建筑抗震等级、抗震设防烈度、地震震级三者之间有什么区别和联系?

时间:2015/12/16 | 作者: | 分类:技术储备 | 浏览:293 ℃ | 发表评论
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每次地震发生,可能很多人都会有类似的问题。有时候,有些媒体也会在这里犯一些错误,被大家诟病为“不专业”。当然,这些东西也挺复杂的,媒体搞混了也正常。

一、地震震级

地震震级是某次地震的属性,某个地震只会有一个震级。比如 1995 年阪神大地震是矩震级 6.8,2008 年汶川大地震是矩震级是 7.9。

注意到,可能对于某次地震,不同媒体的报道有所不同,那是因为他们采用了不同的震级标准。由于历史原因,不同的专家学者发明过不同的震级标准,比如里氏震级、面波震级、体波震级等等。比如说,有些国内官方媒体采用的就是面波震级,所以 2008 年汶川大地震的震级为面波震级 8.0。目前大家认为比较合理的、应用较广泛的是矩震级。

震级是什么意思呢?简单说,震级衡量的是地震的大小,或者严谨一点,地震所释放的能量的大小。某次地震所释放的总能量是固定的,所以它的震级也是唯一的。

绝大多数地震是由断层引起的,地震所释放的能量的大小,取决于引发地震的断层的大小、断层两边相对运动的距离、断层处的岩石强度。断层的面积乘以断层移动的距离再乘以岩石的剪切模量,得到的就是 Seismic Moment,也就是所谓的地震矩。这个地震矩的数值,直接反映了地震释放能量的大小。

而矩震级就是对地震矩的衡量,这两者之间的关系是:

其中地震矩 M0 的单位为牛乘以米。注意到,地震矩和矩震级之间是三分之二 log 的关系。换言之,震级大一级,地震矩变为原来的 10 的 1.5 次方倍,也就是 31.6 倍;震级大两级,地震矩变为原来的 31.6 的平方倍,也就是 1000 倍。

简单地说,8 级地震释放的能量,是 7 级的 31.6 倍,6 级的 1000 倍,5 级的 31623 倍,4 级的 1000000 倍。

二、地震烈度

地震烈度衡量的是某次地震发生之后对某个地区的影响。比如说,1976 年唐山大地震,震中唐山的烈度为 11 度,天津的烈度为 8 度,北京为 6 度,石家庄为 5 度。通常情况下,越靠近震中最大,越远离震中越小。这也很好理解,越靠近震中受影响越大,越远离震中受影响越小。

你可以想象成一个靶子,震中就是靶心 10 环,外边一点 9 环,再靠外 8 环。同样的地震,震中烈度可能是 9 度,往外 50 公里可能降低到 8 度,再往外 150 公里可能降低到 7 度。由于地形地质的不同,所以烈度的分布并不是个完美的同心圆,只是大致上遵循着越靠近震中越大的规律。

烈度的大小与地震震级相关,但并没有明确的数值关系,而是因为其它条件的不同而不同。简单说,烈度是一个主观性比较强的参数,跟震源深浅、地震类型、地质条件等等都有关系,不同的地震会有不同的情况。正如世界上没有两片相同的叶子,世界上也没有两次相同的地震。同样都是 6 级地震,一个震中烈度可能是 7 度,另一个可能会达到 8 度。

三、抗震设防烈度

抗震设防烈度是某个地区的属性。比如说北京的抗震设防烈度是 8 度,上海的抗震设防烈度是 7 度。

这个是怎么确定的呢?一定程度上,设防烈度的制定跟设防目标相关。就拿北京来说,先统计一下历史上一定时期之内影响到北京的历次地震,看一下这些地震引起的北京地区的烈度分别是多少。比如说 1976 年唐山地震是 6 度,某某年某次地震是 4 度,某某年某次地震是 5 度……然后再利用统计学知识,根据既定的可靠度目标,比如说,让设防烈度大于这些已经发生过的地震烈度的 90%,继而确定出一个设防烈度。换句话说,这种情况下,所有可能发生的地震里,我能保证有 90% 的实际地震烈度都小于我的这个设防烈度。

