震波发源的地方，叫作震源(focus)。

震源在地面上的垂直投影，地面上离震源最近的一点称为震中。

它是接受振动最早的部位。

震中到震源的深度叫作震源深度。

通常将震源深度小于60公里的叫浅源地震，深度在60-300公里的叫中源地震，深度大于300公里的叫深源地震。

对于同样大小的地震，由于震源深度不一样，对地面造成的破坏程度也不一样。

震源越浅，破坏越大，但波及范围也越小，反之亦然。

破坏性地震一般是浅源地震。

如1976年的唐山地震的震源深度为12公里。

破坏性地震的地面振动最烈处称为极震区，极震区往往也就是震中所在的地区。

观测点距震中的距离叫震中距。

震中距小于100公里的地震称为地方震，在100-1000公里之间的地震称为近震，大于1000公里的地震称为远震，其中，震中距越长的地方受到的影响和破坏越小。

地震所引起的地面振动是一种复杂的运动，它是由纵波和横波共同作用的结果。

在震中区，纵波使地面上下颠动，横波使地面水平晃动。

由于纵波传播速度较快，衰减也较快，横波传播速度较慢，衰减也较慢，因此离震中较远的地方，往往感觉不到上下跳动，但能感到水平晃动。

当某地发生一个较大的地震时，在一段时间内，往往会发生一系列的地震，其中最大的一个地震叫做主震，主震之前发生的地震叫前震，主震之后发生的地震叫余震。

地震具有一定的时空分布规律。

从时间上看，地震有活跃期和平静期交替出现的周期性现象。

从空间上看，地震的分布呈一定的带状，称地震带。

3.中国地震灾害及构造
中国大陆强震的分布是不均匀的，其最显著特征是西强东弱，有历史记载以来，以东经107度为界，西部共发生7级以上强震91次，东部只发生27次（台湾省和东北深震除外）。

但是由于东部人烟稠密经济发达，地震形成的灾害要远大于西部。

地震活动西强东弱的原因是中国大陆构造变形的主要动力来自于印度板块对青藏高原的推挤。

大陆强震还具有明显的分带性，强震沿地震带集中发生。

新疆的强震主要沿南天山和北天山地震带发生，特别是南天山与帕米尔交界的乌什地区更是全球大陆强震的高发区，地震类型以挤压逆冲为特征，反映了天山山脉向塔里木和准噶尔盆地的双向逆冲作用。

青藏高原的强震多数发生周边地震带上，其南边界是弧形的喜马拉雅地震带，有历史记载以来发生过5次8级以上强震；东边界是著名的南北地震带， 5.12汶川大地震就发生这里；北边界是祁连山-阿尔金地震带，也控制了一系列7级以上历史强震的发生；高原内部的强震则主要发生在一些大的断裂带上，如1954年西藏当雄8级地震发生嘉利断裂带上， 2001年昆仑山口西8.1级地震发生在昆仑断裂带上。

川滇地区也是中国大陆地震活动强烈的地区，有历史记载以来共发生7级以上强震23次，主要沿鲜水河-小江地震带和滇西（腾冲-澜沧断裂）地震带分布。

由陕西渭河盆地、山西盆地带、内蒙河套盆地带、银川盆地和六盘山区组成的鄂尔多斯周缘地震带则是另一个强震活动带，控制了有历史记载以来的19次7级以上强震的发生。

其中1556年陕西华县8级大地震及后续次生灾害造成了83万人的死亡，是有历史记载以来死亡人数最多的一次地震事件。

而1920年宁夏海原8.5级地震形成了长达215公里的地表破裂，造成了20万人的死亡。

华北平原地震区有历史记载以来发生过7次7级以上强震。

东部沿郯城-庐江断裂1668年发生过8级强震。

北边界的张家口－渤海断裂带与盆地内北北东向断裂的交界地带往往是强震的孕育场所，如1679年三河-平谷8级地震和1976年唐山7.8级地震。

华北平原的7级以上地震还沿内部主要活动断裂发生，如1937年山东磁县和1966年邢台地震。

东北吉林和黑龙江一带的7级以上强震发生在600-700公里深度范围内，不对地表形成强烈破坏，是太平洋板块下插入日本岛弧和中国大陆之下的结果。

除了福建和广东东南沿海受台湾海峡地质构造运动影响发生过7级以上强震之外，中国大陆的其他地区强震活动相对较弱，一般很少发生7级以上的破坏性地震。

4.地震工程学
地震工程学由工程地展、结构抗震、地震工程经济与社会学三部分组成。

工程地震是将地震震源、传播介质、工程场地作为一个系统来研究，研究的关键问题是依据震源的孕育、发展、破裂的物理过程及传播介质特征，解决工程场地的地震动问题。

地震工程学是研究用各种手段减轻地震灾害的科学。

它的主要任务是：运用现代科学知识，提供破坏性地震地动特性及其对工程(包括房屋建筑、工程设施和设备及其系统等)影响的理论、设计和分析方法，
从工程设计、城市规划、土地利用及社会经济等方面提出经济有效的防震抗震措施，以保障各种工程在未来地震中的安全，减少人员伤亡和经济损失。

