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我们的房子到底可以防几级地震

我们的房子到底可以防几级地震

结构设计需要考虑地震作用,也就是进行抗震设计。但是很多结构工程师对地震知识了解不多,本小节对地震知识作简单的介绍,并简要阐述地震动参数与抗震计算参数的关系。

(一)认识地震


 

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常用地震术语图(3-1)

1)震源:地壳深处发生岩层断裂、错动的地方称为震源。

2)震中:震源正上方的地面称为震中。

3)震源深度:震源到震中的距离称为震源深度。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是浅源地震,一般深度为5~40km。例如,1976728日的唐山大地震,震源深度为11km1999921日的台湾大地震,震源深度仅为1.1km2008512日汶川大地震,震源深度为14km。我国深源地震分布十分有限,仅在个别地区发生过深源地震,其深度一般为400~600km。由于深源地震所释放出的能量,在长距离传播中大部分被损失掉,所以对地面上的建筑物影响很小。

4)震中距:地面上某点至震中的距离称为震中距。

3-1 地震术语示意图

5)震级:衡量一次地震释放能量大小的等级,称为震级,用符号表示。里氏震级是由两位来自美国加州理工学院的地震学家里克特(Charles Francis Richter)和古登堡(Beno Gutenberg)于1935年提出的一种震级标度,是目前国际通用的地震震级标准。

里氏震级是利用标准地震仪距震中100km处记录的以微米为单位的最大水平地面位移(振幅)的常用对数值:

M=lgA 3-1

A——由地震曲线图上量得的最大振幅(μm)

震级与地震释放的能量有下列关系:

lgE=1.5M+11.8 3-2

M——地震释放的能量。

由公式(3-1)和(3-2)计算可知,当地震震级相差一级时,地面振动振幅增加10倍,而能量增加近32倍(10**1.5=31.6倍)。

6)地震烈度:地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。根据《中国地震烈度表》GBT 17742-2008,地震烈度划分为12等级,分别用罗马字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ表示。地震烈度的评定指标,包括人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象、水平向地震动参数。根据《中国地震动参数区划图》GB 18306-2015规定,Ⅱ类场地地震动峰值加速度与地震烈度对照表见表3-1,其中a表示Ⅱ类场地地震动峰值加速度。

Ⅱ类场地地震动峰值加速度与地震烈度对照表 表3-1

0.04g≤a<0.09g

 

0.09g≤a<0.19g

 

0.19g≤a<0.38g

 

0.38g≤a<0.75g

 

a≥0.75g

 

地震烈度

 

ⅥⅦⅧⅨ≥Ⅹ

 

 

 

 

≥Ⅹ

 


2.地震烈度与震级的关系

对应于一次地震,在其波及的地区内,根据烈度表可以对该地区内每一地点评定出一个烈度。我们将烈度相同的区域的外包线,称为等烈度线或等震线。理想化的等震线应该是一些规则的同心圆。但实际上,由于建筑物的差异、地质、地形的影响,等震线多是一些不规则的封闭曲线。

我国有关单位根据153个等震线资料,经过数理统计分析,给出了烈度I、震级M、和震中距R(km)之间的关系式:

I=0.92+1.63M-3.49lgR3-3

以及震中烈度I0与震级M之间的关系式:

I0 =0.24+1.29M3-4

3.我国“三水准,二阶段”抗震设防目标与地震烈度之间的关系

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010条文说明指出:根据我国华北、西北和西南地区对建筑工程有影响的地震发生概率的统计分析,50年内超越概率约为63%的地震烈度为对应于统计“众值”的烈度,比基本烈度约低一度半,本规范取为第一水准烈度,称为“多遇地震”;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”;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”,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。

与三个地震烈度水准相应的抗震设防目标是:一般情况下(不是所有情况下),遭遇第一水准烈度—众值烈度(多遇地震)影响时,建筑处于正常使用状态,从结构抗震分析角度,可以视为弹性体系,采用弹性反应谱进行弹性分析;遭遇第二水准烈度—基本烈度(设防地震)影响时,结构进入非弹性工作阶段,但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围[89规范、2001规范相同,其承载力的可靠性与《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ 11-78(以下简称78规范)相当并略有提高;遭遇第三水准烈度—最大预估烈度(罕遇地震)影响时,结构有较大的非弹性变形,但应控制在规定的范围内,以免倒塌。

