地震与抗震
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
1.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，1976年7月28日的唐山大地震，震源深度为11km；1999年9月21日的台湾大地震，震源深度仅为1.1km；2008年5月12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。
图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》GB／T 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
Ⅱ类场地地震动峰值加速度
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
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
≥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-3.49lgR（3-3）
以及震中烈度I0与震级M之间的关系式：
I0 =0.24 1.29M（3-4）
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[与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)7～9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6度0.05g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 表3-3
震中烈度（I0）
对应地震
换算为里氏震级（M）
房屋破坏程度
备注
众值烈度4.45度
小震
里氏3.26级
不坏
I0 =0.24 1.29M设防烈度6度
中震
里氏4.46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2008年5月12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=10.56，2001版抗震规范汶川设防烈度为7度0.10g，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7度0.10g（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6度0.05g（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7度0.10g第三组（提高特征周期值），德阳修改为7度0.10g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。