现在，地震工程学大致涉及下列三个大的方面:
(一) 地学主要包括：地震活动性，地质构造，强震地面运动和强震地震学，地震区划和小区划方法，地震危险分析，土壤、局部地质和地形对场地效应的影响，土动力学，土与结构的相互作用等。

(二) 建筑和土木工程主要包括：地震反应分析和结构抗震设计，结构系统识别，地震反应估计中的实验技术，钢筋混凝土构件和结构在地震作用下的性状，水工、能源和生命线设施的抗震设计，结构的修复与加固等.
(三) 规划和杜会经济问题主要包括：农村和城市规划，灾区临时和永久住宅及应急措施，政府在减轻地震灾害中的作用，地震保险，投资—效益分析和优化，震后重建的社会间题等。

5.结构抗震计算
5.1抗震基础知识
地震成因：火山地震、落陷地震以及构造地震，工程设计中主要考虑构造地震。

地震按震源的深浅可分为：浅源地震（小于60km ）、中源地震(60~300km)和深源地震（大于300km ）。

震级是衡量一次地震规模大小的数量等级。

目前国际上常用里氏震级，即)lg(A M =，A 为标准地震仪在距震中100km 处记录的最大水平地面位移。

烈度：将某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度定义为地震烈度。

我国和世界多数地震国家均采用1~12的等级划分。

5.2单自由度系统的地震响应与反应谱
5.2.1静力法（static method ）
静力法假设结构各部分水平加速度与地面运动水平加速度完全一样。

W 表示结构某一部分的重力，地震作用使这部分重力产生的最大水平惯性力的绝对值为
KW y g W F g ==
max max 其中，max g y 为地震时地面运动最大水平加速度；g 为重力加速度。

由地震作用引起的
惯性力，可以当作静力作用于结构上，然后按照静力学方法计算结构的响应。

上式表示的惯性力通常称为地震荷载。

用这种方法对于刚性结构是适用的，但对于柔性结构就会产生较大的误差。

设结构基础支撑受到地面水平运动)(t y g 的作用，弹性变形引起的位移为)(t y 。

即质体m 的绝对位移为y y y g a +=，绝对加速度为y
y y g a +=。

则质体平衡运动方程为 g y
y y y -=++22ωζω 因此，可以将地基水平运动当作动力荷载采用杜哈姆积分求质体的相对位移y 。

⎰--=--t d t g d
d t
e y y 0)()(sin )(1
ττωτωτζω 当阻尼比很小的时，采用无阻尼自振频率代替有阻尼自振频率。

⎰--=--t t g d t e y y 0
)()(sin )(1ττωτωτζω 相对速度响应和绝对加速度响应为 ⎰--=--t t g d t e y y 0
)()(cos )(ττωττζω ⎰-=+--t
t g g d t e y y y 0)()(sin )(ττωτωτζω 5.2.2反应谱法
假设有一组n 个自振周期各不相同，而阻尼比相同的单自由度系统，在某一给定的地震加速度作用下，各个系统的最大绝对加速度响应为
max ),(y y T S g a +=ζ, ),(T S a ζ称为绝对加速度反应谱（absolute acceleration response
spectrum ），用同样的方法可以得到相对速度反应谱v S （relative velocity response spectrum ）。

令准速度反应谱pv S （pseudo velocity response spectrum ）为
⎰-=--t
t g pv d t e y
S 0)()(sin )(ττωττζω 则相对位移反应谱和绝对加速度反应谱可分别表示为),(1
),(T S T S pv d ζωζ=
),(),(T S T S pv a ζωζ=，而准速度反应谱与其真速度反应谱的差别一般并不大，可以用其代替。

