地震作用PPT课件

1、2008年5 月12 日14 时28 分，四川汶川县发生里氏 8.0 级地震，震中位于汶川县映秀镇（纬度31.0N、 经度103.4E），震源深度14km。 第第1页页/共共73页页 截止2008年7月11日12时统计资料，汶川地震造 成69197人遇难， 18341人失踪，374176人受伤， 大量道路、桥梁被毁，2300多万间房屋损坏， 650多万间房屋倒塌。 第第2页页/共共73页页 5 5月月1414日航拍的地震后汶川县映秀镇日航拍的地震后汶川县映秀镇 第第3页页/共共73页页 地震发生的瞬间地震发生的瞬间 第第4页页/共共73页页 地震发生的瞬间，危险仍在眼前地震发生的瞬间，危险仍在

2、眼前 第第5页页/共共73页页 地震发生的瞬间，一切不知所措地震发生的瞬间，一切不知所措 第第6页页/共共73页页 地震发生的瞬间，向开阔地逃离地震发生的瞬间，向开阔地逃离 第第7页页/共共73页页 幸存者的恐惧幸存者的恐惧 第第8页页/共共73页页 惊恐万状的孩子们惊恐万状的孩子们 第第9页页/共共73页页 第第10页页/共共73页页 惨不忍睹惨不忍睹 第第11页页/共共73页页 挣扎在废墟中等待救援的孩子挣扎在废墟中等待救援的孩子 第第12页页/共共73页页 钢筋水泥块中的孩子们钢筋水泥块中的孩子们 第第13页页/共共73页页 痛苦的挣扎痛苦的挣扎 第第14页页/共共73页页 不忍目睹不忍

3、目睹 第第15页页/共共73页页 零落的书包零落的书包 凋零的花朵凋零的花朵. 第第16页页/共共73页页 . 第第17页页/共共73页页 4.1地震基本知识 4.2单质点地震体系地震作用 4.3多质点地震体系地震作用 第第18页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 1、地球构造及地震的类型与成因 （1）地球的构造 第第19页页/共共73页页 （2）地震的成因与分类 第第20页页/共共73页页 汶川地震成因分析 第第21页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 地震的分类 按震源的深浅： 浅源地震：震源深度在浅源地震：震源深度在70km以内，造成危害最大，以内，造成危害最大， 发生次数最多，

4、占发生次数最多，占85%。 中源地震：震源深度中源地震：震源深度70300km，占，占12% 深源地震：震源深度超过深源地震：震源深度超过300km，占，占3% 第第22页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 地震术语 震源 震中 震中距 震源震源 震中震中 震源深度震源深度 震源距震源距 震中距震中距 第第23页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 2、地震分布 地震虽然是一种随机现象，但从对已发生地震分布的统计中仍可得到其呈现某种规律性： 总的来说，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动带。 第第24页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 我国地处世

5、界，因此地震发生频繁，且强度较大。我国的地震分布如图所示，其 中台湾地区东部是我国地震活动最强、频率最高的地区。 第第25页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 3、震级与烈度 （1）震级 震级是表征地震强弱的量度，通用里氏震级，通常用字母M表示。 M=10A(适用于6级以下地震） 一般地震分级 微震：小于微震：小于2级的地震级的地震 有感地震：有感地震：24级地震级地震 破坏性地震：破坏性地震：5级以上地震级以上地震 大地震（强烈地震）：大地震（强烈地震）：7级以上级以上 特大地震：特大地震：8级以上级以上 第第26页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 震级与地震所释放的能量有关。 1

6、0E=1.5M+11.8 (2)地震烈度 地震烈度是根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象等地震造成的后果进行分类的。是 一种带有主观因素影响的宏观指标。 目前我国和世界上绝大多数国家都采用12等级划分。 第第27页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 震中 知识贴：汶川8.0级地震，度区以上面积合计440442平方公里，其中：度区面积约2419平方公里， 度区面积约3144平方公里，度区面积约为7738平方公里， 度区面积约27786平方公里，度区面积 约84449平方公里，度区面积约314906平方公里。 第第28页页/共共73页页 1.1 1.1 地震与地震动地震与地震动

