建筑物一般是建在地表的松散土層中的。地震波穿過土層后就可到達(dá)建筑物。那么建筑物受到的地震力有多大?應(yīng)該是建筑物的質(zhì)量乘以振動的加速度。地震波可以用位移表示，可以用速度表示，也可以用加速度表示。相應(yīng)地，記錄地震動的儀器有位移地震儀，速度地震儀和加速度地震儀。根據(jù)地震加速度記錄，就可以用建筑物的質(zhì)量計(jì)算出建筑物在地震中受到的地震力。

除了這種簡單地計(jì)算房屋所受地震力的方法以外，還應(yīng)考慮地震波的頻率特性。任何樓房都有固有頻率，對不同頻率的地震波有不同的反應(yīng)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ念l率與樓房的固有頻率接近時，樓房的反應(yīng)，這時樓房的振動形式是整體左右搖擺，稱為振型。樓房底部受到的地震剪力和彎矩。為了保證樓房底部能承受住地震剪力和彎矩，需要計(jì)算確定柱、梁等構(gòu)件的尺寸及其內(nèi)部鋼筋的用量。除了計(jì)算以外，還要根據(jù)我國抗震規(guī)范的要求采取抗震構(gòu)造措施，以增強(qiáng)樓房的整體性。如果注意觀察汶川地震災(zāi)區(qū)樓房破壞的情況就會發(fā)現(xiàn)，有些樓房是中間的某一層垮塌了，而其上、下樓層并沒有垮塌。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)卣鸩ǖ念l率比樓房固有頻率高一倍時，樓房的振動形式不再是整體左右搖擺，而是呈“S”形擺動，稱為振型。當(dāng)樓房以振型振動時，樓房中部某一層受到的剪力和彎矩，在進(jìn)行振型的抗震計(jì)算時，需要找出受地震力的這一層，并根據(jù)對這層的計(jì)算結(jié)果確定樓房梁、柱的尺寸和鋼筋用量。如果頻率再提高，樓房將會以第三振動型振動。一般抗震計(jì)算只算前幾個振動型就夠了，因?yàn)楦哒裥偷牡卣鹆σ呀?jīng)不大了，對于抗震設(shè)計(jì)意義不大。

由此可見，對于建筑物的抗震設(shè)計(jì)來說，較重要的是要知道地震波的加速度和頻率成分。其中頻率成分又按照近震、中震和遠(yuǎn)震來考慮，因?yàn)椴煌l率的地震波隨距離的衰減速度不同。

二、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是怎樣確定的

根據(jù)抗震規(guī)范的要求，樓房應(yīng)大震不倒，小震經(jīng)修復(fù)后可繼續(xù)使用。要滿足這個要求，就得知道在建筑物的使用壽命期內(nèi)將會遭受多大的地震。而不同的地區(qū)，遭受地震的可能性是不同的。如果房屋建得十分堅(jiān)固，固然可以抵抗地震，但是造價(jià)太高，并不經(jīng)濟(jì)。有些地區(qū)，上千年來都沒有發(fā)生過地震，今后幾十年或100年內(nèi)也不會發(fā)生地震的。因此就需要確定合理的抗震設(shè)防水平。

然而確定合理的抗震設(shè)防水平并不容易，因?yàn)椴恢赖卣鸢l(fā)生在何處、何時，震級、烈度有多大。如何解決這四個問題呢?

地震發(fā)生在何處的問題，可根據(jù)活動斷裂帶的位置來確定，因?yàn)橹灰瞧茐男缘臉?gòu)造地震，一定發(fā)生在活動斷裂帶上。例如前述四川境內(nèi)的三條大斷裂都是未來可能發(fā)生地震的潛在震源區(qū)。

對于時間和震級的問題，可以根據(jù)活動斷裂帶上已經(jīng)發(fā)生過的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。我國歷史悠久，較大的地震一般都有記錄，再加上現(xiàn)代地震儀記錄到的地震，可以列出地震發(fā)生的時間表。根據(jù)時間表可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)潛在震源區(qū)內(nèi)的地震都具有周期性。對兩次地震之間的時間間隔和震級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就可以得到震級——頻度關(guān)系以及時間和震級的概率分布，于是，某潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生一次某級地震的可能性，就可以用各潛在震源區(qū)地震發(fā)生的概率來表示。

某地遭遇的地震烈度問題，也可以根據(jù)歷史地震記錄，統(tǒng)計(jì)地震烈度隨距離衰減的情況，得到震級——距離——烈度關(guān)系。把這個關(guān)系代入到地震發(fā)生的概率模型中，就可以計(jì)算某地遭遇一次某烈度地震的可能性。還可以統(tǒng)計(jì)地震烈度與地震波加速度的關(guān)系，就可以得到某地遭遇一次某指定加速度的可能性。

計(jì)算結(jié)果表明，遭遇的烈度或加速度越大，可能性就越小。反之，如果給定一個烈度，則可計(jì)算出超過給定烈度的概率，這個概率叫超越概率。那么某地按多大的地震烈度設(shè)防較合理的問題，就轉(zhuǎn)換成了取多大的超越概率較合理的問題。這樣說還不太容易理解，舉個簡單的例子。人過馬路時要冒被車撞的風(fēng)險(xiǎn)。車速越快，距離越近，冒的風(fēng)險(xiǎn)就越大。如果冒的風(fēng)險(xiǎn)在一定的水平以下，過線路就安全，超過這個風(fēng)險(xiǎn)水平，就危險(xiǎn)。這個超過的風(fēng)險(xiǎn)水平就是超越概率。

如果將建筑物堅(jiān)固程度相關(guān)的造價(jià)與遭遇某烈度地震的可能性聯(lián)合起來考慮，就可以得到超越概率與造價(jià)之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)超越概率取百分之十幾時較合理。十分接近黃金分割?？紤]到安全系數(shù)，抗震規(guī)范中規(guī)定取50年內(nèi)超越概率為10％所對應(yīng)的烈度作為設(shè)防烈度。例如北京地區(qū)的房屋是按地震烈度八度進(jìn)行設(shè)防的。也就是說，在小于八度地震的作用下，房屋經(jīng)過修復(fù)可以正常使用，遇到更大的地震烈度時不至于倒塌。

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