现在的抗震规范,采用的是 50 年内超越概率为 10% 的地震烈度作为抗震设防烈度。也就是说,50 年之内,发生比这个设防烈度还大的地震烈度的可能性是 10%。折算下来,也就是俗称的“475 年一遇”。

什么意思呢?475 年一遇的地震,今年发生的概率是 475 分之一,也就是 0.211%,今年不发生的概率是 1 减去 0.211%,也就是 99.789%。50 年之内都不发生这样的地震,这个概率是 99.789% 的 50 次方,也就是 90%。而 50 年之内发生这样的地震的概率,则是 1 减去 90%,等于 10%。

也就是说,我们的目标是 475 年一遇的地震。100 年一遇的地震,小意思,都在我们的设防范围之内,也就是俗称的“小震不坏”;500 年一遇的地震,刚刚好跟我们的设防目标差不多,次要结构可能会有小范围破坏,但是主体结构不会发生大的破坏,也就是俗称的“中震可修”;1000 年一遇的地震,已经超过了我们的设防目标,但是尽量通过合理的构造措施,保证结构足够的延性和塑性变形能力,争取做到房子虽然变形很大,但不会整体垮塌,保证逃生通道和逃生时间,这也就是俗称的“大震不倒”。

四、抗震等级

抗震等级是建筑结构的属性。比如说,这栋楼的抗震等级是一级,那栋楼的抗震等级是二级。抗震等级也可以在局部调整,比如这栋楼的抗震等级是三级,但是某一层或者某一个柱子的抗震等级是二级。

抗震等级当然跟抗震能力相关,但并不是说一级的就一定比二级的好。举个类似的例子,汽车的碰撞试验,有五星的,也有三星的,但是并不是说五星的就一定比三星的更好。一个五星的微型车,跟一个三星的大皮卡相比,孰高孰低还很难说。

抗震等级也是如此,它取决于抗震设防烈度、结构重要性、结构类型、结构高度。对于普通的钢筋混凝土结构,可以参见抗震规范里的这张表格。
抗震等级取决于抗震设防烈度、结构重要性、结构类型、结构高度
比如说,上海的一栋高层住宅楼,采用剪力墙结构,高度为 100 米。我们就去查表,上海设防烈度为 7 度,抗震墙结构高度大于 80 米,所以是二级。再比如说,济南的一栋高层写字楼,框架核心筒。我们继续查表,济南是 6 度区,所以框架核心筒的框架部分是三级,核心筒部分是二级。

注意到,我们说这张表适用于“普通的钢筋混凝土结构”,也就是所谓的“丙类建筑”。目前的抗震规范,已经把中小学校舍提高到了“乙类建筑”。换言之,医院、中小学校舍等等非常重要的建筑物,需要在这张表的基础上进一步提高,一般是查表的时候提高一个烈度。

比如说,以上海为例,同样是小于 24 米的框架结构,如果是菜市场,那就按 7 度查表,也就是三级,如果是小学教学楼,那就要按 7+1=8 度查表,抗震等级为二级。也就是说,同一个地区、同一个结构类型、差不多高度的建筑物,中小学、医院等等通常要比菜市场、普通办公楼、住宅楼高一个抗震等级。

抗震等级有什么用呢?主要体现在结构的各种内力调整和构造措施上。

柱截面纵向钢筋的最小总配筋率

比如一级框架结构的角柱,最小配筋率需要到达 1.1%,而四级的角柱,最小配筋率达到 0.7% 就可以了。也就是说,在计算允许的前提下,抗震等级低的结构可以用更少的钢筋。
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再比如说,一级和二级框架结构的角柱,箍筋必须全高加密,而三级和四级的角柱就不需要特殊处理。

五、总结

地震震级是地震的属性,一次地震只有一个震级。

地震烈度是地震对某个地区的影响,震中高,越往外越低。震中烈度和震级有关。

设防烈度可以简单理解成某个地区 475 年内所能发生的最强烈的地震烈度。如果实际发生的地震引起的烈度不大于设防烈度,建筑结构应该要做到不发生永久性的、不可修复的的破坏。

抗震等级是建筑物的属性,越重要、越容易受地震袭击、越需要保护的建筑物,抗震等级越高,对抗震能力的要求也越高。

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