建筑结构基础第12章 地震作用与结构抗震
地震作用与结构抗震验算
第一节地震作用
• 2.按作用大小分 • 地震作用按其作用大小可分为:多遇地震作用、基本地震作用和预
估的罕遇地震作用。下节主要介绍多遇地震作用的计算方法。
• 四、水平地震作用与风荷载的区别
• 水平地震作用与风荷载都是以水平作用为主的形式作用在建筑物上 的，但是它们作用的表现形式和作用时间的长短是有很大区别的。因 此，在结构设计中要求结构的工作状态是不同的。
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第二节地震作用的计算
• 一、动力计算简图
• 实际结构在地震作用下颠簸摇晃的现象十分复杂。在计算地震作用 时，为了将实际问题的主要矛盾突显出来，然后运用理论公式进行计 算设计，需将复杂的建筑结构简化为动力计算简图。
• 例如:对于图4-1(a)所示的实际结构一水塔，在确定其动力计算简图 时，常常将水箱及其支架的一部分质量集中在顶部，以质点m来表示; 而支承水箱的支架则简化为无质量而有弹性的杆件，其高度等于水箱 的重心高，其动力计算简图如图4-1(b)所示。这种动力计算体系称为 单质点弹性体系。
• ３)整根桩应一次连续压到设计标高,当必须中途 停压时,桩端应停留在软弱土层中,且停压的间隔 时间不宜超过２４h;
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第一节地震作用
• 1.作用形式 • 风荷载是直接作用于建筑物表面上的压(吸)力，只和建筑物的体形、
高度、环境(地面粗糙度、地貌、周围的楼群)、受风面积大小等有关; 而地震作用都是由质量受振动而引发的惯性力，地震作用是通过场地、 地基、基础作用于结构上部的。 • 2.作用时间 • 风荷载的作用时间长，发生的机遇也多，因而要求结构在风荷载作 用下不能出现较大的变形，结构处于弹性工作状态;相反，发生地震 的机遇少，持续时间也短，但作用剧烈，故要求做到“小震不坏，中 震可修，大震不倒”。
结构抗震等级的基础知识
在结构钢筋工程量计算中，根据国家建筑规范图集受拉钢筋抗震锚固长度ℓae须参照钢筋种类与直径、砼强度等级与抗震等级取值。
以下为抗震等级的定义介绍：一、抗震等级是怎么样确定的？1、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2、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、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。
3、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。
二、建筑结构抗震等级的一般规定(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。
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。
新抗震规范——地震作用和结构抗震验算
5 地震作用和结构抗震验算5.1 一般规定5.1.1各类建筑结构的地震作用，应符合下列规定：1一般情况下，应至少在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
2有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
3质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
48、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用5平面投影尺度很大的空间结构，应视结构形式和支承条件，分别按单点一致、多点、多向或多向多点输入计算地震作用。
注：8、9度时采用隔震设计的建筑结构，应按有关规定计算竖向地震作用。
【说明】本次修订，拟明确大跨空间结构地震作用的计算要求。
1、平面投影尺度很大的空间结构指，跨度大于120m、或长度大于300m、或悬臂大于40m的结构。
2、关于结构形式和支承条件（1）周边支承空间结构，如：网架、单、双层网壳、索穹顶、弦支穹顶屋盖和下部圈梁-框架结构，当下部支承结构为一个整体、且与上部空间结构侧向刚度比大于等于2时，应允许采用三向（水平两向加竖向）单点一致输入计算地震作用；当下部支承结构由结构缝分开、且每个独立的支承结构单元与上部空间结构侧向刚度比小于2时，应采用三向多点输入计算地震作用；（2）两线边支承空间结构，如：拱，拱桁架；门式刚架，门式桁架；圆柱面网壳等结构，当支承于独立基础时，应采用三向多点输入计算地震作用。
（3）长悬臂空间结构，应视其支承结构特点，采用多向单点一致输入、或多向多点输入计算地震作用。
3、关于单点一致输入仅对基础底部输入一致的加速度反应谱或加速度时程进行结构计算。
4、关于多向输入沿空间结构基础底部，三向同时输入，其地震动参数（加速度峰值或反应谱峰值）比例取：水平主向：水平次向：竖向= 1.00：0.85：0.65。
地震作用和结构抗震验算
地震作用和结构抗震验算5.1 一般规定5.1.1各类建筑结构的地震作用应符合下列规定：1 一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
2 有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
