第1章地震与抗震设计的基本知识

下图：大地震后，唐山化为一片废墟（1976-7-28，新华社记者刘东鳌摄）； 上图：2016年7月9日拍摄的唐山市城区。
1.1.1 地球构造
地球是一个近似于球体的椭球体，平均半径约
6370km，赤道半径约6378km，两极半径约6357km。 从物质成分和构造特征来划分，地球可分为三大部 分：地壳、地幔和地核(图1.1)。
(1.2)
式中：E为介质的弹性模量； G为介质的剪切模量； μ为介质的泊松比；ρ为介质的密度。 在弹性介质中，两者关系
VP 2(1 ) VS 1 2
上式大于1，因此纵波比横波先到达。
(1.3)
1.2.2 面波
面波是在地表面传播的波，又称为L波。 它是由体波经地层界面多次反射、折射形成的次生波。主要有：
M lg A
erg，1erg=10-7J）之间的关系：
(1.4)
对于浅源地震，常用如下经验公式来表示震级M与地震能量E（单位为
lg E 1.5M 11.8
(1.5)
1.3 地震震级与烈度
1.3.1 地震强度的衡量 1. 地震的能量：震级 基于震级的地震分类：
小于2级的地震叫作微震，人们感觉不到，只有
震中距：地面某处至震中的水平距离。
震中距在100公里-1000公里的称为近震。 震中距超过1000公里的称为远震。
花莲外海是欧 亚大陆板块与 菲律宾板块的 交界处，由于 地壳活动多， 原本就不稳定， 两个板块碰撞 就会产生地震。
1.1.2 地震成因及类型
诱发地震——原因：人工爆破；矿山开采；工程活动 影响：一般不太强烈，个别情况会造成严 工程地震的主要 重的地震灾害 天然地震
1.1.2 地震成因及类型
地震——地球内某处因地球构造运动岩层突然破 裂，或因局部岩层塌陷、火山爆发、其他原因等发生 了振动，并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇 晃，从而引起的地面运动。 5· 12汶川地震严重破坏地区超过10万平
方千米，其中，极重灾区共10个县（市）， 较重灾区共41个县（市），一般灾区共186 个县（市）。截至2008年9月18日12时， 5· 12汶川地震共造成69227人死亡，374643 人受伤，17923人失踪，是中华人民共和国 成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地 震后伤亡最严重的一次地震。 经国务院批准，自2009年起，每年5月12 日为全国“防灾减灾日”。
1.1.1 地球构造 1. 地壳
地壳是地球外表面的一层很薄的外壳，
它由各种不均匀的岩石组成。地壳的下
界称为莫霍界面，或称莫霍不连续面。
地壳的厚度在全球变化很大，大陆内一
般厚16～40km，高山地区厚度更大，中
国西藏高原及天山地区厚达70km。海洋
下面厚度最小，一般为10～15km，最薄 的约5km。
瑞雷波传播时，介质质点在波的行进方向与地表法向组成的平
面内作椭圆运动，像波浪效应。 乐浦波传播时，介质质点在与波的行进方向垂直的水平方向作 剪切型运动，在地面上表现为蛇形运动。
图1.3 面波质点振动形式
1. 2 地震波
地震波示意图
图1.4 地震曲线图
地震记录上，纵波最先到达，横波到达较迟，面波在体波之后到达，一般当横波或面
1.1.2 地震成因及类型
震源：地球内部断层错动
并引起周围介质振动的部位。
震中 震 源 深 度
等震线
震中：震源正上方的地面
位置。
震源深度: 从震中到震源
的距离。