7、 度：少数人有感，仪器能记 录到 -度：睡觉的人会惊醒，吊灯 摆动 度：器皿倾倒，房屋轻微损 坏 -度：房屋破坏，地面裂缝 -度：桥梁、水坝损坏、房屋倒塌，地面破坏 严重 第第29页页/共共73页页 对于某一地区未来可能发生的地震影响强烈程度怎样预测并描述？ 地震震级和地震烈度是对已经发生的地震及其影响强烈程度的 描述 地震烈度区划 第第30页页/共共73页页 抗震设防烈度： 烈度区划：烈度区划： 按基本烈度将全国划分为不同的抗震设防烈度区，做为抗震设计的按基本烈度将全国划分为不同的抗震设防烈度区，做为抗震设计的依据依据。 如我国如我国建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范GB50011-2001G

8、B50011-2001规定汶川为规定汶川为7 7度设防区，地震动加速度度设防区，地震动加速度0.10g0.10g。 第第31页页/共共73页页 第第32页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 4、地震波与地面运动 （1）地震波是地震释放能量的方式。 体波：体波： 在地球内部传播。在地球内部传播。 面波：面波： 只限于在地面附近传播。只限于在地面附近传播。 纵波（纵波（P波）波） 横波（横波（S波）波） 第第33页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 纵波是由震源向外传播的疏密波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的 前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故纵波又被称为压缩波或疏密波

9、。 其特点是周期较短，振幅较小，波速快。在地壳内的速度一般为200 1400m/s(图4.7(a)。 纵波的传播速度可按下列公式计算： (4-1) 式中，E介质弹性模量； 介质密度； 介质的泊松比。 纵波引起地面垂直方向振动。 vv vE p 211 1 第第34页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 横波是由震源向外传播的剪切波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向 垂直。横波又被称为剪切波，其特点是周期较长，振幅较大，波速慢，在地壳内的速度一 般为100800m/s (图4.7(b)。 横波的传播速度可按下列公式计算： (4-2) 式中，G介质剪切模量。其余同前。 横波引起地

10、面水平方向振动。 2(1) s EG v 图图4.7体波质点振动形式体波质点振动形式 第第35页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 当取 =0.25时， 。 由此可知，纵波的传播速度比横波的传播速度要快。亦就是发生地震时，在地震仪上首先记录到的地震波 是纵波也被称为“初波”(Primary Wave)或P波，随后记录到的才是横波也被称为“次 波”(Secondary Wave)或S波。 横波只能在固体中传播，这是因为流体不能承受剪应力。纵波在固体和液体内部都能传播，由于地球的层 状构造特点，当体波经过地球的各层界面时，会发生反射和折射。 3 ps vv 第第36页页/共共73页页 4.1

11、地震基本知识 当投射到地面时，又产生两种仅沿地面传播的次生波面波，即瑞雷波(R波) 和洛甫波(L波)。 瑞雷波传播时，质点在波的传播方向与地表面法向组成的平面(xz平面)内(图 4.8(a)作与波前进方向相反的椭圆形运动，故此波呈现滚动形式，由于其随距 地面深度增加其振幅急剧减小，导致地下建筑物较地上建筑物受地震影响较小； 洛甫波传播时，将使质点在地平面(xy平面)内做与波的前进方向相垂直的水平方 向( y方向)(图4.8(b)，即在地面上做蛇形运动，其也随距地面深度增加而振幅 急剧衰减。与体波相比，面波波速慢，周期长，振幅大，衰减慢，能传播到很 远的地方。 第第37页页/共共73页页 4.1

12、 地震基本知识 地震波的传播速度，以纵波最快，横波次之，面波最慢。纵波使建筑物产生上下颠簸，横波使 建筑物产生水平摇晃，而面波使建筑物既产生上下颠动又产生水平晃动，振动方向复杂。当横 波和面波都到达时振动最为强烈(图4.9)。一般情况下，面波的能量比体波大，造成建筑物和地 表的破坏主要以面波为主。 图图4.8 面波质点振动面波质点振动 图图4.8面波质点震动形式面波质点震动形式 第第38页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 （2）地震波记录 （横波）（纵波） （面波） 图图4.9地震波记录图地震波记录图 第第39页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 地震作用惯性力(由于地面运