则由地震惯性力的最大绝对值，即地震荷载为),(max T mS F a ζ=，即可以通过某次地震加速度反应谱求出相应的地震荷载。

不同的地震其主要差别是烈度不同，其他因素将是相近的。

则地震荷载可以表示为
max max max max max ),(),(),(g a g g a g a y T S g y W y T S g y mg
T mS F ζζζ∙=∙== 其中g y g max
称为地震烈度，用K 表示，可以通过地震烈度查出相应的K 值。

max
),(g a y T S ζ称为动力系数β，它表示结构最大加速度是地面最大加速度的倍数。

β
F=
W K
max
在实际的结构抗震计算中，为了弥合理论计算与客观实际的差距，在地震荷载计算公式中乘上一个系数C，C称为综合影响系数。

则，地震荷载计算公式为
β
=
F C
W K
max
6.抗震概念设计
6.1背景材料
七十年代以来,人们在总结大地震灾害经验中发现,对结构抗震设计来说,“概念设计”比“计算设计”更为重要。

1 990年1月开始施行的《建筑抗震设计规范》ＧＢＪ1 1 - 89(以下简称89抗震规范)中列出了工程设计中必须遵守的规定,来保证“概念设计”在实际工程中的实现。

概念设计在实际工程设计中提高结构抗震能力方面发挥了重要作用。

概念设计就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震力的概念上,用符合工程客观规律和本质的方法,对所设计的对象作宏观的控制。

1 990年以来,结构工程师将概念设计应用于实际工程中取得了很好的效果。

同时随着建筑业的发展,建筑的体型、功能的日新月异的变化与要求,我们发现89抗震规范中规定的概念设计内容不够全面。

2 0 0 2年1月实施的ＧＢ50 0 1 1 - 2 0 0 1《建筑抗震设计规范》(以下简称新抗震规范)对概念设计的要求作了更全面、更符合实际的规定,尤其是增加了“不规则建筑结构的概念设计”,使得概念设计在工程中的应用更具体更明确地落到实处,切实提高了结构的抗震能力。

“概念设计”愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。

6.2概念设计的主要内容
目前地震及结构所受地震作用还有许多规律未被认识，人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“概念设计”。

为了保证结构具有足够的抗震可靠性而对建筑工程结构做的概念设计主要考虑了以下因素：场地条件和场地土的稳定性；建筑物的平、立面布置及其外形尺寸；抗震结构体系的选取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布；非结构构件与主体结构的关系及其两者之间的锚拉；材料与施工质量等。

抗震概念设计主要有如下几点：
1、选择对建筑抗震有利的场地，宜避开对建筑抗震不利的地段，不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。

对于不利地段，结构工程师应提出避开要求，当无法避开时，应采取有效措施，这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因，诸如地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂。

2、建筑的平立面布置应符合概念设计的要求，不应采用严重不规则的方案。

不规则的建筑，在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。

借鉴国际的通行做法，参考外国规范，使我们的设计更加完善合理。

3、结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。

采用哪一种结构材料,什么样的结构体系，经技术经济条件比较综合确定。

同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性,尽量降低房屋重心，充分发挥材料的强度，并提出了结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近的抗震概念。

4、尽可能设置多道抗震防线。

地震有一定的持续时间，而且可能多次往复作用，根据地震后倒塌的建筑物的分析，我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏，而最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。

适当处理构件的强弱关系，使其形成多道防线，是增加结构抗震能力的重要措施。

例如单一的框架结构，框架就成为唯一的抗侧力构件，那么采用“强柱弱梁”型延性框架，在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。

5、具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。

提高结构的抗侧移刚度，往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。

要使建筑物在遭受强烈地震时，具有很强的抗倒塌能力，最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件都具有较高的延性，然而实际工程中很难做到。

有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济有效的办法。

例如上刚下柔的框支墙结构，应重点提高转换层以下的各层的构件延性。

对于框架和框架筒体，应优先提高柱的延性。

在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载力无明显降低的前提下，控制构件的破坏形态,减小受压构件的轴压比（同时还应注意适当降低剪压比），提高柱的延性。

6、确保结构的整体性。

各构件之间的连接必须可靠，符合下列要求：1 )构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力，构件屈服、刚度退化时，节点应保持承载力和刚度不变。

2 )预埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。

3 )装配式的连接应保证结构的整体性，各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。

4)结构应具有连续性，注重施工质量，避免施工不当使结构的连续性遭到削弱甚至破坏。

建筑抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程，是一种基于震害经验建立的抗震基本设计原则和思想。

7. 防震减灾发展战略
7.1 坚持预防为主，综合防震减灾
2004年中国地震局提出了防震减灾工作的指导方针，即：“坚持防震减灾同经济建设一起抓，实行以预防为主，防御与救助相结合的方针。

