1.4　地震的震级与地震烈度

地震能否使某一地区的建筑物受到破坏,主要取决于地震本身的大小和该区距震中的远近,距震中越远则受到的振动越弱,所以需要有衡量地震本身大小和某一地区振动强烈程度的两个尺度,这就是震级和烈度,地震的震级用来衡量一次地震大小的等级,而地震烈度是用来衡量地震破坏作用大小的一个指标。它们之间有一定联系,但却是两个不同尺度。

1.4.1　地震震级

地震震级(magnitude)是表示地震本身大小的尺度,是由地震所释放出来的能量大小所决定的。释放出来的能量越大则震级越大。由于一次地震所释放的能量是固定的,每次地震只有一个震级。如四川汶川大地震,震级为M8.0。

地震释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。由于远离震中波动要衰减,不同地震仪的性能不同,记录的波动振幅也不同,所以必须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。

目前,国际上比较通用的是里氏震级(常用ML表示),其原始定义是里克特(C.F.Richter)于1935年提出的。其定义如下:在离震中100km处用伍德-安德生(Wood-Anderson)式标准地震仪(摆的自振周期0.8s、阻尼系数0.8、放大信率2800倍)所记录到的最大水平地动位移(振幅A,以微米计)的常用对数值。即

由于地震发生时不可能正好在100km处记录,而且所使用的仪器也不尽相同,所以一般需要根据震中距和使用的仪器对实测的震级进行适当的修正。公式1.4.2为日本气象厅关于发生地震时,通过不同震中距埋置的强震计测得最大位移振幅求震级的计算公式。

式中:Δ为震中距;Am为震中距为Δkm处埋置的强震计地震引起的最大位移幅值,μm。

震级的大小直接与震源释放的能量有关。震级M与地震释放能量E(单位为“尔格”,1尔格=10-7J)之间有如下关系:

不同震级的地震通过地震波释放出来的能量大致如表1.4.1所示的震级和震源发出总能量的关系。

由上表可知,震级每差一级,地震释放的能量相差接近32倍,震级差两级,地震释放的能量相差近1000倍。

按震级的大小,地震可分为微震(震级小于2级),有感震级(地震2～5级),中强地震(震级5～7级)和强震(震级大于7级)。微震只有通过仪器才能记录到,有感地震一般人可以感觉到震感,中强地震能造成不同程度的破坏,而强震往往具有巨大的破坏性。

1.4.2　地震烈度

地震等级是根据地震仪记录推算地震时的能量而划分的,它表示某次地震释放能量的大小。但在历史上是没有地震仪记录的。甚至在今天,地震仪的使用也不是非常普及。而记录地震的强弱是靠一些地物破坏现象和人等生物的感觉来判别,也就是说确定地震的大小按一些宏观现象作为依据,因而就引出了另一个地震破坏程度的概念——地震烈度。

地震烈度(seismic intensity)是表明地震对地面影响的强烈影响,它不仅仅取决于地震能量,同时也受震源深度、震中距离、地震波的传播介质及表土性质等条件的影响。

地震烈度是根据地震时人的感觉、器物动态、建筑物毁坏及自然现象的表现等宏观现象判定的。地震时按其破坏程度的不同,而将地震的强弱排列成一定的次序作为确定地震烈度的标准,这就是地震烈度表。由于地震烈度是以宏观现象为依据进行划分的,往往给人一种不够精确的印象,并且评比不易精确。为此,通过大量的客观实践,地震数据观测,总结出地震烈度与地震最大加速度的关系,以便地震烈度在工程上应用。目前我国已制定出地震烈度表,见表1.4.2。

表1.4.2将地震烈度分为12度,每一烈度均有相应的地震加速度和地震系数以及相应的地震情况,作为确定地震烈度的标准。

地震烈度Ⅴ度以下的地区,具有一般安全系数的建筑物是足够稳定的,不会引起破坏。地震烈度达到Ⅵ度地区,一般建筑物是不采取加固措施,但要注意地震可能造成的影响。地震烈度达Ⅶ～Ⅸ度的地区,会引起建筑物的损坏,必须采取一系列防震措施来保证建筑物的稳定性和耐久性。Ⅹ度以上的地震区有很大的灾害,选择建筑物场地时应予避开。

地震烈度的本身又可分为基本烈度、建筑场地烈度和设计烈度。

1.基本烈度

基本烈度(basic intensity)是指一个地区在今后一定时期内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。这就是指从震源发出来的能量在较大区域的影响程度。基本烈度一般靠近震中烈度大,远离震中烈度小。基本烈度的划分已列于表1.4.2中。

鉴定和划分各地区地震烈度大小的工作,称为烈度区域划分,简称烈度区划。基本烈度的区划,不应只以历史地震资料为依据,而应采取地震地质与历史地震资料相结合的方法,进行综合分析,深入研究活动构造体系与地震的关系,才能做到较准确的区划。各地基本烈度定得准确与否,与该地工程建设的关系甚为密切。如烈度定得过高,提高设计标准,会造成人力和物力上的浪费;定得过低,会降低设计标准,一旦发生较大地震,必然造成损失。

2.建筑场地烈度

建筑场地烈度(site intensity)也称小区域烈度,是指建筑场地内地质条件、地貌地形条件和水文地质条件的不同而引起基本烈度的降低或提高的烈度。一般来说,建筑场地烈度比基本烈度提高或降低半度或一度。

基本烈度提供的是地区内普遍遭遇的烈度,具体场地的地震烈度与地区内的平均烈度常常是有差别的。对许多地震的调查研究表明,在烈度高的地区内可以包含有烈度较低的部分,而在烈度低的地区内也可以包含有烈度较高的部分,也就是常在地震灾害报道中出现“重灾区里有轻灾区,轻灾区里有重灾区”的情况。一般认为,这种局部地区烈度上的差别,主要是受局部地质构造、地基条件以及地形变化等因素所控制。通常把这些局部性的控制因素称为小区域因素或场地条件。在重大工程建设时,一般需要进行建筑场地抗震安全评估,来确定建筑场地烈度。

3.设计烈度

设计烈度(design intensity)是指抗震设计所采用的烈度,它是根据建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的经济性等条件对基本烈度的调整。设计烈度一般可采用国家批准的基本烈度。但遇不良的地质条件或有特殊重要意义的建筑物,经主管部门批准,可对基本烈度,加以调整作为设计烈度。

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)综合多方面因素提出设防烈度概念,即设防烈度是指国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的抗震烈度。一般情况,取50年内超越概率10%的地震烈度。

《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)及《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B 02-01—2008)抗震设防烈度定为6～9度,并规定6度区建筑以加强结构措施为主,一般不进行抗震验算;设防烈度为9度及以上地区的抗震设计宜按有关专门规定执行。

1.4.3　震级与地震烈度的关系

震级与地震烈度既有区别,又相互联系。一次地震,只有一个震级,但是不同的地区地震烈度大小是不一样的。震级是说这次地震释放能量大小的量级,而地震烈度是说该地的地震破坏程度。烈度不仅与震级有关,同时与震源深度、震中距以及地震波通过的介质条件(如岩石的性质,岩层的构造)等多种因素有关。震中烈度与震级、震源深度的关系大致见表1.4.3。