13、动引起的结构反应） 第第40页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 单自由度体系 对于各类工程结构，其质量沿结构高度是连续分布的或质量 大都集中在屋盖或桥面处。 为了便于分析，减少计算工作量把结构的全部质量假想地集 中到若干质点上，结构杆件本身则看成是无重弹性直杆即集 中质量法如图所示，则该体系即为。 第第41页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 ( )kx t 弹性恢复力 ( )cx t 阻尼力 ( )( ) g m xtx t惯性力 g m xtcxtkxtm xt 非齐次微分方程 第第42页页/共共73页页 动力方程的解： 0 1 ( )sin t t g xt

14、xetd 0246810 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 Duhamel Wilthon- x(m) t(sec) ( )( )( ) Ig Ftmx txt 质点所受惯性力：质点所受惯性力： 4.2 单自由度体系的地震作用单自由度体系的地震作用 第第43页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 抗震设计中更关心的是整个时程中的最大值. 0 m ax 0 m ax () a a x ST Fm Sm gG k gx & & 令 为质点的最大绝对加速度 质点的地震作用： a S k地震系数 动力系数 2、地震作用和地震反应谱 （1）单自由度体

15、系的地震作用 地震抗震设计规范地震抗震设计规范对于对于单自由度体系的水平地震作用单自由度体系的水平地震作用 计算表达式：计算表达式： 第第44页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 (2)地震系数和动力系数 1）地震系数k是地面运动的最大加速度与重力加速度的比值，即： 地震系数k反映了地面运动的强弱程度，地面加速度愈大，地震的影响 就越强烈，即地震烈度越大，地震系数k也就越大。两者之间存在着某 种一一对应的关系。根据统计分析，地震烈度每增加一度，k值增加一 倍，见表4-4。 0 max ( )xt k g & & FEK=G 地震影响系数地震影响系数 第第45页页/共共73页页 4

16、.2 单自由度体系的地震作用 表4-4 地震烈度I与地震系数k的关系 地震烈度地震烈度I6789 地震系数地震系数k0.050.100.200.40 需要指出，烈度是通过宏观震害调查判断的，而需要指出，烈度是通过宏观震害调查判断的，而k值中的值中的 是从地震记是从地震记 录中获得的物理量，宏观调查结果和实测物理量之间既有联系又有区别。由录中获得的物理量，宏观调查结果和实测物理量之间既有联系又有区别。由 于地震是一种复杂的地质现象，造成结构破坏的因素不仅取决于地面运动的于地震是一种复杂的地质现象，造成结构破坏的因素不仅取决于地面运动的 最大加速度，还取决于地震动的频谱特征和持续时间，有时会出现最

17、大加速度，还取决于地震动的频谱特征和持续时间，有时会出现 值较大，但由于持续时间很短，烈度不高、震害不重的现象。表值较大，但由于持续时间很短，烈度不高、震害不重的现象。表4-4反映的反映的 关系是具有统计特征的总趋势。关系是具有统计特征的总趋势。 0 max x & & 第第46页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 2) 动力系数 动力系数 是单质点体系在地震作用下最大反应加速度与地面运动最大加速度的比值。 也可以说动力系 数 是质点最大加速度比地面最大加速度的放大倍数。即： 0 max () a S T x & & 因为当 增大或减小时，Sa相应随之增大或减小，因此 值与地震烈

18、度无关，这样就可以利用所有 不同烈度的地震记录进行计算和统计。 (T)的表达式可写成： 0 max x & & 第第47页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 （4-25） 可见，动力系数 与地面运动加速度、结构自振周期T和结构阻尼 有关。 选取一条地震加速度记录，则 就已知，再给定一个阻尼比 ，对于不同周期的单质点体系，利用式(4- 25)能够算出相应的动力系数 ，把 按周期大小的次序排序起来，得到 -T关系曲线，这就是动力系数反 应谱。因为动力系数 是单自由度体系质点的最大反应加速度Sa与地面最大运动加速度 的比值，所以 曲线实质上是加速度反应谱曲线。 2 () 0 0 0 m