综上可以看出,我国抗震规范“三水准,二阶段” 抗震设防目标与地震烈度之间的关系见表3-2。也就是说,我国的抗震设计仅进行了小震弹性的计算,少数项目进行了大震的弹塑性变形验算。而设防地震对应的中震,是以抗震措施(强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、各种系数调整、各种抗震构造措施等)来加以保证的。《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010对需要进行大震弹塑性变形验算的项目是这么规定的:

下列结构应进行弹塑性变形验算:

1)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时,高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架;

2)79度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构和框排架结构;

3)高度大于150m的结构;

4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;

5)采用隔震和消能减震设计的结构。

下列结构宜进行弹塑性变形验算:

1)本规范表5.1.2-1所列高度范围且属于本规范表3.4.3-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构;

2)7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;

3)板柱-抗震墙结构和底部框架砌体房屋;

4)高度不大于150m的其他高层钢结构;

5)不规则的地下建筑结构及地下空间综合体。

4.我们设计的房子到底可以防几级地震

经常看到有些楼盘广告说我们的房子可以抗8级地震。再就是笔者所在的城市武汉设防烈度为6度,很多开发商问,我们这栋房子到底可以抗几级地震?笔者经常听到设计人员回答:我们的房子可以抗6级地震,依据就是我们的设计是按照6度设防。实际情况是这样的吗?

下面以武汉60.05g为例,理论计算按照抗震规范设计的房屋,到底可以抵抗几级地震。表3-3为震中烈度与里氏震级关系表。

震中烈度与里氏震级关系表 3-3

震中烈度(I0)

换算为里氏震级(M)

备注

 

震中烈度(I0)

小震

 

里氏3.26级

 

不坏

 

I0=0.24+1.29M

设防烈度6度

 

中震

 

里氏3.26级

 

可修

 

大震烈度7度

 

大震

 

里氏5.24级

 

不倒

 


从表3-3可以看出:如果这栋房子的正下方发生地震(也就是这栋房子正好位于震中),理论计算,发生3.26级地震房子不坏,发生4.46级地震房子可修,发生5.24级地震房子不倒。如果真如我们设计人员所说,房子底下发生6级地震(房子正好位于震中),其对应的震中烈度为I0=0.24+1.29M=7.98,约为8度,其实我们武汉的设计只能保证7度不倒。但是其实地震也不会正好发生在这栋房子以下,只要房子离震中有距离,烈度就会剧烈折减(根据公式3-3可知)。

5.为什么大震下不倒的房屋还是有人员伤亡

以汶川大地震为例,说明为什么大震下不倒的房屋还是有人员伤亡。汶川大地震发生于2008512日,震中汶川县映秀镇,里氏震级8.0级,震源深度14km。根据I0=0.24+1.29M,汶川大地震震中烈度度I0=0.24+1.29x8=10.562001版抗震规范汶川设防烈度为70.10g,即使严格按照规范进行设计的房屋,也仅能保证8度不倒。根据I=0.92+1.63M-3.49lgR,距离震中25km,地震烈度约为9度;距离震中50km,地震烈度约为8度;距离震中100km,地震烈度约为7度;距离震中200km,地震烈度约为6度。成都距离震中92km,地震烈度约为7度,2001年抗震规范规定成都设防烈度为70.10g(第一组),可保证8度不倒,但是成都死亡约4100人。德阳距离距离震中101km,地震烈度约为7度,2001年抗震规范规定德阳设防烈度为60.05g(第一组),可保证7度不倒,但是德阳死亡10000多人。汶川大地震后,规范对成都和德阳的地震动参数作了修改,成都修改为70.10g第三组(提高特征周期值),德阳修改为70.10g第二组(加大峰值加速度、提高特征周期值)。

为什么按照规范,可以保证大震不倒的房子会有那么多人伤亡?有几方面的原因,一是有些房屋没有按照规范进行设计、施工,房屋倒塌;二是有些房屋是年代久远的房屋,没有达到当时的2001版规范的要求,房屋倒塌;三是即使按照2001版规范设计、施工,房屋没有倒塌,但是我们规范中规定的“不倒”,仅仅指主体结构,并不能保证非结构构件(幕墙、填充墙、设备等)不倒塌,非结构构件的倒塌也会有很大的破坏性,也会致人伤亡。

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