浅谈房屋的平面形状与抗震

2022-09-12

1 地震及地震产生的原理

地球可分为三层。中心层是地核;中间是地幔;外层是地壳。地震一般发生在地壳之中。地壳内部在不停地变化, 由此而产生力的作用, 使地壳岩层变形、断裂、错动, 于是便发生地震。但其发生占总地震7%～2 1%, 破坏程度是原子弹的数倍, 所以超级地震影响十分广泛, 也是十分具破坏力。

地震产生的震波, 在一定范围内引起地面振动的现象。在海底或滨海地区发生的强烈地震, 能引起巨大的波浪, 称为海啸。地震是极其频繁的, 全球每年发生地震约500万次。

地震波发源的地方, 叫作震源 (f o c u s) 。震源在地面上的垂直投影, 地面上离震源最近的一点称为震中。它是接受振动最早的部位。震中到震源的深度叫作震源深度。通常将震源深度小于7 0公里的叫浅源地震, 深度在70-300公里的叫中源地震, 深度大于3 0 0公里的叫深源地震。对于同样大小的地震, 由于震源深度不一样, 对地面造成的破坏程度也不一样。震源越浅, 破坏越大, 但波及范围也越小, 反之亦然。

破坏性地震一般是浅源地震。如1 9 7 6年的唐山地震的震源深度为1 2公里。

地震所引起的地面振动是一种复杂的运动, 它是由纵波和横波共同作用的结果。在震中区, 纵波使地面上下颠动。横波使地面水平晃动。由于纵波传播速度较快, 衰减也较快, 横波传播速度较慢, 衰减也较慢, 因此离震中较远的地方, 往往感觉不到上下跳动, 但能感到水平晃动。

当某地发生一个较大的地震时, 在一段时间内, 往往会发生一系列的地震, 其中最大的一个地震叫做主震, 主震之前发生的地震叫前震, 主震之后发生的地震叫余震。

地震具有一定的时空分布规律。

从时间上看, 地震有活跃期和平静期交替出现的周期性现象。

从空间上看, 地震的分布呈一定的带状, 称地震带, 主要集中在环太平洋和地中海—喜马拉雅两大地震带。太平洋地震带几乎集中了全世界8 0%以上的浅源地震 (0千米～70千米) , 全部的中源 (70千米～300千米) 和深源地震, 所释放的地震能量约占全部能量的80%。

地震发生时, 最基本的现象是地面的连续振动, 主要是明显的晃动。

极震区的人在感到大的晃动之前, 有时首先感到上下跳动。这是因为地震波从地内向地面传来, 纵波首先到达的缘故。横波接着产生大振幅的水平方向的晃动, 是造成地震灾害的主要原因。

地震对自然界景观也有很大影响。最主要的后果是地面出现断层和地裂缝。大地震的地表断层常绵延几十至几百千米, 往往具有较明显的垂直错距和水平错距, 能反映出震源处的构造变动特征 (见浓尾大地震, 旧金山大地震) 。但并不是所有的地表断裂都直接与震源的运动相联系, 它们也可能是由于地震波造成的次生影响。特别是地表沉积层较厚的地区, 坡地边缘、河岸和道路两旁常出现地裂缝, 这往往是由于地形因素, 在一侧没有依托的条件下晃动使表土松垮和崩裂。地震的晃动使表土下沉, 浅层的地下水受挤压会沿地裂缝上升至地表, 形成喷沙冒水现象。大地震能使局部地形改观, 或隆起, 或沉降。使城乡道路坼裂、铁轨扭曲、桥梁折断。在现代化城市中, 由于地下管道破裂和电缆被切断造成停水、停电和通讯受阻。煤气、有毒气体和放射性物质泄漏可导致火灾和毒物、放射性污染等次生灾害。在山区, 地震还能引起山崩和滑坡, 常造成掩埋村镇的惨剧。崩塌的山石堵塞江河, 在上游形成地震湖。

壳的压力, 有时也会诱发地震。

2 以下是国家地震局发布的3月份, 我国境内的地震信息。地震的作用力

我们最熟悉的波动是观察到水波。当向池塘里扔一块石头时水面被扰乱, 以石头入水处为中心有波纹向外扩展。这个波列是水波附近的水的颗粒运动造成的。然而水并没有朝着水波传播的方向流;如果水面浮着一个软木塞, 它将上下跳动, 但并不会从原来位置移走。这个扰动由水粒的简单前后运动连续地传下去, 从一个颗粒把运动传给更前面的颗粒。这样, 水波携带石击打破的水面的能量向池边运移并在岸边激起浪花。地震运动与此相当类似。我们感受到的摇动就是由地震波的能量产生的弹性岩石的震动。

3 地震力作用下房屋的变形与受力分析

地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。地震对房屋的作用以波的方式传递过来, 地震被按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波是推进波, 地壳中传播速度为5.5～7千米/秒, 最先到达震中, 又称P波, 它使地面发生上下振动, 破坏性较弱。横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒, 第二个到达震中, 又称S波, 它使地面发生前后、左右抖动, 破坏性较强。面波又称L波, 是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强, 只能沿地表面传播, 是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

简谐振动在空间传递时形成的波动称为简谐波, 简谐波是一种最基本, 最简单的波, 其他的波可以看作是由若干简谐波合成的.其波函数为正弦或余弦函数形式。各点的振动具有相同的频率v, 称为波的频率, 频率的倒数为周期, 即T=1/v。在波的传播方向上振动状态完全相同的相邻两个点间的距离称为波长, 用λ表示, 波长的倒数称波数。单位时间内扰动所传播的距离u称为波速。波速、频率和波长三者间的关系为u=vλ。波速与波的种类和传播介质的性质有关。波的振幅和相位一般是空间位置r的函数。空间等相位各点连结成的曲面称波面, 波所到达的前沿各点连结成的曲面必定是等相面, 称波前或波阵面。常根据波面的形状把波动分为平面波、球面波和柱面波等, 它们的波面依次为平面、球面和圆柱面。实际的波所传递的振动不一定是简谐振动, 而是较复杂的周期运动, 称为非简谐波。任何非简谐波都可看成是由许多频率各异的简谐波叠加而成。

地震横波使房屋产生水平方向的运动, 使之产生弯曲变形, 弯曲变形产生的正应力和剪切应力的大小受房屋抗弯刚度W的影响, W越大正应力越小, 反之则越大。

相同面积的工字型截面、圆形截面、矩形截面、环形截面、槽型截面, 他们的抗弯刚度W是不一样的, 其中工字型截面的抗弯刚度最大, 然后是槽型, 然后是矩形、环形、圆形;所以在同一地震力的作用下, 最安全的建筑应该是工字型截面的建筑, 然后是槽型、环形、矩形、圆形。 (面积越分散, 抗弯刚度越大, 抗震效果越好。)