震源
震源深度在60公里以内的地震为浅源地震。 震源深度超过300公里的地震叫深源地震。 震源深度介于60-300公里之间的地震为中源地震。
0.06 (0.05~0.0 9)
C
个别轻微破坏， 大多数基本完好
0.00 ~0.0 8
A
大多数人惊逃 户外，骑自行 Ⅶ 车的人有Baidu Nhomakorabea觉， 行驶中的汽车 B 驾乘人员有感 觉
世界上绝大部分地震都发生在地壳内。
1.1.1 地球构造 2. 地幔
地壳以下到深度约2895km的古登堡界
面为止的部分为地幔，约占地球体积
的5／6。
地幔由密度较大的黑色橄榄岩等超基
性岩石组成，其中上地幔物质结构不
均匀，中、下地幔部分是比较均匀的。
由于地幔能传播横波(剪切波)，所以
根据推算，地幔应为固体。
(a)正断层
图1.2
(b)逆断层
断层运动的种类
(c)横向断层
1.1.2 地震成因及类型
地震形成的局部机制：
地球板块运动 板块之间的相互作用力 地壳中岩层变形
a、岩层的原始状态
变形积聚超过岩石所能承受的程度
岩体就会发生突然断裂或错动 地震
b、受力发生弯曲
c、岩层破裂发生震动
1. 2
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，这就是地震波。地震波是震源辐射的弹性波。 一般分为体波和面波。 地震波的组成：
建筑结构抗震设计
课程名称：建筑结构抗震设计
教材名称：《建筑结构抗震设计》
出 版 社 ： 重庆大学出版社
主讲教师：杨波
第1章
地震与抗震设计的基本知识
1.1地震成因与地震类型
1.2地震波及传播 1.3地震震级与地震烈度 1.4中国地震的特点与地震灾害 1.5结构的抗震设防
1. 1 地震成因与地震类型
仪器才能记录下来； 2～4级地震叫有感地震人能感觉到； 5级以上地震就要引起不同程度的破环，统称为 破坏性地震；
7级以上地震则称为强烈地震或大震，
8级以上就称为特大地震。
1.3 地震震级与烈度
1.3.1 地震强度的衡量 2 .地震的影响：烈度等级
地震烈度：是地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震
影响和破坏现象来判断。
对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个， 而同一次地震中，不同地方的烈度是不同的。
等烈度线：对应于一次地震，在受到影响的区域内具有相同烈度
的各个地点的外包线。 震中区的烈度称为震中烈度。
对于中浅源地震，震中烈度与震级的大致对照关系如表1.2
表1.2 震级与震中烈度的关系
震级M 震中烈度I0 2 1~2 3 3 4 4~5 5 6~7 6 7~8 7 9~10 8 11 8以上 12

全世界每年发生的地震约达五百万次。 人们能感觉到的地震叫有感地震，占地震总数的1％左右。


造成灾害的强烈地震平均每年发生十几次。
地震还可能应起火灾、水灾、山崩、滑坡以及海啸。
7.28唐山地震

1976年7月28日3时42分53.8秒，中国河北省唐 山丰南一带（东经118.2°，北纬39.6°）发生了强
波到达时地面振动最强烈。地震波记录是确定地震发生的时间、震级和震源位置的重 要依据，也是研究工程结构物在地震作用下的实际反应的重要资料。
1.2.3 地震动
地震动－由地震波传播所引发的地面振动。 其中，在震中区附近的地震动称为近场地震动。
地震动的三要素：
地震动的峰值（最大振幅） 频谱 持续时间
Ⅴ
—
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 (0.02~0.0 4)
A 多数人站立 不稳，少数 人惊逃户外
Ⅵ
B
0.00 ~0.1 1 家具和物品移动；河 岸和松软土出现裂缝， 0.63 饱和砂层出现喷砂冒 (0.45~0. 水；个别独立砖烟囱 89) 轻度裂缝

