地震與建筑物的抗震設計思想

【摘要】根據(jù)地震發(fā)生的幾率、地震的震級和地震的烈度看，地震作用下建筑物結構的延性與結構的強度具有同等重要的意義。建筑物合理的的延性和強度既有利于防震又有利于降低建筑物的成本。

【關鍵詞】地震；強度；延性；抗震

地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中形成的振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。全球每年發(fā)生地震約五百多萬次。里氏5.0級以上的地震常常造成人員傷亡，并能引起水災、火災、有毒氣體泄漏、細菌及放射性物質(zhì)擴散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地殼裂縫等嚴重的次生災害。我國屬地震多發(fā)國家，建筑物需要考慮抗震設防的地域遼闊，但抗震設防的要求差異較大。處于地震帶上的區(qū)域要有較好較高的抗震設防。我國的現(xiàn)代抗震設計理論是從上個世紀五十年代開始在國際抗震理論的推動下發(fā)展起來的，并逐漸形成了具有我國的特色抗震理論。

1、認識地震

1.1 地震震級。地震震級是根據(jù)地震時釋放的能量的大小而定的。一次地震釋放的能量越多，地震級別越大。人類有記錄的震級最大的地震是1960年5月21日智利發(fā)生的9.5級地震，所釋放的能量相當于一顆1800萬噸炸藥量的氫彈，或相當于100萬千瓦的發(fā)電廠40年的發(fā)電量。汶川地震所釋放的能量大約相當于90萬噸炸藥量的氫彈，或100萬千瓦的發(fā)電廠2年的發(fā)電量。

國際上一般采用美國地震學家查爾斯·弗朗西斯·芮希特和賓諾·古騰堡（Beno Gutenberg）于1935年共同提出的震級劃分法，即通常所說的里氏地震規(guī)模。小于里氏2.5級的地震，人一般不易察覺，稱為小震或微震；里氏2.5—5.0的地震，震中附近的人會有不同程度的感覺，稱為有感地震，里氏2.5—5.0的地震全世界每年大約發(fā)生十幾萬次；大于里氏5.0的地震，會造成建筑物不同程度的損壞，稱為破壞性地震。里氏規(guī)模4.5以上的地震可以在全球范圍內(nèi)監(jiān)測到。

1.2 地震烈度。同樣大小的地震，因發(fā)生在不同區(qū)域的地殼的結構差異造成的破壞不一定相同；同一次地震，在不同的地方因距地震中心距離不同造成的破壞也不同。地震烈度是衡量地震破壞程度。地震烈度一般用地震對人的感覺、一般房屋震害程度和其他現(xiàn)象作對應的描述，根據(jù)描述初步確定地震的烈度。如1度，無感，僅儀器能記錄到；4度，多有感，即室內(nèi)大多數(shù)人，室外少數(shù)人有感，懸掛物擺動，不穩(wěn)器皿作響；5度，驚醒，即室外大多數(shù)人有感，家畜不寧，門窗作響，墻壁表面出現(xiàn)裂紋；8度，建筑物破壞，即房屋多有損壞，少數(shù)破壞路基塌方，地下管道破裂；9度，建筑物普遍破壞，即房屋大多數(shù)破壞，少數(shù)傾倒，牌坊，煙囪等崩塌，鐵軌彎曲。

影響地震烈度的因素有震級、震源深度、距震源的遠近、地面狀況和地層構造等。僅就烈度和震源、震級間的關系來說，震級越大，震源越淺，烈度也越大。一般地震中心區(qū)域的破壞最重，烈度最高；這個烈度稱為震中烈度。從震中向四周擴展，地震烈度逐漸減小。所以，一次地震只有一個震級，但它所造成的破壞在不同的地區(qū)是不同的。即一次地震，可以劃分出好幾個烈度不同的地區(qū)。

2、在地震時建筑物結構的延性重于結構的強度

建筑物結構的強度是指在地震的沖擊下硬碰硬不至于損壞，建筑物的延性是指在地震的沖擊下建筑物所具有的緩沖性能。建筑物的延性和建筑物的強度是相輔相成的，延性指當?shù)卣鹌仁菇Y構發(fā)生較大的非線性變形時，結構仍能維持其初始強度的能力，是結構超過彈性階段的變形能力，它是結構抗震能力強弱的標志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力，它是抗震設計當中一個非常重要的特性。

