512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识
汶川地震 十三周年纪念
     2008年5月12日14时28分04秒,四川汶川发生8.0级地震,近7万人丧生1.8万失踪37万余人受伤。汶川地震波及大半个中国及亚洲,损失惨重。
     自2009年起,每年5月12日被定为全国防灾减灾日, 今天是我国第13个全国防灾减灾日,今年的主题是“防范化解灾害风险,筑牢安全发展基础”。我们缅怀生命的逝去,也铭记危急时刻的生死救援、灾难面前的大爱无疆、灾后重建的守望相助!

作为结构工程师,抗震概念设计是我们要重点关注和研究的,今天我们就来盘点一下大家容易混淆的几个概念,如震级与烈度的关系,设防烈度、众值烈度、大震烈度之间的关系,三水准二阶段设计在结构设计中具体如何体现等等。

一、震级与烈度

我们在做项目之前首先要查的就是项目所在地的设防烈度,而在地震的时候,我们又经常提到地震等级,两者之间到底有什么关系? 很多人把震级和烈度划等号,其实这两者之间有很大的区别: 烈度是指地震时在一定地点引起的地面震动及其影响的强弱程度,指地震破坏的程度; 震级表示地震释放能量的大小。一次地震造成的各地的烈度不同,一般情况,离震中近的地方烈度高,破坏严重;远的地方烈度低,破坏轻微。

震级好比一盏灯泡的瓦数,烈度好比某一点受光亮照射的程度,它不仅与灯泡的功率有关,而且与距离的远近有关。 如果把地震比作炸弹爆炸,烈度就好比是炸弹爆炸后地面的破坏程度。显然,炸弹的炸药越多,爆炸产生的能量越大,破坏力就越大;离爆炸点越远,受到的破坏就越小。同样的道理,震级越大,烈度越高;距震源远或震源深度越大,烈度就越低。 比如 汶川大地震 震级是 8.0 级,震级只有一个,但烈度就因地而异了, 北川县城 曲山镇是 11 度,汶川县映秀镇是 11 度,汶川县威州镇是 10 ,青川县大部分地区是 9 度,成都是 7 度,西安是 6 度,太原是 5 度,北京是 2 度; 唐山大地震 时震级是 7.8 级,唐山市区的烈度是 11 度,天津市区是 8 度,北京市区是 6 度。

因此我们可以总结出—— 次地震只有一个震级,震级需要测定; 烈度可以 有多个,这个地震烈度也是需要测定的。 (1) 不同烈度的影响 在我国地震主要分为12个等级,不同烈度的地震,其影响和破坏大体如下: 1度;   无感,仅仪器能记录到; 2度;   个别敏感的人在完全静止中有感; 3度;   室内少数人在静止中有感,悬挂物轻微摆动; 4度;   室内大多数人,室外少数人有感,悬挂物摆动,不稳器皿作响; 5度;   室外大多数人有感,家畜不宁,门窗作响,墙壁表面出现裂纹 6度;   人站立不稳,家畜外逃,器皿翻落,简陋棚舍损坏,陡坎滑坡; 7度;   房屋轻微损坏,牌坊,烟囱损坏,地表出现裂缝及喷沙冒水; 8度;   房屋多有损坏,少数破坏路基塌方,地下管道破裂; 9度;   房屋大多数破坏,少数倾倒,牌坊,烟囱等崩塌,铁轨弯曲; 10度;   房屋倾倒,道路毁坏,山石大量崩塌,水面大浪扑岸; 11度;   房屋大量倒塌,路基堤岸大段崩毁,地表产生很大变化; 12度;   一切建筑物普遍毁坏,地形剧烈变化动植物遭毁灭。 (2) 不同震级影响 地震震级分为九级,一般小于2.5级的地震人无感觉, 2.5 级以上人有感觉, 5 级以上的地震会造成破坏。 一般将小于1级的地震称为超微震。 M≥1级,小于 3 级的称为弱震或微震,如果震源不是很浅,这种地震人们一般不易觉察。 M≥3级,小于 4.5 级的称为有感地震,这种地震人们能够感觉到,但一般不会造成破坏。 M≥4.5级,小于 6 级的称为中强震,属于可造成破坏的地震,但破坏轻重还与震源深度、震中距等多种因素有关。 M≥6级,小于 7 级的称为强震。 M≥7级,小于 8 级的称为大地震。 级以及8级以上的称为巨大地震。

二、 基本烈度、众值烈度、大震烈度

我们结构设计过程中还接触了如下几个概念:众值烈度、基本烈度、设防烈度、大震烈度等等。 首先要理解下边的这个烈度概率密度函数: 512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识 ▲烈度概率密度函数 图中没有打阴影的区域代表的是超越概率63.2%的地震烈度,峰值所对应的烈度我们称之为众值烈度,此烈度发生的概率最大,频率最多,因此我们在设计的时候按照众值烈度原则上是最经济且有效的;根据地震烈度概率分析,众值烈度比基本烈度低一度半; 很多国家以50年超越概率 10% 的烈度作为基本烈度,我国也借鉴其他国家的经验,基本烈度大体上为设计基准期 50 年超越概率 10% 的烈度,见上图所示; 图中罕遇(大震)烈度为50年超越概率 2 %~ 3 %的地震烈度;根据地震烈度概率分析,当基本烈度6度时为 7 度强, 7 度时为 8 度强, 8 度时为 9 度弱, 9 度时为 9 度强; 总结一下,根据上图,总共有三个烈度如下: (1)基本烈度:50年超越概率约 10 %的地震烈度; (2)众值烈度:50年内超越概率约为 63 .2%的地震烈度; (3)大震烈度:50年超越概率 2 %~ 3 %的地震烈度; 根据《抗规》1.0.5,一般情况下,建筑的抗震设防烈度应采用根据中国地震动参数区划图确定的地震基本烈度(本规范设计基本地震加速度值所对应的烈度值 ) ———一句话,基本烈度就是设防烈度。

