地震能否使某一地区的建筑物受到破坏,主要取决于地震本身的大小和该区距震中的远近,距震中越远,则受到的振动越弱。因此,需要有衡量地震本身大小和某一地区振动强烈程度的两个尺度,这就是震级和烈度,它们之间有一定联系,但却是两个不同的尺度,不能混淆起来。
(1)地震震级(面波震级)
地震震级(magnitude)是表示地震本身大小的尺度,是由地震所释放出来的能量大小所决定的。释放出来的能量越大,则震级越大。因为一次地震所释放的能量是固定的,所以每次地震只有一个震级。我国台湾省集集大地震,震级为M7。
地震释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。由于远离震中波动要衰减,不同地震仪的性能不同,记录的波动振幅也不同,所以必须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。接李希特—古登堡的最初定义,震级(M)是距震中100 km的标准地震仪(周期0.8 s,阻尼比0.8,放大信率2 800倍)所记录的以μm表示的最大振幅A的对数值,即
古登堡和李希特根据观测数据,求得震级M与能量E(J)之间有如下关系,即
不同震级的地震通过地震波释放出来的能量见表5.1。
表5.1 震级M和震源发出的总能量E之间的关系
一次1级地震所释放出来的能量相当于2×106 J。震级每增大一级,能量约增加30倍。一个7级地震相当于近30个2万t级原子弹的能量。小于2级的地震,人们感觉不到,称为微震;2~4级地震称为有感地震;5级以上地震开始引起不同程度的破坏,统称为破坏性地震或强震;7级以上的地震称为强烈地震或大震。已记录的最大地震震级未有超过8.9级的,这是由于岩石强度不能积蓄超过8.9级的弹性应变能。我国台湾省集集大地震,在主震发生后的一个月内,余震多达15万余次,其中6.0级以上的8次(包括6.8级3次),可见地震释放的能量十分巨大。据我国台湾建筑研究所和地震工程中心所收集到的8 773栋建筑的震害资料统计,震中区的南投县和台山县破坏最为严重,分别有4 500多栋(占53%)和2 800多栋(32%)建筑破坏,在远离震中150 km以外的台北市由于盆地效应仍有300多栋建筑被破坏。
(2)地震烈度
地震烈度(seismic intensity)是指某一地区的地面和各种建筑物遭受地震影响的强烈程度。
地震烈度表是划分地震烈度的标准,它主要是根据地震时地面建筑物受破坏的程度、地震现象、人的感觉等来划分制订的。我国和世界上大多数国家都是将烈度分为12度。我国制订并采用的地震烈度见表5.2。
表5.2 地震烈度表
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注:
房屋类型
Ⅰ类:
①简陋的棚舍。
②土坯或毛石等砌筑的拱窑。
③夯土墙或土坯、碎砖,毛石、卵石等砌墙,用树枝、草泥做顶,施工粗糙的房屋。
Ⅱ类:(www.daowen.com)
①夯土墙或用低级灰浆砌筑的土坯、碎砖、毛石、卵石等墙,不用木柱的,或虽有细小木柱,但无正规木架的房屋。
②老旧的有木架的房屋。
Ⅲ类:
①有木架的房屋(宫殿、庙宇、城楼、钟楼、鼓楼和质量较好的民房)。
②竹笆或灰板条外墙,有木架的房屋。
③新式砖石房屋。
建筑物的破坏程度
轻微损坏:粉饰的灰粉散落,抹灰层上有细小裂缝或小块剥落。偶有砖、瓦、土坯或灰浆碎块等坠落,不稳固的饰物滑动或损伤。
损坏:抹灰层上有裂缝,泥块脱落,砌体上有小裂缝。不同的砌体之间(如砖墙与土坯墙间)产生裂缝,个别砌体局部崩塌。木架偶有轻微拔榫,砌体的突出部分和民房烟囱的顶部扭转或损伤。
破坏:抹灰层大片崩落。砌体裂开大缝或破裂,并有个别部分倒塌。木架拔榫,柱脚移动。部分屋顶破坏,民房烟囱倒下。
倾倒:建筑物的全部或相当大部分的墙壁、楼板和房顶倒塌。有时屋顶移动。砌体严重变形或倒塌。木架显著地倾斜,构件折断。
