土木吧丨剛剛!6度設防,發生5.4級地震!烈度和震級到底是啥關係?

2021-01-13 土木吧

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   據中國地震臺網正式測定:09月08日06時42分在四川內江市威遠縣(北緯29.55度,東經104.79度)發生5.4級地震,震源深度10千米。

根據第五代區劃圖,震中位於6度設防區。而這次發生5.4級地震,你參與的項目還安好否?


烈度和震級到底啥啥關係?下面是金波總在土木吧發表的一篇文章,徹底講明白了!


   結構設計需要考慮地震作用,也就是進行抗震設計。但是很多結構工程師對地震知識了解不多,本小節對地震知識作簡單的介紹,並簡要闡述地震動參數與抗震計算參數的關係。

(一)認識地震

(1)震源:地殼深處發生巖層斷裂、錯動的地方稱為震源。

(2)震中:震源正上方的地面稱為震中。

(3)震源深度:震源到震中的距離稱為震源深度。一般把震源深度小於60km的地震稱為淺源地震;60~300km的稱為中源地震;大於300km的稱為深源地震。我國發生的絕大部分地震都是淺源地震,一般深度為5~40km。例如,1976年7月28日的唐山大地震,震源深度為11km;1999年9月21日的臺灣大地震,震源深度僅為1.1km;2008年5月12日汶川大地震,震源深度為14km。我國深源地震分布十分有限,僅在個別地區發生過深源地震,其深度一般為400~600km。由於深源地震所釋放出的能量,在長距離傳播中大部分被損失掉,所以對地面上的建築物影響很小。

(4)震中距:地面上某點至震中的距離稱為震中距。

圖3-1 地震術語示意圖

(5)震級:衡量一次地震釋放能量大小的等級,稱為震級,用符號表示。芮氏規模是由兩位來自美國加州理工學院的地震學家裡克特(Charles Francis Richter)和古登堡(Beno Gutenberg)於1935年提出的一種震級標度,是目前國際通用的地震震級標準。

芮氏規模是利用標準地震儀距震中100km處記錄的以微米為單位的最大水平地面位移(振幅)的常用對數值:

                              M=lgA     (3-1)

A——由地震曲線圖上量得的最大振幅(μm)。

震級與地震釋放的能量有下列關係:

                     lgE=1.5M+11.8   (3-2)

M——地震釋放的能量。

由公式(3-1)和(3-2)計算可知,當地震震級相差一級時,地面振動振幅增加10倍,而能量增加近32倍(10**1.5=31.6倍)。

(6)地震烈度:地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。根據《中國地震烈度表》GB/T 17742-2008,地震烈度劃分為12等級,分別用羅馬字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ表示。地震烈度的評定指標,包括人的感覺、房屋震害程度、其他震害現象、水平向地震動參數。根據《中國地震動參數區劃圖》GB 18306-2015規定,Ⅱ類場地地震動峰值加速度與地震烈度對照表見表3-1,其中a表示Ⅱ類場地地震動峰值加速度。

Ⅱ類場地地震動峰值加速度與地震烈度對照表                  表3-1

Ⅱ類場地地震動峰值加速度

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

≥Ⅹ

對應於一次地震,在其波及的地區內,根據烈度表可以對該地區內每一地點評定出一個烈度。我們將烈度相同的區域的外包線,稱為等烈度線或等震線。理想化的等震線應該是一些規則的同心圓。但實際上,由於建築物的差異、地質、地形的影響,等震線多是一些不規則的封閉曲線。

我國有關單位根據153個等震線資料,經過數理統計分析,給出了烈度I、震級M、和震中距R(km)之間的關係式: 

                      I=0.92+1.63M-3.49lgR(3-3)

以及震中烈度I0與震級M之間的關係式:

                       I0 =0.24+1.29M(3-4)

3.我國「三水準,二階段」抗震設防目標與地震烈度之間的關係

《建築抗震設計規範》GB 50011-2010條文說明指出:根據我國華北、西北和西南地區對建築工程有影響的地震發生概率的統計分析,50年內超越概率約為63%的地震烈度為對應於統計「眾值」的烈度,比基本烈度約低一度半,本規範取為第一水準烈度,稱為「多遇地震」;50年超越概率約10%的地震烈度,即1990中國地震區劃圖規定的「地震基本烈度」或中國地震動參數區劃圖規定的峰值加速度所對應的烈度,規範取為第二水準烈度,稱為「設防地震」;50年超越概率2%~3%的地震烈度,規範取為第三水準烈度,稱為「罕遇地震」,當基本烈度6度時為7度強,7度時為8度強,8度時為9度弱,9度時為9度強。

與三個地震烈度水準相應的抗震設防目標是:一般情況下(不是所有情況下),遭遇第一水準烈度—眾值烈度(多遇地震)影響時,建築處於正常使用狀態,從結構抗震分析角度,可以視為彈性體系,採用彈性反應譜進行彈性分析;遭遇第二水準烈度—基本烈度(設防地震)影響時,結構進入非彈性工作階段,但非彈性變形或結構體系的損壞控制在可修復的範圍[與89規範、2001規範相同,其承載力的可靠性與《工業與民用建築抗震設計規範》TJ 11-78(以下簡稱78規範)相當並略有提高;遭遇第三水準烈度—最大預估烈度(罕遇地震)影響時,結構有較大的非彈性變形,但應控制在規定的範圍內,以免倒塌。