三、三 水准设防目标

当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用; 当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时,可能发生损坏,但经一般性修理仍可继续使用; 当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。 以上就是我们经常所说的,小震不坏,中震可修,大震不倒。 三水准目标的解析 : 第一水准(小震不坏) :当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;——此处的低于本地区抗震设防烈度,就是指的50年内超越概率约为 63 .2%的地震烈度,即“众值”的烈度,比基本烈度约低一度半,规范取为第一水准烈度,称为“多遇地震”,即小震; 第二水准(中震可修) :当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时,可能发生损坏,但经一般性修理仍可继续使用;——此处的相当于本地区抗震设防烈度,就是指50年超越概率约 10 %的地震烈度,即 1990 中国地震区划图规定的“地震基本烈度”或中国地震动参数区划图规定的峰值加速度所对应的烈度,规范取为第二水准烈度,称为“设防地震”,即中震; 第三水准(大震不倒) :当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。——此处的高于本地区抗震设防烈度,就是指 50 年超越概率 2 %~ 3 %的地震烈度,规范取为第三水准烈度,称为“罕遇地震”,就是所说的大震,当基本烈度6度时为 7 度强, 7 度时为 8 度强, 8 度时为 9 度弱, 9 度时为 9 度强。 因此,我们可以根据地震的震级和烈度来判断我们所设计的房屋在地震时到底是否满足要求,也可以得知我们设计的房屋到底能抵抗多大的地震作用。

四、 二阶段设计如何保证三水准设防要求

在进行建筑抗震设计时,应满足三水准抗震设防目标的要求,根据《建筑抗震设计规范》,我们采取的是二阶段设计方法:

(1) 第一阶段

承载力验算,取第一水准的地震动参数(50年内超越概率约为 63 .2%的地震烈度,即众值烈度,比基本烈度约低一度半)计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应,既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度,又满足第二水准的损坏可修的目标。 8度区普通民用建筑,我们平时在做设计的时候,到底是如何做的呢,地震动参数如何取值呢? 根据前面的讲解,我们肯定是取第一水准的地震动参数(50年内超越概率约为 63 .2%的地震烈度,即众值烈度,比基本烈度约低一度半)计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应,也就是取比8度低 1.5 度即 6.5 度计算此 8 度区建筑来满足小震不坏和中震可修,即满足了前两个水准。但是具体在计算的时候是如何体现的呢? 众所周知,水平地震作用计算,最重要的就是水平地震影响系数的取值,见下表:   512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识 而与水平地震影响系数关系最大的是水平地震影响系数最大值α max ,因此,《高规》对于不同烈度给出了三个水平地震影响系数最大值α max ,8度区 0.2g 对应的水平地震影响系数最大值α max 分别为多遇地震(小震)0.16,设防地震(中震) 0.45 ,罕遇地震(大震) 0.90 ,而我们在计算 8 度区普通民用建筑的时候,地震动参数是取第一水准的地震动参数,也就是α max 取值为0.16。 512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识 此表格的水平地震影响系数最大值α max 的取值就是对应我们上文提到的三水准设防目标,也就是对应众值烈度、基本烈度、大震烈度,我们在平时普通项目的计算中,水平地震影响系数最大值α max 都是直接按照多遇地震取值,也就是一阶段的设计的具体体现。 下图是众所周知的pkpm软件参数设置的内容,我们在做设计的时候,注意此时我们填写是 8 度区,水平地震影响系数最大值是 0.16 ,此处的 0.16 对应的就是表格中的多遇地震,就是小震,也就是众值烈度,其实是 6.5 度下的地震影响系数最大值α max ,而8度的地震影响系数最大值α max 为0.45,因此,我们在做普通项目设计的时候,就是用的多遇地震,其实没有达到设防烈度下的地震动参数,通过多遇地震(小震)计算,满足小震不坏、中震可修。
512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识 512汶川地震十三周年,缅怀同胞,细说结构工程师必备的抗震知识 那么第三水准的大震不倒我们是如何满足的呢? 《抗规》1.0.1条文说明:对大多数的结构,可只进行第一阶段设计,而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求,也就是《抗规》第六章的内容。 很多人不重视《抗规》抗震措施的内容,认为都是抗震措施,不是计算得来的,其实不然,保证第三水准的大震不倒,还是要靠概念设计和抗震构造措施。

(2) 第二阶段

弹塑性变形验算,对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑,除进行第一阶段设计外,还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施,实现第三水准的设防要求。 第二阶段的设计只有对于一些超限项目或者有其他要求的建筑结构才会进行。

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