横波(S)是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向
垂直，如图1.3(b)所示周期长、振幅较大，只能在固体介质中传播。
1.2.1
体波
纵波的传播速度VP与横波的传播速度 VS
E(1 ) VP (1 )(1 2 )
(1.1)
E G VS 2 (1 )
2 .地震的影响：烈度等级
地震烈度把地震的强烈程度，从无感到建筑物毁灭及山河改观等划分为若干 等级，列成表格，以统一的尺度衡量地震的强烈程度。我国现行《中国地震 烈度表》(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。
表1.3 中国地震烈度表
地 震 烈 度 人的感觉 类 型 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 无感 室内个别静止 中的人有感觉 室内少数静止 中的人有感觉 室内多数人、 室外少数人有 感觉，少数人 梦中惊醒 — — — 房屋震害 平均震害 指数 — — — — — 悬挂物微动 悬挂物明显摆 动，器皿作响 其他震害现象 水平向地震动参数 峰值加速 度(m/s2) — — — 峰值速度 (m/s) — — —
【GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》解读】 五、湖北省的区划情况如何？ 第五代区划图以基本地震峰值加速度为指标，将湖北划分为3个区域： 一是基本地震动峰值加速度0.15g区，占全省土地面积0.6%，主要分布在鄂 西北和鄂东北，涉及的行政区域有竹山、竹溪、英山等3县的部分乡镇。 二是基本地震动峰值加速度0.10g区，占全省土地面积8.3%，主要涉及的 行政区域有武汉市新洲区、十堰市郧阳区、郧西县、竹溪县、竹山县、房 县、丹江口市、襄阳市老河口市、荆州市公安县、黄冈市黄州区、团风县、 红安县、罗田县、英山县、浠水县、麻城市、恩施州咸丰县等县区的部分 区域。
度里氏7.8级（矩震级7.5级）地震，震中烈度11
度，震源深度12千米，地震持续约23秒。地震造
成242769人死亡，16.4万人重伤，位列20世纪
世界地震史死亡人数第二，仅次于海原地震。

【海原地震1920年12月16日20时06分，甘肃省固原县和海原县发生里氏8.5级特大地 震，地震释放的能量相当于11.2个唐山大地震。强烈的震动持续了十余分钟，当时世 界上有96个地震台都记录到了这场地震，称为 “环球大震”余震维持三年时间。】
3.编制防震减灾规划。 4.已建一般建设工程的抗震鉴定和加固。
1.3 地震震级与烈度
1.3.1 地震强度的衡量 1. 地震的能量：震级
地震震级——地震震级是度量地震本身强度大小的指标，它是地震的基 本参数之一，用符号M表示。 里氏震级——震级的大小是在距震中100km处标准地震仪（指摆的自振 周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大系数为2800倍的地震仪）记录下来 的地震S波最大水平振幅A（以μ m计）的常用对数值：
构造地震——原因：地壳构造运动 影响：发生数量大、影响范围广 (占地震总数约90﹪)
火山地震——原因：火山爆发
研究对象
1.1.2 地震成因及类型
一般造成较大灾害的都为构造地震，尤以浅源构 造地震造成的危害更大。因此，从工程抗震角度来说， 主要是研究占全球地震发生总数约90％的构造地震。 构造地震亦称“断层地震”。 由地壳（或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上 地幔部位）发生断层而引起。
体波：在地球内部传播的波 横波(剪切波) 注：横波周期较长，振幅较大。 乐夫波 面波：沿地球表面传播的波 瑞雷波 注：面波周期长，振幅大；比体波衰 减慢，能传到很远的地方。 纵波(压缩波)
1. 2
1.2.1


地震波
体波
体波是指通过地球本体内传播的波，它包含纵波与横波两种。
纵波(P)是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向 一致，如图1.3(a)所示周期短、振幅小，在固体、液体里都能传播。
震害程度 — — 门、窗轻微作 响
Ⅳ
—
门、窗作响
—
—
—
2 .地震的影响：烈度等级 我国现行《中国地震烈度表》(GB/T17742)采用 12 等级的地震 烈度划分，见表1.3。
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 细微烈缝，个别 屋顶烟囱掉砖 少数中等破坏， 多数轻微破坏和/ 或基本完好 个别中等破坏， 少数轻微破坏， 多数基本完好
三是基本地震动峰值加速度0.05g区，占全省土地面积91.1%，除前述0.10g、 0.15g区域之外的地区，均为0.05g区域。其中黄石、随州、孝感等地的部 分地区，由四代区划图中＜0.05g提高到0.05g。
新区划图的适用范围 1.适用于新建、改建、扩建一般建设工 程抗震设防。
2.编制社会经济发展和国土利用规划。
1.1.1 地球构造 3. 地核
古登堡界面以下直到地心的部分为地
核，地核半径约为3500km，又可分为
外核和内核。
据推测，地核的物质成分主要为镍和
铁。由于至今还没有发现有地震横波
通过外核，故推断外核处于液态，而
内核可能是固态。
地球各部分的密度随深度增加而增大，
地球内部的温度随深度增加而升高。