3 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
4 8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。
注:8、9度时采用隔震设计的建筑结构应按有关规定计算竖向地震作用。
5.1.2各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：1 高度不超过40m 以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。
2 除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。
3 特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.21所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符其加速度时程的最大值可按表5.1.2-2采用。
弹性时程分析,时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。
注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
4 计算罕遇地震下结构的变形，应按本章第5.5节规定，采用简化的弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法。
注：建筑结构的隔震和消能减震设计应采用本规范第12章规定的计算方法。
建筑抗震设计基本知识
| xg |max
Sa g
《规范》根据烈度、场地类别、结构自振周期及阻尼 比等绘出了地震影响系数曲线（下图）
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第十四章
地震作用和结构的抗震验算
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地震作用和结构的抗震验算
FEK GEK
单质点水平地震作用标准值为；
（二）自振周期的计算 单质点自振周期：
等效剪切波速vse
vse d0
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(d / v
i 1 i
n
si
)
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建筑场地的划分：
２.场地的选择 选择建筑场地时，应对抗震有利、不利和危险地段作 出综合评价。
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建筑场地的划分：
２.场地的选择 选择建筑场地时，应对抗震有利、不利和危险地段作 出综合评价。
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１４.４结构的自振周期 一、能量法 能量守恒定律：Tmax U max
1 2 n Tmax 1 mi xi2 2 i 1 1 n U max mi gxi 2 i 1
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地点地面和建筑物受破坏的程度，也反映该地地面运动速 度和加速度峰值的大小。 ２.地震烈度的统计分布
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地震作用和结构的抗震验算
众值烈度比基本烈度低1.55度；罕遇烈度比基本烈度 高1度左右。 ３.设计地震分组 《规范》附录Ａ列出了我国抗震设防区各县级及县级 以上城镇中心地区的分组。 ４.抗震设防烈度 是指按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依 据的地震烈度。一般情况下，它与地震基本烈度相同。 14.2抗震设计的基本要求 一、建筑抗震设防分类和设防标准
砌体结构抗震设计一般规定.
2.抗震设计的一般规定
（1）底部框架-抗震墙房屋的结构布置，应符合下 列要求：
1）上部的砌体抗震墙与底部的框架或抗震墙应对齐 或基本对齐。
2）房屋的底部，应沿纵横两个方向设置一定数量的 抗震墙，并应均匀对称布置或基本均匀对称布置。
6、7度且总层数不超过五层的底部框架-抗震墙 房屋，应允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙， 但应计入砌体墙对框架的附加轴力和附加剪力；其 余情况应采用钢筋混凝土抗震墙。
２）采用普通砖抗震墙时，其构造应符合下列要求： ①墙体厚度不应小于240mm，砌筑砂浆强度等级不
应低于M10，并应先砌墙后浇筑框架柱。
②沿框架柱高每500mm配值2φ6拉结钢筋，并沿砖 墙全长设置；在墙体半高处尚应设置与边框柱相连的 钢筋混凝土水平系梁。
③墙长大于5m时，应在墙内增设钢筋混凝土构造 柱。
1)房屋的最大开间尺寸不宜大于6.6m。 2)同一结构单元内横墙错位数量不宜超过横墙总 数的1/3，且连续错位不宜多于两道；错位墙体交接处 均应增设构造柱，且楼（屋）面板应采用现浇钢筋混 凝土板。 3)横墙和内纵墙上洞口的宽度不宜大于1.5m；外 纵墙上洞口的宽度不宜大于2.1m或开间尺寸的一半； 且内外墙上洞口位置不应影响内外纵墙与横墙的整体 连接。
12.3.2抗震设计的一般规定 1.多层房屋的层数和高度应符合下列要求： 1）一般情况下，房屋的层数和总高度不应超过表
12.3.1的规定。 2）医院、教学楼等及横墙较少的多层砌体房屋，