所以建筑物結構的延性重于結構的強度。對于偶然性和隨機性很大的大地震，要想使建筑物結構強度的設計一定使建筑物不會損壞，這樣的設計和現(xiàn)有的材料幾乎是不可能達到要求的。而且也是十分不經(jīng)濟的。所以建筑物的抗震設計的基本原則是“小震不要損壞，中震可以修復，大震不要倒塌”。即在小震時建筑物的結構不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用；在中震時建筑物的結構有一定程度的損壞，但經(jīng)修復或不修復仍可繼續(xù)使用，需要修復時維修費用不要太高。對發(fā)生的罕遇大震。建筑物結構不應倒塌或發(fā)生危及生命的破壞。

這樣一個抗震設防目標即經(jīng)濟又合理。地震是偶發(fā)事件，如果建筑物的設計中只考慮建筑物結構的強度以保證在中震或大震時建筑物的結構不被破壞，必然會在工程中用去大量的材料，增加建筑物的成本。也有可能這些材料終身沒有發(fā)揮作用，這又是一種浪費。

在上述設計原則指導下，就要求建筑物的結構處于這樣一種狀況：當小震時，應確保建筑物所有的結構構件具有足夠的強度和必須的延性能抵御地震的作用，即建筑物在小震時建筑物的強度和建筑物的彈性位移（處于線形階段）共同作用保證建筑物的結構不壞。在中震時，若建筑物結構的某些關鍵部位超過延性限度，發(fā)生較大變形并達到非線形形變，就要考慮加大建筑物設計的延性要求。

當中震來臨的時候，因為結構具有非彈性特征，某些關鍵部位超過其彈性強度，進入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性，它的非線性能夠承擔塑性變形，使它在變形中能夠耗費和吸收地震能量。代價是可能導致較寬的裂縫，混凝土表皮起殼、脫落，可能有一定的殘余變形，但不至于導致安全失效，以達到中震可修的設防目標。處于這個階段的結構，對延性就會提出相應的要求，而延性就要靠精心設計的細部構造措施來保證。

當大震來臨的時候，結構的非線性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復的破壞。處于這個階段的結構就需要通過計算它的彈塑性變形來保證結構不致倒塌。

所以，通常我們只需要按小震作用效應和其它荷載效應的基本組合，驗算構件截面抗震承載力及結構的彈性變形。而中震作用效應則需要結構靠一定的塑性變形能力（即延性）來抵抗。所以結構延性對建筑抗震是極其重要的。

3、地震力降低系數(shù)的大小決定了對建筑物延性要求的大小

由上所述，建筑物強度的抗震設計從經(jīng)濟的角度考慮應設計為小震水平，當較大的地震來臨的時候，建筑物則靠結構的延性去抵抗。所以，建筑物的防震設計并不取用設防烈度地震力來進行建筑物結構承載力設計，而是把設防烈度地震力降低一個系數(shù)，稱為地震力降低系數(shù)。由此看來，地震力降低系數(shù)是一個很有科學價值的系數(shù)，這個系數(shù)的設定既能降低建筑物工程的造價又能達到抗震的目的，還具有節(jié)約資源的作用。

地震力降低系數(shù)取得越小，設計地震作用就取得越大。地震力降低系數(shù)取得越大，設計地震作用就取得越?。辉谕粋€設防烈度下，地震力降低系數(shù)取得越大，地震作用就越小，那么按此小的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越低，意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越大，這就要求結構具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就更高。

在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取得越小，地震作用就越大，那么按此大的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越高，意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越小，這就只需要要求結構具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就越低。

在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取為中等，地震作用也為中等，因而對延性提出的要求也為中等。

這樣，地震力降低系數(shù)的大小實際上就決定了設計地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。

參考文獻

[1]李國強.建筑結構抗震設計.中國建筑工業(yè)出版社，2009-4

[2]馬建良，王春壽.普通地質(zhì)學[M].石油工業(yè)出版社，.2009-2