19、axmax 212 ( )( )esin()d tt T Txt TxT & & & & 0 max x & & 0 max x & & 第第48页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 图图4.15 谱曲线谱曲线(=0.05) 1 由图由图4.15的某一的某一 -T曲线可见，当结构自振周期曲线可见，当结构自振周期T小于某一数值小于某一数值Tg时，时， 反应反应 谱曲线将随谱曲线将随T的增大波动增长；当的增大波动增长；当T=Tg时，动力系数时，动力系数 达到峰值；当达到峰值；当T大于大于 Tg时，曲线波动下降。这里的时，曲线波动下降。这里的Tg就是对应反应谱曲线峰值的结构自振周期，就

20、是对应反应谱曲线峰值的结构自振周期， 这个周期与场地的振动卓越周期相符。所以，当结构的自振周期与场地的卓这个周期与场地的振动卓越周期相符。所以，当结构的自振周期与场地的卓 越周期越周期(特征周期）相近时，结构的地震反应特征周期）相近时，结构的地震反应最大最大。这种现象与结构在动荷载。这种现象与结构在动荷载 作用下的共振相似。因此，在结构抗震设计中，应使结构的自振周期避开场作用下的共振相似。因此，在结构抗震设计中，应使结构的自振周期避开场 地卓越周期，以免发生类共振现象。地卓越周期，以免发生类共振现象。 第第49页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 进一步从理论上分析 -T 反应谱

21、曲线。若T=0，则表明该体系为绝对刚体(图4.16(a)，质点与地面 之间无相对运动，即 ，故 =1。若单质点体系的自振周期 T 很大，则表示该体系 的质点和地面之间的弹性联系很弱，质点基本处于静止状态(图4.16(b)，质点的绝对加速度Sa趋于 零， 亦趋于零。 0 max a Sx & & 图图4.15 谱曲线谱曲线(=0.05) 图图4.15 谱曲线（谱曲线（=0.05） （a)绝对刚体绝对刚体 (b)联系很弱联系很弱 图图4.16 质点与地面的联系质点与地面的联系 第第50页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 （3）加速度地震反应谱 所谓地震反应谱，是指地震时结构质点的最

22、大反应与结构自振周期或频率的关系。 由于结构抗震设计主要采用地震作用的概念，故加速度反应谱就显得尤为重要。 以质点最大绝对加速度反映Sa为纵坐标，在某一具体记录的地震加速度同时作用于阻尼比、自振周期 T各不相同的单质点体系时，得出一条Sa-T曲线，当阻尼比变化时，得到一组Sa-T曲线。 第第51页页/共共73页页 图图4.12 加速度反应谱的形成过程加速度反应谱的形成过程 第第52页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 反应谱曲线受多种因素影响 (a) 场地条件对谱曲线的影响场地条件对谱曲线的影响 (b) 震级与震中距对震级与震中距对 谱曲线的影响谱曲线的影响 第第53页页/共共7

23、3页页 4.2 单自由度体系的地震作用 即使是相近场地条件和相近震中距的地震记录，其动力系数也不尽相同，存在有。 为方便工程抗震的设计，一般采用，并加以规则平滑后具有地震反应 谱的形式，称为标准反应谱。 周 期 （）第第54页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 （4）地震影响系数 由地震作用： 令=k表示， 并称为地震影响系数,则有 a a S Fm Sm gG g 作用于单质点弹性体系上的实际上就等于(T) 0 m a x 0 m a x () a a x ST Fm Sm gG k gx & & 第第55页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 抗震规范就是以地震影

24、响系数 (T)作为设计反应谱。设计反应谱应根据、 、和及确定。 图图4.13 地震影响系数曲线地震影响系数曲线 第第56页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 地震影响系数最大值 抗震设防烈度 地震影响系数最大值 第第57页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 特征周期 场地类别 设计地震分组 特征周期特征周期 第第58页页/共共73页页 4.2 单自由度体系的地震作用 衰减指数、下降斜率调整系数1 、阻尼调整系数2 曲线下降段衰减指数按下式确定： 一般情况下，上式中的阻尼比取为=0.05，此时=0.9。由于在抗震结构中阻 尼器应用日趋广泛，会出现阻尼比大于0.05的情

