地震学基本知识

地震学基本知识（震级-烈度-抗震等级）

地震震级

earthquake magnitude

地震震级（Magnitude）是地震的强度级别。它与震源所释放出的能量多少来确定。目前，国际上常用的是里氏震级。1935年Richter提出的震级定义为：震级等于标准地震仪记录到的震中距为100km处的地面最大水平位移（以微米为单位）的常用对数。这个标准地震仪是指Wood-Anderson扭摆仪，其标准要求是摆的自振周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大倍数为2800。若假定A是该地震仪记录到的以微米为单位的地面最大水平位移，则（里氏）地震震级可用下式表示：

M=lgA(Δ)-lgA0(Δ)

式中：A――待定震级的地域记录的最大水平位移振幅；

A0――标准地震在同一震中距离处的最大水平位移振幅；

lgA0(Δ)――震中距的函数，亦即零级地震在不同震中距的振幅对数值，称作起算函数，或标定函数。对不同的测定区域可以列出随震中距变化的[-lgA0(Δ)]数值表。里克特规定：用标准地震仪，在震中距(Δ)为100km处，记录最大振幅的地动位移A0为0.001mm(即1微米)时对应的震级为零级。

震级震级M与震源释放的能量E之间有以下经验关系：

lgE = 11.8 + 1.5M

根据上述关系，震级相差一级，地震波的振幅值增加10倍，地震所释放的能量要相差31.6倍，一个6级地震所释放的能量相当于一个两吨级的原子弹所释放的能量。

目前记录到的最大的地震还没有超过8.9级地震，1960年5月22日南美智利发生的8.9级地震，1906年1月31日南美厄瓜多尔――哥伦比亚边界附近海中和1933年3月2日日本三陆东边海中发生8.9级地震，2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛附近海域也发生了8.9级地震。

对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，然而由于同一次地震对不同地点的影响是不一样的，因此烈度也就随震中距离的远近而有差异。一般说来，距离震中越远，地震影响越小，烈度就越低；反之，越靠近震中，烈度就越高。震中点的烈度称为震中烈度。对于浅源地震，震级M与震中烈度I0大致成如下关系：

M=0.58I0 + 1.5

地震烈度

seismic intensity

发生时，在波及范围内一定地点地面震动的激烈程度。这个概念的建立是和“地震烈度表”的编订联系在一起的。烈度表通常把在地面上感受到的地震强烈程度，从无感到毁灭，划分为若干“度”，以宏观的地震影响，如人的感觉，物体的反应，建筑物的破坏，地面景观的变化等现象，作为划分烈度的标志。因此也有人把烈度定义为地震破坏性的尺

度，或为地震造成的影响的尺度。尽管提法不一，但其含义基本上是一致的。

地震烈度应当同地震严格区分。对于某次地震，震级是个一定的数值，是指地震所释放的能量的级别而言，代表着这次地震的大小。烈度则在同一次地震中因地而异。一般震中所在地区烈度最高，称为极震区。随着震中距的增大，烈度总的趋势是逐渐降低，但由于种种其他因素的影响，难免有起伏不定的变化。