震级和烈度既有联系,又有区别,它们各有自己的标准,不能混为一谈。震级是反映地震本身大小的等级,只与地震释放的能量有关,而烈度则表示地面受到的影响和破坏的程度。一次地震,只有一个震级,而烈度则各地不同。烈度不仅与震级有关,同时还与震源深度、震中距以及地震波通过的介质条件(如岩石的性质,岩层的构造等)等多种因素有关。震中烈度与震级及震源深度的关系见表5.3。
表5.3 震中烈度与震级及震源深度的关系
震级与烈度虽然都是地震的强烈程度指标,但烈度对工程抗震来说具有更为密切的关系。为了表示某一次地震的影响程度或总结震害与抗震经验,需要根据地震烈度标准来确定某一地区的地震烈度;同样,为了对地震区的工程结构进行抗震设计,也要求研究预测某一地区在今后一定时期的地震烈度,以作为强度验算与选择抗震措施的依据。
1)基本烈度
基本烈度(basic intensity)是指在今后一定时期内,某一地区在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。基本烈度所指的地区,并不是某一具体工程场地,而是指一较大范围,如一个区、一个县或更广泛的地区,因此,基本烈度又常称为区域烈度。
鉴定和划分各地区地震烈度大小的工作,称为烈度区域划分(简称烈度区划)。基本烈度的区划,不应只以历史地震资料为依据,而应采取地震地质与历史地震资料相结合的方法,进行综合分析,深入研究活动构造体系与地震的关系,才能做到较准确的区划。各地基本烈度定得准确与否,与该地工程建设的关系甚为密切。如烈度定得过高,提高设计标准,会造成人力和物力上的浪费;定得过低,会降低设计标准,一旦发生较大地震,必然造成损失。
2)场地烈度
场地烈度(site intensity)提供的是地区内普遍遭遇的烈度,具体场地的地震烈度与地区内的平均烈度是有差别的。对许多地震的调查研究表明,在烈度高的地区内可以包含有烈度较低的部分,而在烈度低的地区内也可以包含有烈度较高的部分,也就是常在地震灾害报道中出现“重灾区里有轻灾区,轻灾区里有重灾区”的情况。一般认为,这种局部地区烈度上的差别,主要是受局部地质构造、地基条件以及地形变化等因素所控制。通常将这些局部性的控制因素称为小区域因素或场地条件。
在场地条件中,首先,应当注意的是局部地质构造,断裂特征对场地烈度有很大的控制作用,宽大的断裂破碎带易于释放地震应力,其两侧烈度可能有较大差别。存在活动断层常是局部地区烈度增加的主要原因。发震断层及其邻近地段不仅烈度高,而且常有断裂错动、地裂缝等出现,故属于抗震危险的地段。其次,应当注意的是地基条件,包括地层结构、土质类型以及地下水埋藏深度、地表排水条件等。软弱黏性土层、可液化土层和地层严重不均一的地段以及地下水埋藏较浅、地表排水不良的地段,均对抗震不利。再次,地形条件也是不可忽视的,开阔平坦的地形对抗震有利;峡谷陡坡、孤立的山包、突出的山梁等地形对抗震不利。
根据场地条件调整后的烈度,在工程上称为场地烈度。通过专门的工程地质、水文地质工作,查明场地条件,确定场地烈度,对工程设计有重要的意义:①有可能避重就轻,选择对抗震有利的地段布设路线和桥位;②使设计所采用的烈度更切合实际情况,避免偏高偏低。
3)设计烈度
在场地烈度的基础上,考虑工程的重要性、抗震性和修复的难易程度,根据规范进一步调整,得到设计烈度(design intensity),也称设防烈度。设计烈度是设计中实际采用的烈度。
GBJ 11—89《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗震规范》)综合多方面因素提出基本烈度和设防烈度两个概念。
①基本烈度是指一个地区在今后一定时期内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。
②设防烈度是指国家审定的一个地区抗震设计实际采用的地震烈度,一般情况下,可采用基本烈度。
《抗震规范》将抗震设防烈度定为6~9度,并规定6度区建筑以加强结构措施为主,一般不进行抗震验算;设防烈度为10度地区的抗震设计宜按有关专门规定执行。
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