切实加强地震监测预报、震灾预防、紧急救援三大工作体系建设，进一步完善地震灾害管理机制。

”这个指导方针是正确的，是符合中国减轻地震灾害实际的，也是应该长期坚持下去的。

但是，通过对5.12汶川8.0级强震的总结，需要对“预防为主”的内涵进一步明确，重点进一步突出。

5.12汶川大地震血的教训再一次告诉我们，防震减灾仅有地震的监测预报是不够的。

前面已经讲到，地震预测是一个没有解决的世界难题，具有很大的不确定性；另外，即便对一次破坏性地震进行了成功的震前预报，地震还是会形成重大的灾害，还是要导致重大的财产损害，造成严重的经济、社会后果，还是需要采取措施抗御地震灾害。

防震减灾必须走预防为主、综合减灾的道路，预防应该包括提高抗御地震的能力，科学地开展监测预报工作，提高社会防震减灾的意识等。

预防首先是要提高抗御地震灾害的能力。

地震主要是通过对人类建筑物的破坏造成人员伤亡和经济损失的，科学合理地抗震设防是防震减灾的基础环节。

要加强地震安全性评价和活动断层探测研究工作，为避开断裂错动引起的破坏提供基础信息，为工程建设的防范措施提供依据。

继续严格执行《防震减灾法》中对一般建设工程、重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程的要求，选择安全可靠的场地，按照抗震设防要求进行抗震设计。

5.12汶川地震的事实告诉我们，只要做到了这些还是能够在很大程度上减轻人员伤亡和经济损失。

例如，四川彭州市白鹿镇中学的两栋教学楼分别位于发震断裂两侧，地震时断裂错动达2.1米，但由于教学楼避开了断裂，并且建筑质量较好，楼房没有倒塌，也没有师生的伤亡；而坐落在发震断裂带上的北川县城的毁灭性破坏恰恰是一个反例。

科学地开展地震监测预报工作。

地震预测（特别是中长期预测）至少能够提供未来有可能发生地震的地方，这是防震减灾工作中的重要一环。

众所周知，美国不进行地震预报
工作，而是通过单纯的增加投入，提高房屋的抗震性能达到减轻地震灾害的实效，这种战略是由他的国情所决定的。

美国强震危险区的面积集中在其西海岸，而且经济实力雄厚，可以增加投入，把房屋建设得抗震能力很强。

但我国的强震危险区面积占国土面积30%以上，而且经济基础还相对薄弱，必须突出重点，重点针对地震危险区加强重点防御。

做好地震的监测预报研究一方面是确定重点危险区的基础，同时，如果能够对某种类型的地震，做出一定程度的预报的话，则会起到更大的减灾实效。

因而，中国的防震减灾绝不能放弃、而是要加强地震监测预报的探索和努力，要在对5.12汶川大地震进行总结的基础上，对地震监测预报的战略、重点和思路要进行反思，进一步明确科学问题和主攻方向，在完善现有地震监测网络的基础上，增加监测密度，提升监测水平，构建立体监测体系，力争取得更大的进展。

提高社会防震减灾的意识。

预防为主的重要一环是提升全民防震减灾科学素质，要积极开展防震减灾科普宣传和法制教育，在全社会弘扬科学防灾理念，按照胡锦涛总书记的要求，把防震减灾科普知识，“纳入国民教育，纳入科技、文化、卫生‘三下乡’活动，纳入全社会科普活动，提高全民防灾意思、知识水平和避险自救能力”。

四川安县桑枣中学平时注重应急疏散演练，地震时2000多名师生的撤离井然有序，没有一个伤亡。

另外，防震减灾是一个复杂的系统工程，除了依靠中国地震局这样的专业部门外，还要发挥国土资源部、建设部等其他相关职能部门的重要作用，还要依靠群众，调动一切可以调动的力量，引导全社会共同关心、参与防震减灾工作，才能够全面推动防震减灾事业的发展。

7.2 依靠科学技术，加强基础研究
防震减灾是一项社会公益性事业，同时也是一项科学含量很高的科技工作。

防震减灾工作所面对的，是一系列世界性的尖端科学难题。

从某种意义上讲，科学和技术是防震减灾事业的核心，推进和依靠科技进步，是防震减灾事业发展的根本原则和必由之路。

1966年邢台地震后，地震预测预报成为中国地震科学技术的主攻方向。

此后相当一个时期的发展，实际上是围绕着这一主攻方向展开的。

现在，越来越多的专家认识到，防震减灾是一个综合性的科学技术问题，需要全面考虑监测预报、震害防御、应急救援等各个环节的科学技术问题，优化整合各类科技资源，将建立地震灾害综合防御体系列入有关发展规划，并且需要从基础研究、应用基础研究、应用研究到技术开发、工程实施进行一整套专业力量的优化配置。

当前特别需要的是加强三方面的研究工作：1. 与地震科技相关的基础性工作，例如我国大陆发育400条以上有可能产生强震的活动断层多数没有开展系统的综合研究，只对约。