烈度表的演变 最早出现的烈度表是加斯塔尔迪(J.Gastaldi)在 1564年意大利阿尔卑斯山地震时所使用的烈度表。以后几百年，各国研究者陆续修订了几十种烈度表，但只有几种流行于世、1874～1878年意大利罗西（M.S.de Rossi）编制成第一个有实用价值的烈度表；1881年,瑞士福雷尔(F.A.Forel)也独立地提出一个内容相似的烈度表。二人于1883年联名发表了罗西－福雷尔烈度表，共分10度，至今还流行于欧洲某些地区。1888年美国霍尔登(E.S.Holden)提出地震力的概念，认为建筑物之所以遭受地震破坏是由于地震力的作用，并给罗西－福雷尔烈度表配上了加速度当量。1902年意大利麦加利(G.Mercalli)对罗西-福雷尔烈度表作了改进1904年意大利坎卡尼(A. Cancani)又把麦加利所改进的烈度表从10度扩展为12度,并参考了米尔恩(J.Milne)和的研究结果，给每度配上加速度当量。这就是麦加利-坎卡尼烈度表。1912年，德国西贝格(A.Sieberg)再将麦加利烈度表修改，把表中最高烈度分为三度成为麦加利-坎卡尼-西贝格烈度表，但表中无加速度当量。以上几种烈度表至今都还在欧洲使用。1931年,伍德(H.O.wood)和纽曼(F.Neumann)又将麦加利-坎卡尼-西贝格烈度表加以改进，称为修改的麦加利(ModifiedMercalli)烈度表，简称 M.M烈度表。这是目前在美国和许多其他国家通行的烈度表。

许多国家订有具有本国特色的烈度表。日本沿用日本气象厅烈度表，以无感为零度，将有感范围分为 7度。苏联自50年代初以来采用苏联科学院地球物理研究所编订的烈度表，分12度，同国际习惯一致。中国于1957年制订了《新的中国地震烈度表》，同苏联

的烈度表相近。1980年又编订了《中国地震烈度表(1980)》加入了加速度和速度的尺度。1964年，由于要求制订一个全世界通用的烈度表的呼声高涨，在国际地震学和地震工程会议上采用梅德韦杰夫(.．

)施蓬霍伊尔(W.Sponheuer)和卡尔尼克(V. Karnik)三

人起草的烈度表作为试行的国际烈度表，简称MSK烈度表，这个表附有对应于烈度的地面加速度、速度和地震计位移。

烈度物理标准的研究 烈度表主要是以地震造成的宏观现象来划分烈度的。这是由于地震发生时，很难随处取得地面运动的仪器记录，人们不得不从宏观现象来判别烈度高低。但宏观烈度表,不论订得如何完善,终不能超越定性的界限,再则不能排除观察者的主观因素因此寻找同震害现象密切相关，并便于用仪器测定的烈度物理标准一直是人们追求的目标。首先被研究的物理量是地面加速度峰值。出发点是认为地震破坏现象乃地震惯性力所造成，而惯性力决定于地面加速度。最早大森房吉从地震时碑石倾倒情况推算烈度的加速度当量。以后从地面加速度的实际记录去寻找加速度峰值同烈度的统计关系的研究很多，但结果不一。随着观测资料的积累，对应于一定烈度的统计平均加速度数值有不断增大之势，但始终保持烈度每增一度，加速度大致加倍的规律。嗣后被研究的物理量是地面速度峰值。这是由于爆炸效应是以地面速度峰值为尺度，而且速度标志着地震波传递的动能。在60年代纽曼提出了对应于烈度的速度指标，但以后有更新的数据。

30年代，地震反应谱（即单质点摆在地震作用下的反应，如质点的位移、速度、加速度等与摆的频率、阻尼的关系）理论建立后,贝尼奥夫(H.Benioff)于1934年提出以零阻尼位移反应谱曲线在一定频率范围内所包含的面积作为烈度标准，认为这个值可以反映地震破坏力的综合效应。其后有两个见诸实施的方案。其一是梅德韦杰夫建议的“仪器烈度”。他设计了一个地震计，由一个双自由度球面摆构成，周期取为0.25秒，对数衰减取为0.50。取摆在地震时的最大位移为烈度指标，因为它象征着普通建筑在地震时的最大摆动。另一是豪斯纳(G.W.Housner)提出的“谱烈度”,即速度反应谱曲线在周期0.1～2.5秒区间内所

包含的面积。他根据大量计算，认为在此周期区间，速度反应谱值是变化不大的，因而设计了一个相应的测定速度谱平均值的地震计。其构造原理和梅德韦杰夫地震计相似，只是周期取0.75秒，阻尼取10％临界阻尼。