总高度比表12.3.1中的规定降低3m层数相应减少一层； 各层横墙很少的多层砌体房屋，还应根据具体情况再适 当降低总高度和减少层数。
②抗震墙的厚度不宜小于160mm，且不应小于墙板 净高的１/20；抗震墙宜开设洞口使其形成若干墙段， 各墙段的高宽比不宜小于2。
抗震规范
5 地震作用和结构抗震验算5.1一般规定5.1.1各类建筑结构的地震作用，应符合下列规定：1 一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
2 有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
3 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
4 8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。
注：8、9度时采用隔震设计的建筑结构，应按有关规定计算竖向地震作用。
5.1.2各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：1高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。
2除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。
3特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震特征周期分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值可按表5.1.2-2采用。
弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65％，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80％。
2注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
4计算罕遇地震下结构的变形，应按本章5.5节规定，采用简化的弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法。
注：建筑结构的隔震和消能减震设计，应采用本规范12章规定计算方法。
建筑结构抗震基本知识
建筑设计首先应树立建筑抗震理念， 建筑设计首先应树立建筑抗震理念，通过合理的空间组合与艺术处理实现建 筑目标， 的处理手法。 筑目标，不应一味追求 “奇、特、怪”的处理手法。这在当前建筑环境下有一定 难度，但需注意“不应采用严重不规则的建筑方案”是国家工程建设强制性标准。 难度，但需注意“不应采用严重不规则的建筑方案”是国家工程建设强制性标准。
框架的节点是梁柱共有的部分， 框架的节点是梁柱共有的部分，节点的破坏就意味着梁柱 的失效。 的失效。 相对于构件（比如梁柱）破坏来说， 相对于构件（比如梁柱）破坏来说，节点破坏的后果更严 梁柱节点一旦破坏，结构就成了机构， 重。梁柱节点一旦破坏，结构就成了机构，失去了承载能 如果梁柱局部破坏， 力。如果梁柱局部破坏，那么结构还是具有一定承载能力 的。因此要求节点不能先于构件破坏。 因此要求节点不能先于构件破坏。 措施： 措施：节点核心区单独进行抗剪承载力计算 节为有效约束节点核心区混凝土， 节为有效约束节点核心区混凝土，箍筋要加密
三、抗震概念设计的基本要求
抗震设计主要包括三个方面
•概念设计
•计算设计
•构造设计
概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造， 概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造， 以达到合理抗震设计的目的。 以达到合理抗震设计的目的。
1.场地选择
慎重选择建设场地。 慎重选择建设场地。
建筑场地事关建筑安全，要坚决避开地震断层、 建筑场地事关建筑安全，要坚决避开地震断层、滑 坡泥石流等危险地段，汶川地震中有三分之一的灾害来 坡泥石流等危险地段， 自滑坡泥石流等次生地质灾害， 自滑坡泥石流等次生地质灾害，而直接位于断层上的建 筑，无论其如何坚固，也无法抗御地壳运动的巨大冲击。 无论其如何坚固，也无法抗御地壳运动的巨大冲击。
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12.1
1及其分类 地震是一种自然现象，由于地面运 动而引起的振动。振动的原因是由于地 壳板块的构造运动，造成局部岩层变形 不断增加、局部应力过大，当应力超过 岩石强度时，岩层突然断裂或错动，释 放出巨大的变形能。这种能量除一小部 分转化为热能外，大部分以地震波的形 式传到地面引起局部地面振动。这种地 面震动称为地震 1
本烈度。
3
2、地震分类
（1）地震按其成因分 地震按其成因可分成四种：构造地震、火山地震、陷 落地震和诱发地震
浅源地震(震源深度＜60 km)
（2）按震源深度分
中源地震(震源深度60 ~300km) 深源地震(震源深度＞300 km)
4
12.1.2地震强度 1、地震震级
地震的震级是衡量一次地震释放能量大小的等级，用符
在往复水平地震作用下，即产生斜裂缝，甚至倒塌
18
（3）地基和其它原因造成的震害 建造在软弱地基土的高柔建筑物，烈度虽不甚高，但由
于结构自振周期与地基土卓越周期接近，发生类共振而导致 建筑物破坏 的例子也是屡见不鲜。