25、况下，另外钢结构的阻尼比一般 取0.02，小于0.05。式(4-41)就给出了不同阻尼比的反应谱调整方法，以适应不 同结构材料和结构类型。 0.05 0.9 0.55 第第59页页/共共73页页 考虑阻尼比不同，对直线下降段斜率应进行修正，调整系数1按下式确定： 1 =0.02+(0.05- )/8 当1 0时，取1 =0。 当阻尼比不等于0.05时，则应给表4-6中的各数值乘以阻尼调整系数2 ： 当 20.55时，取 2=0.55 。 2 0.05 1 0.061.7 第第60页页/共共73页页 单单自由度体系的水平地震作用的计算自由度体系的水平地震作用的计算步骤步骤 E K FG 结构简

26、化 m ,k 由设防烈度确定 m ax 由场地分类及地震分组确定 g T 计算结构自身的自振周期 阻尼比 T 计算地震影响系 数 计算重力荷载代 表值 G 第第61页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 1、多质点体系地震反应 多自由度体系的计算简图 第第62页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 多自由度体系运动方程 111 11 2111 11 21 222 12 2222 12 22 1212 0 0 nn nn nnnnn nnnnn n mxcccxkkk mxcccxkkk mxcccxkkk & & & 1 2 1 2 0 01 1 01 n n x x x

27、m m x m & 0 1MxCxKxMx 第第63页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 2、振型分解反应谱法 结构第j振型i质点水平地震作用的标准值： 3( ) 2( ) 1( ) 12 13 11 1(t)1(t) 21 22 23 2(t) 31 32 33 3 jijjjii FXG 第第64页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 地震作用效应（内力和位移）： 2 1 (3.3.103) m j j SS 第1振型 第2振型 第3振型 第第65页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 假定： 结构的位移反应以第一振型为主，为一直线。 适用条件： 建筑高度不

28、超过40m 以剪切变形为主 质量和刚度沿高度分布均匀 第第66页页/共共73页页 Gi Geq T1 T1 l底部剪力法总体思路：底部剪力法总体思路： 第一步：第一步：多自由度体系等效为单自由度体系多自由度体系等效为单自由度体系 eqi 0.85GG 4.3 多质点体系的地震作用多质点体系的地震作用 第第67页页/共共73页页 Gi Geq FEk T1 T1 第二步：第二步：求得求得等效单自由度体系等效单自由度体系的总体地震作用（即作用于结构底部的总体地震作用（即作用于结构底部 的剪力）的剪力） 4.3 多质点体系的地震作用 Ek1eq FG 第第68页页/共共73页页 Gi Geq Fek

29、 Fek Gi Fi T1 T1 第三步：第三步：将总地震作用按照一定规律分配到多自由度体系的各层质将总地震作用按照一定规律分配到多自由度体系的各层质 点上。点上。 4.3 多质点体系的地震作用 j ii iEk jj 1 1 n n G H FF G H 第第69页页/共共73页页 4.3 多质点体系的地震作用 E kn FF 第第70页页/共共73页页 第第71页页/共共73页页 作业 2、构造地震是怎样形成的 9、地震反应谱的影响因素 10、底部剪力法的基本原理与步骤 第第72页页/共共73页页 重力荷载代表值重力荷载代表值 = 结构自重标准值结构自重标准值 + + Ei Ei 可变荷载

30、标准值 可变荷载标准值 Ei Ei 组合系数，考虑地震与可变荷载同时出现的可能性。 组合系数，考虑地震与可变荷载同时出现的可能性。 重力荷载代表值 第第73页页/共共73页页 . 第第17页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 震级与地震所释放的能量有关。 10E=1.5M+11.8 (2)地震烈度 地震烈度是根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象等地震造成的后果进行分类的。是 一种带有主观因素影响的宏观指标。 目前我国和世界上绝大多数国家都采用12等级划分。 第第27页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 震级与地震所释放的能量有关。 10E=1.5M+11.8 (2)地震烈度 地震烈度是根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象等地震造成的后果进行分类的。是 一种带有主观因素影响的宏观指标。 目前我国和世界上绝大多数国家都采用12等级划分。 第第27页页/共共73页页 4.1 地震基本知识 当投射到地面时，又