早在本世纪初就有人认为地震影响的大小决定于单位时间内地震波通过波前单位面积传递的能量。韦斯特加德(H. M. Westergaard,1933)建议以单位体积的最大动能作为烈度标准。梅德韦杰夫(1961)计算了地震能量密度和地震烈度的关系，并列入他自己编订的烈度表。还有一些建议的烈度标准,不是直接表示地震波能量,而是从它衍生出来的，如加速度平方对时间的积分、加速度均方根等。由于任何单因子和宏观烈度的统计相关性都不够理想；数据的离散度很大，许多研究者逐渐倾向于用多因子来表示烈度，致力于把地面运动的振幅、频率、持续时间的特征都反映到烈度的标准中去；也有的研究者试图用不同的因子来适应不同的情况。总之，什么物理量是烈度的最佳标准还是个探索中的问题，有待于通过进一步的理论探讨和实际观测来谋求解决。

地震烈度的应用 在地震发生之后，可以根据各地烈度的评定绘制等震线图以反映地震影响的全貌及其衰减规律;可以从等震线图的形态推论的特征;从烈度的分布异常研究场地条件对地面震动的影响；还可以以烈度为背景来总结建筑物的抗震经验。古代的历史地震资料,一般只有地震现象的描述，没有仪器记录,也只有通过宏观烈度的概念来加以整理和利用。在防御地震方面，全世界各国通常把国土划分为地震危险程度不同的地区，建立不同的设防标准，称为烈度区划。建筑物的抗震设计通常是在一定地震烈度（宏观烈度或地面运动物理参数）的前提下进行。

抗震等级

抗震等级是设计部门依据国家有关规定，按“建筑物重要性分类与设防标准”，根据

烈度、结构类型和房屋高度等，而采用不同抗震等级进行的具体设计。以钢筋混凝土框架结构为例，抗震等级划分为四级，以表示其很严重、严重、较严重及一般的四个级别。在中国建筑业中，已经开始严格执行这个等级标准。

抗震等级的确定

(1)多高层建筑结构的抗震措施是根据抗震等级确定的，抗震等级的确定与建筑物的类别相关，不同的建筑物类别在考虑抗震等级时取用的抗震烈度与建筑场地类别有关，也就是考虑抗震等级时取用烈度与抗震计算时的设防烈度不一定相同。 (2)建筑结构应根据其使用功能的重要性分为甲、乙、丙、丁类四个抗震设防类别。 建筑的抗震设防类别划分见国家标准《建筑抗震设防分类标准》GB 50223的规定，也可见《建筑抗震设计手册》(1994年版)高层建筑没有丁类抗震设防。

抗震措施的要求

各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符台下列要求： 1)甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

地震烈度是国家主管部门根据地理、地质和历史资料，经科学勘查和验证，对我国主要城市和地区进行的抗震设防与地震分组的经验数值，是地域概念。抗震设防类别分为甲、乙、丙、丁类建筑，全国大部分地区的房屋抗震设防烈度一般为8度。

震级是表示地震强度所划分的等级，中国把地震划分为六级：小地震3级，有感地震3-4.5级，中强地震4.5-6级，强烈地震6-7级，大地震7-8级，大于8级的为巨大地

震。

抗震等级

当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施； 2)丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施.按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。 3)抗震设计时，多高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。A级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3.11确定。当本地区的设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑的抗震等级应按本节第9条规定的特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施。 注：本规程“特一级和一、二、三、四级”即“抗震等级为特一级和一、二、三、四级”的简称。 4)抗震设计时，B级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3-12确定。 5)建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时，对设计基本地震加速度为0 15G和O.30G的地区，宜分别按抗震设防烈度8度(0.20G)和9度(0.40G)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。 6)抗震设计的多高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级，地下室柱截而每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。9度抗震设计时．地下室结构的抗震等级不应低于二级。 7)抗震设计时、与主楼连为整体的裙楼的抗震等级不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶部上、下各一层应适当加强抗震构造措施。 8)房屋高度大、柱距较大而柱中轴力较大时，宜采用型钢混凝土柱、

