1.5地震的主要影响是什么？

地震的主要表现是沿着断层滑动带发生的地面直接永久位移。这种位移可以是水平的，垂直的，或者两者兼而有之，范围从几厘米到几米。有时，地震中沿断层发生的永久性差异性地面位移直接传播到地表，并以垂直运动的陡峭断层陡崖或陡崖的形式可见（图1-6），或水平地面位移的裂缝（图1-7）。

图1-6内华达沙漠迪克西1954年山谷地震造成的断层崖。（K.V.Steinbrugge摄影）

图1-7公路中心线偏移，1988年，亚美尼亚，斯皮塔克，地震。（P.Yanev摄）

这种突然的地面位移所产生的力是如此之大，以致于设计结构以承受这种影响变得不切实际。避免地表断层破裂造成损害的最佳设计策略是避免在已知活动断层的痕迹上建造建筑。大多数建筑都不是建在这些遗迹上的，直接断层破裂很少破坏建筑物。地表断层破裂会对管道、公路、桥梁、铁路和其他有时必须穿越活动断层的长线性结构造成严重破坏。

地震的影响，通常造成最大的损害是剧烈的地面震动，这是由断层破裂释放的能量通过地壳和上覆土壤向外辐射而引起的。这种地面震动以地面剧烈振动的形式出现。根据特定场地的特征、其与断层破裂带的接近程度、破裂类型及其震级，振动可具有广泛的频率内容，破坏性振动的频率为0.2赫兹至100赫兹。地震动对建筑环境造成的地震破坏占90%以上，是建筑规范所要解决的主要地震灾害。

除了破坏建筑物外，剧烈的地面震动也会导致地面不稳定。最常见的地震引起的地面失稳是滑坡，它通常是由地震引起的陡坡场地。地震引发的山体滑坡可能非常大，已经知道会摧毁整个住宅区和市中心区。

地震引起的另一个地面不稳定性是土壤液化。当松散的粒状土壤（包括淤泥和沙子）发生强烈的地面震动时，这会使材料密实。如果土壤饱和，当它变密时，颗粒向下移动，迫使地下水向上。会产生非常高的地下水压力，导致临时间歇泉喷发，从地面喷出水和土壤。当这种物质被喷射出来时，地面会出现较大的不均匀沉降。此外，当发生液化时，土壤中可能会出现一种快速状态，即土壤中的有效应力暂时丧失，承载力也会丧失。当这种情况发生时，支撑在土壤上的结构可能会出现极端沉降。图1-8为一个液化实例。

图1-8 1964年日本黑田地震，因土壤液化引起的公寓楼沉降。（图片由华盛顿大学提供）

如果液化发生在斜坡场地或陡峭路堑附近，例如河流沿线，液化土会开始向下和向外流动，导致地表出现较大的、不均匀的、永久性的垂直和水平位移。如图1-9所示，这种现象称为横向扩展。液化一直是桥梁和港口损坏的常见原因。

图1-9 1959年河本湖地震，黄石公园附近公路路面的横向扩展破坏。（图片由美国地质调查局提供）

1.6地震如何影响建筑物？

如果建筑工地发生断层破裂、滑坡、液化或侧向扩展，由此产生的永久性地面变形可能会将结构撕裂。因此，很难设计结构来抵抗这些影响。

一些基础类型能够更好地抵抗这些永久性地面变形，并为结构提供一些保护。例如，使用桩基础，将桩延伸到预期的土壤液化区以下，可以有效地减轻这种危害的影响。在抵抗因断层破裂或侧向扩展引起的中等地表变形时，使用重加筋垫层也能有效。

大多数地震引起的建筑物损坏是建筑物对地面震动反应的结果。当建筑场地的地面震动时，建筑物的地基将以与周围地面相似的方式振动。因为所有的结构都有质量，因此，惯性和一定的灵活性，当地面和地基开始移动时，结构会有些滞后。也就是说，相对于高架楼板和屋顶，结构底部将发生横向和垂直位移。由于结构具有刚度，在结构中引起的相对位移会产生力，进而使结构产生进一步的变形。这个过程将在整个地震期间重复，楼层和屋顶相对于地面和彼此移动。一旦地面震动停止，结构中的阻尼最终会消散地震传递给它的能量，结构就会静止下来。

地震引起的结构力和变形量是地震动的振幅和频率、结构的动力特性和强度的函数。每种结构都有其独特的固有振动模式，每一种模式都具有变形的形状和频率。这些固有振型是结构质量和刚度分布的函数。

如果一个结构被位移成一个与其固有模态相匹配的变形形状，然后被释放，它将以这种变形的形状在模态频率上来回振动，直到运动被阻尼。地震具有广泛的频率内容，往往会激发结构的每一个自然模式，使结构经历多种变形形式，同时振动。如果一个特定的地面运动在与结构的一个或多个固有模态相似的频率下具有很强的能量含量，则结构将在该模式下产生共振并强烈振动。

由于每座建筑物的固有振型都是独特的，一次地震对每座建筑物的影响也不同，有些建筑物在某些振型下会发生强烈反应，而另一些建筑物则会在其他振型下发生强烈反应。此外，当结构受到强烈振动的破坏时，其刚度和模态特性也会发生变化。有时这种刚度变化是有益的，并允许建筑物与最强烈的震动影响脱节。有时这种模态特性的变化会导致地震向结构传递更多的能量，造成更大的破坏。这些影响变得更加复杂，因为即使在一次地震中，每个地点所经历的地面震动的特征也往往有所不同。因此，在附近的地点看到类似的建筑并不少见，它们受到一次地震的影响非常不同。

当结构对地面震动的反应所引起的变形和力超过某些构件的强度时，建筑物就会遭受结构破坏。这种结构中的脆性构件容易断裂并失去强度。脆性构件的例子包括无钢筋砌体墙，在剪切应力过大时开裂，无侧限混凝土构件在压缩超载下破碎。延性构件能够变形超过其弹性强度极限并继续承载载荷。延性构件的例子包括抗张拉筋和抗弯框架中充分支撑的梁。

当结构构件在地震中受到破坏时，结构将变得更弱和更柔，因此侧向变形会变得非常大。如果侧向变形过大，结构可能发生P-∆失稳和倒塌。当重力承载构件（如梁或柱）严重损坏，无法再支撑结构物的重量时，会发生局部倒塌。非结构构件，包括覆层、天花板系统、机械设备和管道，也可能因地震震动而受损。

即使是在地震危险性很高的地区，如加州沿海地区，严重地震也很少发生。大多数建筑物将永远不会经历强烈到足以造成大范围破坏的地震。因此，出于经济原因，建筑规范采用了一种设计理念，即允许建筑物的设计能够使其受到可能影响它们的不常见的严重地震的破坏，同时试图要求足够的抵抗力，以防止倒塌和严重危及生命安全。对于那些需要地震灾后恢复所必需的重要功能的建筑，包括医院、消防站、应急通信中心和类似结构，建筑规范采用了更为保守的标准，其目的是尽量减少建筑在地震后严重受损，无法用于预期功能的风险。