綜上可以看出,我國抗震規範「三水準,二階段」 抗震設防目標與地震烈度之間的關係見表3-2。

也就是說,我國的抗震設計僅進行了小震彈性的計算,少數項目進行了大震的彈塑性變形驗算。而設防地震對應的中震,是以抗震措施(強柱弱梁、強剪弱彎、強節點、各種係數調整、各種抗震構造措施等)來加以保證的。《建築抗震設計規範》GB 50011-2010對需要進行大震彈塑性變形驗算的項目是這麼規定的:

下列結構應進行彈塑性變形驗算:

1)8度Ⅲ、Ⅳ類場地和9度時,高大的單層鋼筋混凝土柱廠房的橫向排架;

2)7~9度時樓層屈服強度係數小於0.5的鋼筋混凝土框架結構和框排架結構;

3)高度大於150m的結構;

4)甲類建築和9度時乙類建築中的鋼筋混凝土結構和鋼結構;

5)採用隔震和消能減震設計的結構。

下列結構宜進行彈塑性變形驗算:

1)本規範表5.1.2-1所列高度範圍且屬於本規範表3.4.3-2所列豎向不規則類型的高層建築結構;

2)7度Ⅲ、Ⅳ類場地和8度時乙類建築中的鋼筋混凝土結構和鋼結構;

3)板柱-抗震牆結構和底部框架砌體房屋;

4)高度不大於150m的其他高層鋼結構;

5)不規則的地下建築結構及地下空間綜合體。

經常看到有些樓盤廣告說我們的房子可以抗8級地震。再就是筆者所在的城市武漢設防烈度為6度,很多開發商問,我們這棟房子到底可以抗幾級地震?筆者經常聽到設計人員回答:我們的房子可以抗6級地震,依據就是我們的設計是按照6度設防。實際情況是這樣的嗎?

下面以武漢6度0.05g為例,理論計算按照抗震規範設計的房屋,到底可以抵抗幾級地震。表3-3為震中烈度與芮氏規模關係表。

震中烈度與芮氏規模關係表                       表3-3

震中烈度(I0)

對應地震

換算為芮氏規模(M)

房屋破壞程度

備註

眾值烈度4.45度

小震

芮氏3.26級

不壞

 I0 =0.24+1.29M

設防烈度6度

中震

芮氏4.46級

可修

大震烈度7度

大震

芮氏5.24級

不倒

   從表3-3可以看出:如果這棟房子的正下方發生地震(也就是這棟房子正好位於震中),理論計算,發生3.26級地震房子不壞,發生4.46級地震房子可修,發生5.24級地震房子不倒。如果真如我們設計人員所說,房子底下發生6級地震(房子正好位於震中),其對應的震中烈度為 I0 =0.24+1.29M=7.98,約為8度,其實我們武漢的設計只能保證7度不倒。但是其實地震也不會正好發生在這棟房子以下,只要房子離震中有距離,烈度就會劇烈折減(根據公式3-3可知)。

以汶川大地震為例,說明為什麼大震下不倒的房屋還是有人員傷亡。汶川大地震發生於2008年5月12日,震中汶川縣映秀鎮,芮氏規模8.0級,震源深度14km。根據 I0 =0.24+1.29M,汶川大地震震中烈度度 I0 =0.24+1.29x8=10.56,2001版抗震規範汶川設防烈度為7度0.10g,即使嚴格按照規範進行設計的房屋,也僅能保證8度不倒。根據 I=0.92+1.63M-3.49lgR,距離震中25km,地震烈度約為9度;距離震中50km,地震烈度約為8度;距離震中100km,地震烈度約為7度;距離震中200km,地震烈度約為6度。成都距離震中92km,地震烈度約為7度,2001年抗震規範規定成都設防烈度為7度0.10g(第一組),可保證8度不倒,但是成都死亡約4100人。德陽距離距離震中101km,地震烈度約為7度,2001年抗震規範規定德陽設防烈度為6度0.05g(第一組),可保證7度不倒,但是德陽死亡10000多人。汶川大地震後,規範對成都和德陽的地震動參數作了修改,成都修改為7度0.10g第三組(提高特徵周期值),德陽修改為7度0.10g第二組(加大峰值加速度、提高特徵周期值)。

為什麼按照規範,可以保證大震不倒的房子會有那麼多人傷亡?有幾方面的原因,一是有些房屋沒有按照規範進行設計、施工,房屋倒塌;二是有些房屋是年代久遠的房屋,沒有達到當時的2001版規範的要求,房屋倒塌;三是即使按照2001版規範設計、施工,房屋沒有倒塌,但是我們規範中規定的「不倒」,僅僅指主體結構,並不能保證非結構構件(幕牆、填充牆、設備等)不倒塌,非結構構件的倒塌也會有很大的破壞性,也會致人傷亡。


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