0.2 建筑结构抗震基本知识
图0-1 某框架结构工程结构设计总说明示例
0.2.1 工程抗震概述
地震是一种危害性极大的自然现象。它是地壳运动的一种表现，与地质构造有密切的关系。强烈地震造成惨重的人员伤亡和巨大的财产损失，主要是由于建筑物的破坏所引起。我国是世界上多地震国家之一，地震活动分布范围广，经常发生造成严重破坏的强烈地震，因此，也是世界上地震灾害严重的国家之一。为了最大限度地减轻地震灾害，搞好工程的抗震设计是一项重要的根本性的减灾措施。
0.2.1.1 地震类型与成因
地震按其产生的原因可以划分为诱发地震和天然地震两大类。诱发地震主要是由于人工爆破、矿山开采及工程活动（如兴建水库）等所引发的地震。天然地震主要有构造地震和火山地震。后者由火山爆发所引起，前者由地壳构造运动所产生。相对而言，构造地震发生频率高（占地震发生总数约90%）、破坏性大、影响范围广，是工程抗震的主要研究对象。
构造地震产生的根本原因主要源于地壳板块的构造运动。地球在运动过程中，构造运动使地壳积累了巨大的变形能，在地壳岩层中产生着很大的复杂内应力，地壳板块之间的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形，当这些应力超过某处岩层的强度极限时，将使该处岩层产生突然的断裂或强烈错动，从而引起振动，并以波的形式传到地面，形成地震。
0.2.1.2 常用地震术语
（1）震源和震中
如图0-2所示，地球内部岩层发生断裂或错动的部位称为震源；震源至地面的垂直距离称为震源深度；震源在地表的垂直投影点（即震源正上方的地面位置）称为震中；地面某处到震中的水平距离称为震中距。震中附近地面振动最强烈的，也就是建筑物破坏最严重的地区称为震中区。
0.1视频 地震震害现象
图0-2 常用地震术语示意图
地震按震源的深浅分为： 浅源地震（震源深度小于60km）、中源地震（震源深度在60～300km以内）、深源地震（震源深度大于300km）。我国发生的绝大部分地震都属于浅源地震。一般来讲，浅源地震破坏性大，深源地震破坏性小。
（2）地震波
地震时，岩层中积累的能量以波的形式从震源向外传播至地面，这就是地震波。其中，在地球内部传播的波称为体波，沿地球表面传播的波称为面波。地震时一般先出现由体波引起的上下颠簸及水平方向摇晃，而后出现面波造成的房屋左右摇晃和扭动。由于面波的能量比体波要大，所以造成建筑物和地表破坏，以面波为主。
（3）震级
震级是衡量一次地震本身强弱程度的指标。它是以地震时震源处释放能量的多少而引起地面产生最大水平地动位移的大小来确定的，用符号M表示。
1935年里希特首先提出了震级的定义：利用标准地震仪（指固定周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大倍数为2800的地震仪），在距震中100km处的坚硬地面上，记录到的以微米（1µm=10-6m）为单位的最大水平地面位移A的常用对数值，即M =lgA，一般M称为里氏震级。
震级与震源释放能量的大小有关，震级每增加一级，地面振幅增大约10倍，而地震释放的能量就相差32倍。一个6级地震所释放出的能量相当于一个2万吨的原子弹释放的能量。
一般认为，M＜2的地震，人们是感觉不到的，因此称为微震；M =2～4的地震，在震中附近地区的人就有感觉，称为有感地震；M＞5的地震，会对地面上的建筑物造成不同程度的破坏，称为破坏性地震；M=7～8的地震称为强烈地震或大地震；M＞8的地震称为特大地震。
（4）地震烈度
地震烈度是指在一次地震时对某一地区的地表和建筑物影响的强弱程度。地震烈度的大小不仅取决于每次地震发生时所释放出的能量大小，同时还受到震源深度、受震区距震中的距离、地震波传播的介质性质和受震地区的表土性质及其他地质条件等的影响。
对于一次地震，只能有一个地震震级，然而同一次地震对不同地区的影响却不同，随着距离震中远近的不同会出现多种不同的地震烈度。一般来说，距震中越近，地震影响越大，地震烈度越高。
为了评定地震烈度就需要建立一个标准，目前，我国采用由国家地震局颁布的《中国地震烈度表》（GB/T 17742—2008）。它是以描述震害宏观现象为主，即根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物的损坏程度和地貌变化特征等方面的宏观现象进行判定，划分成12烈度。
0.2.2 建筑抗震设防分类和设防标准
0.2.2.1 抗震设防依据
（1）基本烈度
抗震设防的首要问题是明确要设计的建筑物能抵抗多大的地震。因此，采用概率方法预测某地区在未来一定时间内可能发生的最大烈度是具有实际意义的。一个地区的基本烈度是指该地区在今后50年期限内，在一般场地条件下可能遭遇超越概率为10%的地震烈度值。
国家地震局颁布的《中国地震烈度区划图》给出了全国各地地震基本烈度的分布，可供国家经济建设和国土利用规划、一般工业与民用建筑的抗震设防及制订减轻和防御地震灾害对策之用。
（2）抗震设防烈度
抗震设防烈度是作为一个地区建筑抗震设防依据的地震烈度，必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定。一般情况下，抗震设防烈度可采用《中国地震烈度区划图》中规定的基本烈度，对已编制抗震设防区划的城市，也可采用经国家有关主管部门规定的权限批准的抗震设防烈度。《建筑抗震设计规范》（2016年版）（GB 50011—2010）（以下简称《抗震规范》）中的附录A规定了我国主要城镇抗震设防烈度。
0.2.2.2 抗震设防目标
抗震设防是指对建筑物进行抗震设计，包括计算地震作用、验算抗震承载力和采取抗震措施，以达到在地震发生时减轻地震灾害的目的。
抗震设防是以现有的科学水平和经济条件为前提。目前，国际上抗震设防目标的总趋势是：在建筑物使用寿命期间，对不同频度和强度的地震，要求建筑具有不同的抵抗能力。即对一般小震级的地震，由于其发生的可能性大，因此要求遭遇到这种多遇地震时，结构不受损坏，这在技术上和经济上都是可行的；对于罕遇的强烈地震，由于其发生的可能性小，当遭遇到这种强烈地震时，要求做到结构完全不损坏，这在经济上是不合算的。比较合理的做法是，允许损坏但不应导致建筑物倒塌。
在现阶段，我国《抗震规范》明确提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒” 的“三水准”抗震设防目标，即
第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震（简称“小震”）影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。
第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能有一定损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。