防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞也容易造成震
害。
19
12.1
地震的基本知识
12.2.1抗震的设防的依据和目标 1、抗震设防的依据 我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，抗震 设防烈度为 6 度及以上地区的建筑物必须进行抗震设计。抗震 设防烈度是一个地区的建筑抗震设防依据，抗震设防烈度必须 按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定。
7
13
抗震的基本知识
2、地震烈度 地震烈度是指地震发生时在一定地点振动的强烈程度， 它表示该地点地面和建筑物受破坏的程度（宏观烈度）， 也反映该地地面运动速度和加速度峰值的大小（定值烈 度）。地震烈度与建筑所在场地、建筑物特征、地面运动 加速度等有关。一次地震只有一个震级，而不同地点则会 有不同的地震烈度，用I来表示。 注：震级与烈度是不同的概念。
13
（6）房屋附属物的破坏 突出屋面的屋顶间（电梯机房、水箱间等）、烟囱、
女儿墙，由于“鞭端效应”引起破坏。房屋附属物的破 坏比下部主体结构破坏严重。6度区有所破坏，7度区普 遍 破坏，8-9度区几乎全部破坏或倒塌。
14
2、 多层框架房屋的震害
（1）框架梁、柱和节点的震害
(d)
框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重 于梁，柱顶震害重于柱底，角柱震害重于内柱，短柱震害重
（2）震源、震中、震中距、震源深度
地面某处
震中距 震中
地面
浅源地震(震源深度＜60 km)
震源深度 地震波 中源地震(震源深度60 ~300km)
震源
深源地震(震源深度＞300 km)
2
（3）地震基本烈度
地震的发生具有一定的随机性，通常采用概率的方法 来预测某地区在未来一定时间内可能发生地震的最大烈度， 一个地区的基本烈度是指在50年期限内，一般场地条件下 可能遭遇超过概率为10%的地震烈度值，该烈度称为地震基
与地震释放能量E（单位erg）之间有如下关系
lgE =1.5M + 11.8
释放的 能量 里氏震 级
当震级相差1级时，地面振幅相差 10倍。震级差1 级，能量相差32倍。
6
13
抗震的基本知识
微震：M<2 有感地震：M=2~4 根据M的大小可地震分为： 破坏性地震：M>5 强烈地震：M=7~8
特大地震：M>8
于一般柱，震害情况如下：
①柱顶 柱顶周围有水 平裂缝、斜裂缝或 交叉裂缝。重者混 凝土压碎崩落
15
②柱底 柱的底部常见的震害是在离地面或楼面
100mm～400mm处有环向的水平裂缝，其破 坏情况与柱顶相似 ③短柱 当有错层、夹层或有半高的填充墙， 或不适当地设置某些连系梁时，容易形 成 H/b≤4 （ H 为柱高； b 为柱截面的边长） 的短柱。一方面短柱能吸收较大的地震 剪力；另一方面短柱常发生剪切破坏，
9
（2）墙角的破坏
由于墙角位于房屋尽端，
房屋对它的约束作用减弱，使
该处抗震能力相对降低，因此 较易破坏。此外，在地震过程 中当房屋发生扭转时，墙角处 位移反应较房屋其他部位大，
这也是造成墙角破坏的一个原
因。
10
（3）内外墙连接处的破坏
内外墙连接处是房屋的薄弱部位，特别是有些建 筑内外墙分别砌筑，以直槎或马牙槎连接，这些部位 在地震中极易拉开。造成外纵墙和山墙外闪、倒塌等 现象。
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（4）楼梯间墙体的破坏 楼梯间除顶层外，一般层墙体计算高度较房屋其他部位墙
体小，其刚度较大，因而该处分配的地震剪力大，故容易造成 震害。而顶层墙体的计算高度又较其他部位的大，其稳定性差， 所以也易发生破坏。
12
（5）楼板与屋盖的破坏
在强烈地震作用下，由于楼板支承长度不足，引起局部 倒塌，或其下部的支承墙体破坏倒塌，引起楼板与屋盖的破 坏。
号M表示。国际通用的是1935年里克特所提出的，故称为里 氏震级。
震级的原始定义是：在离震中 100km 处的坚硬地面上，
由标准地震仪（摆的自振周期为 0.8s ，阻尼为 0.8 ，放大倍 数为 2800倍）所记录的最大水平位移 A（单位为 μm）的常 用对数值，用公式表示为：M= lgA
5
震级的大小直接与震源释放的能量大小有关，震级 M
形成交叉裂缝乃至脆断。
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④节点
梁柱节点区的破坏大都是因为节点区无箍筋或箍筋不
足，混凝土出现斜裂缝甚至挤压破碎，严重的纵向钢筋压
曲呈灯笼状。 ⑤角柱
房屋不可避免地要发生扭转，因此角柱所受剪力最大，
同时角柱又受有双向弯矩作用，而其约束又较具它部位柱 小，所以震害重于内柱。
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（2）填充墙的震害
框架结构的砖砌填充墙破坏较为严重，一般7度即出现裂 缝，端墙、窗间墙及门窗洞口边角部分裂缝最多，9度以上填 充墙大部分倒塌。其原因是在地震作用下，框架的层间位移 较大，填充墙企图阻止其侧移，因砖砌体的极限变形很小，
8
12.1.3地震震害 1、 多层砌体房屋的震害 （1）墙体的破坏 在砌体房屋中，与水平地震作用方向平行的墙体是主 要承担地震作用的构件。这类墙体往往因为主拉应力强度 不足而引起斜裂缝破坏。由于水平地震反复作用，两个方 向的斜裂缝组成交叉型裂缝。由于多层房屋墙体下部地震
剪力大，交叉型裂缝在多层砌体房屋中一般是下重上轻。