钢管混凝土柱，或采用高强度混凝土柱。 9)高层建筑结构中，抗震等级为特一级的钢筋混凝土构件，除应符合一级抗震等级的基本要求外，尚应符台下列规定：

⑴框架柱应符合下列要求：

①宜采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱；

②柱端弯矩增大系数`Η_C`、柱端剪力增大系数`Η_VC`.应增大20％；

③钢筋混凝土柱柱端加密区最小配箍特征值`Λ_V`，应按表5-13的数值增大O.02采用；全部纵向钢筋最小构造配筋百分率，中、边柱取1.4％，角柱取1.6％。

⑵框架梁应符合下列要求：

①梁端剪力增大系数≈“应增大20％；

②梁端加密区箍筋构造最小配箍率应增大10％。

⑶框支柱应符合下列要求：

①宜采用型钢混凝士柱或钢管混凝土柱；

②底层柱下端及与转换层相连的柱上端的弯矩增大系数取L.8，其余层柱端弯矩增大系数`Η_R`应增大20％；柱端剪力增大系数`Η_VR`应增大2U％；地震作用产生的柱剪力增大系数取1.8，但计算柱轴压比时可不计该项增大；

③钢筋混凝土柱柱端加密区最小配箍特征值`Λ_R`应按表5-13的数值增大0.03采用，且箍筋体积配箍率不应小于1.6％；全部纵向钢筋最小构造配筋百分率取1.6％。

⑷筒体、剪力墙应符合下列要求：

①底部加强部位及其上一层的弯矩设计值应按墙底截面组合弯矩计算值的1.L倍采用，其他部位可按墙肢组合弯矩计算值的L.3倍采用；底部加强部位的剪力设计值，应按考虑地震作用组合的剪力计算值的1.9倍采用，其他部位的剪力设计值，应按考虑地震作用组合的剪力计算值的L.2倍采用；

②一般部位的水平和竖向分布钢筋最小配筋率应取为0.35％，底部加强部位的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率应取为0.4％；

③约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率应取为1.4％．配箍特征值宜增大20％；构造边缘构件纵向钢筋的配筋率不应小于1.2％；框支剪力墙结构的落地剪力墙底部加强部位边缘构件宜配置型钢，型钢宜向上、下

各延伸一层。

⑸剪力墙和简体的连梁应符合下列要求：

①当跨高比不大于2时，应配置交叉暗撑；

②当跨高比不大于1时，宜配置交叉暗撑；

③交叉暗撑的计算和构造宜符合本书第10章10.7条的规定。

抗震等级的确定

(1)多高层建筑结构的抗震措施是根据抗震等级确定的，抗震等级的确定与建筑物的类别相关，不同的建筑物类别在考虑抗震等级时取用的抗震烈度与建筑场地类别有关，也就是考虑抗震等级时取用烈度与抗震计算时的设防烈度不一定相同。

(2)建筑结构应根据其使用功能的重要性分为甲、乙、丙、丁类四个抗震设防类别。

建筑的抗震设防类别划分见国家标准《建筑抗震设防分类标准》GB 50223的规定，也可见《建筑抗震设计手册》(1994年版)高层建筑没有丁类抗震设防。

抗震措施的要求

各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符台下列要求：

1)甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；

2)丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施.按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。

3)抗震设计时，多高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。A级高度丙类建筑钢筋混

凝土结构的抗震等级应按表3.11确定。当本地区的设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑的抗震等级应按本节第9条规定的特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施。

注：本规程“特一级和一、二、三、四级”即“抗震等级为特一级和一、二、三、四级”的简称。

4)抗震设计时，B级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3-12确定。

5)建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类时，对设计基本地震加速度为0 15G和O.30G的地区，宜分别按抗震设防烈度8度(0.20G)和9度(0.40G)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。