第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震（简称“大震”）影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。
《抗震规范》规定，抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计。一般来说，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：即概念设计、抗震计算和构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则，抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段，构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等方面体现抗震计算结果的有效性。抗震设计上述三个层次内容是一个不可分割的整体，忽略任何一部分，都可能造成抗震设计的失败。
0.2.2.3 建筑抗震设防分类与设防标准
由于建筑物的使用性质不同，地震破坏所造成后果的严重性是不一样的。对于不同用途的建筑物，其抗震设防目标是一致的，抗震设计方法也相同，但不宜采用相同的抗震设防标准，而应根据其破坏后果加以区别对待。为此，按照国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）将建筑工程按其使用功能的重要性分为以下四个抗震设防类别：
（1）特殊设防类（简称甲类） 指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。此类建筑的确定须经国家规定的批准权限批准。
（2）重点设防类（简称乙类） 指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。例如，城市中生命线工程的核心建筑，一般包括供水、供电、交通、消防、通信、救护、供气、供热等系统，以及中小学教学楼等。
（3）标准设防类（简称丙类） 指大量的除甲、乙、丁类建筑以外按标准要求进行设防的一般工业与民用建筑。
（4）适度设防类（简称丁类） 指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。例如，一般的仓库、人员稀少的辅助建筑物等。
各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求：
（1）甲类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。
（2）乙类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
（3）丙类建筑，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。
（4）丁类建筑，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
0.2.3 现浇钢筋混凝土房屋抗震设计的一般规定
0.2.3.1 房屋最大适用高度
根据大量震害调查和工程设计经验，为了达到既安全又经济合理的要求，现浇钢筋混凝土结构房屋高度不宜建得太高。房屋适用的最大高度与房屋的结构类型、设防烈度、场地类别等因素有关。《抗震规范》规定，较规则的多层和高层现浇钢筋混凝土房屋的最大适用高度应不超过表0-1的规定。
表0-1 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度 单位：m
注：1. 表中“抗震墙”指结构抗侧力体系中的钢筋混凝土剪力墙。
2. 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分的高度）。
3. 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度。
4. 超过表内高度的房屋，应专门进行研究和论证，采取有效的加强措施。
0.2.3.2 抗震等级
抗震等级的划分，是为了体现对不同抗震设防类别、不同结构类型、不同场地条件、不同烈度或同一烈度但不同高度的钢筋混凝土房屋结构采取不同的延性设计要求以及采取不同的抗震构造措施，以利于做到经济而有效的设计。
《抗震规范》根据设防类别、设防烈度、结构类型和房屋高度等因素，将现浇钢筋混凝土房屋结构划分为四个抗震等级，它是确定结构和构件抗震计算与采取抗震措施的标准。丙类建筑的抗震等级应按表0-2确定。甲、乙、丁类建筑，应按设防类别与设防标准，对抗震设防烈度进行相应调整后再确定抗震等级。
表0-2 现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级
注：1. 建筑场地为Ⅰ类时，除6度外应允许按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低。
2. 大跨度框架指跨度不小于18m的框架。
0.2.3.3 框架结构抗震设计的一般原则
根据“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，当遭受到设防烈度的地震影响时，允许结构某些杆件截面的钢筋屈服，出现塑性铰。当塑性铰达到一定数量时，结构就进入塑性状态，出现“屈服”现象，即承受的地震作用不再增加或增加很少，而结构塑性变形迅速加大。如果结构能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力，就称为延性结构。
在地震作用下，延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量，具有较强的抗震能力。因此，在进行框架结构抗震设计时，应设计成延性框架结构，要求结构具有一定的延性就必须保证梁、柱有足够大的延性。根据震害分析，以及近年来国内外试验研究资料，框架梁、柱塑性铰的设计应遵循下述原则：
（1）强柱弱梁 要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁中出现，尽量避免或减少塑性铰在柱中出现。因为塑性铰在柱中出现，很容易形成几何可变体系而倒塌。
（2）强剪弱弯 对于梁、柱构件而言，要保证构件出现塑性铰，而不过早地发生剪切破坏，要求构件的抗剪承载力大于塑性铰的抗弯承载力，形成“强剪弱弯”结构。
（3）强节点、强锚固 为了确保结构成为延性结构，在梁的塑性铰充分发挥作用前，框架节点及钢筋的锚固不应过早破坏。