6)抗震设计的多高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级，地下室柱截而每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。9度抗震设计时．地下室结构的抗震等级不应低于二级。

7)抗震设计时、与主楼连为整体的裙楼的抗震等级不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶部上、下各一层应适当加强抗震构造措施。

8)房屋高度大、柱距较大而柱中轴力较大时，宜采用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱，或采用高强度混凝土柱。

9)高层建筑结构中，抗震等级为特一级的钢筋混凝土构件，除应符合一级抗震等级的基本要求外，尚应符台下列规定：

⑴框架柱应符合下列要求：

①宜采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱；

②柱端弯矩增大系数`Η_C`、柱端剪力增大系数`Η_VC`.应增大20％；

③钢筋混凝土柱柱端加密区最小配箍特征值`Λ_V`，应按表5-13的数值增大O.02采用；全部纵向钢筋最小构造配筋百分率，中、边柱取1.4％，角柱取1.6％。

⑵框架梁应符合下列要求：

①梁端剪力增大系数≈“应增大20％；

②梁端加密区箍筋构造最小配箍率应增大10％。

⑶框支柱应符合下列要求：

①宜采用型钢混凝士柱或钢管混凝土柱；

②底层柱下端及与转换层相连的柱上端的弯矩增大系数取L.8，其余层柱端弯矩增大系数`Η_R`应增大20％；柱端剪力增大系数`Η_VR`应增大2U％；地震作用产生的柱剪力增大系数取1.8，但计算柱轴压比时可不计该项增大；

③钢筋混凝土柱柱端加密区最小配箍特征值`Λ_R`应按表5-13的数值增大0.03采用，且箍筋体积配箍率不应小于1.6％；全部纵向钢筋最小构造配筋百分率取1.6％。

⑷筒体、剪力墙应符合下列要求：

①底部加强部位及其上一层的弯矩设计值应按墙底截面组合弯矩计算值的1.L倍采用，其他部位可按墙肢组合弯矩计算值的L.3倍采用；底部加强部位的剪力设计值，应按考虑地震作用组合的剪力计算值的1.9倍采用，其他部位的剪力设计值，应按考虑地震作用组合的剪力计算值的L.2倍采用；

②一般部位的水平和竖向分布钢筋最小配筋率应取为0.35％，底部加强部位的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率应取为0.4％；

③约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率应取为1.4％．配箍特征值宜增大20％；构造边缘构件纵向钢筋的配筋率不应小于1.2％；框支剪力墙结构的落地剪力墙底部加强部位边缘构件宜配置型钢，型钢宜向上、下

各延伸一层。

⑸剪力墙和简体的连梁应符合下列要求：

①当跨高比不大于2时，应配置交叉暗撑；

②当跨高比不大于1时，宜配置交叉暗撑；

钢筋混凝土结构抗震等级

钢筋混凝土结构构件的抗震设计，应根据结构类型、房屋高度、设防烈度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造要求。

注：①设防烈度为6度的建筑（建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑除外）可不进行截面抗震验算，但应符合本章有关的抗震构造要求；

②框架剪力墙结构中，当剪力墙部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的50％时，其框架部分应按框架结构的抗震等级采用；

③有框支层的剪力墙结构，除落地剪力墙底部加强区外，均可按一般剪力墙结构的抗震等级取用；

④房屋高度指室外地面至檐口的高度；

⑤设防烈度为8度的丙类建造且房屋高度不超过12m的规则的一般民用框架结构（体育馆和影剧院除外）和类似的工业框架结构，抗震等级可采用三级；

⑥对设防烈度为6度、7度的地区，当采用有框支层的剪力墙结构时，其房屋高度分别不宜超过120m、100m。

⑦本表所列结构，除铰接排架外，均为现浇钢筋混凝土结构；剪力墙即为现行国家标准《建筑抗震设计规范》中的现浇剪力墙。