结构抗震分析(第三章强震地面运动)

1、第第3 3章章 强震地面运动强震地面运动主讲人：第一节 地震波与强震观测 一、 地震波 1、地震波的基本特点 2、地震波的分类地震波的概念地震波的概念 当地震发生时，地下岩石受到强烈冲击，产生弹性震动，当地震发生时，地下岩石受到强烈冲击，产生弹性震动，并以波的形式向四周传播，这种弹性波叫作地震波。而由并以波的形式向四周传播，这种弹性波叫作地震波。而由于断层机制、震源特点、传播途径等因素的不确定性，地于断层机制、震源特点、传播途径等因素的不确定性，地震波具有强烈的随机性。震波具有强烈的随机性。 地震动是指由震源释放出来的地震波引起的地面运动。这地震动是指由震源释放出来的地震波引起的地面运动。这种

2、地面运动可以用地面质点的加速度、速度和位移的时间种地面运动可以用地面质点的加速度、速度和位移的时间函数来表示。函数来表示。地震地震波的种类波的种类 按波的传播区域大体可分为体波和面波按波的传播区域大体可分为体波和面波 体波：在介质体内（地球内部）传播的地震波称为体波。其介质质点振动方向与波的传播方向一致。 面波：在介质表面（地震体波到达岩层界面或地表时），会产生沿界面或地表传播的振幅很大的波，称为面波。其介质质点振动方向与波的传播方向正交。地震波是一种机械波地震波是一种机械波 P波（纵波）较快能在固体液体气体中传播 当发生地震时陆地上的人先感觉上下颠簸后左右摇晃 S波（横波）较慢只能在固体中传

3、播 如同航海的人只能感到上下颠簸 在半空间表面上一般存在两种波的运动，即瑞利波（Rayleigh wave，R波）和洛夫波（Love Wave，L波）。 RayleighRayleigh波是一种沿着自由表面传播的波，波是一种沿着自由表面传播的波，地球地球- -空气界面可以看作是自由界面。空气界面可以看作是自由界面。RayleighRayleigh波是波是P P波与波与S S波干涉的结果，因而波干涉的结果，因而在震中附近不发生瑞利波。质点运动轨迹在震中附近不发生瑞利波。质点运动轨迹在均匀介质中为逆时针方向，成椭圆极化。在均匀介质中为逆时针方向，成椭圆极化。其特点是振幅大，在地表以垂直运动为主。其

4、特点是振幅大，在地表以垂直运动为主。理论上说，理论上说，RayleighRayleigh波只能沿着均匀半空波只能沿着均匀半空间自由表面和均匀介质自由界面传播。瑞间自由表面和均匀介质自由界面传播。瑞利波沿二维自由表面扩展，在距波源较远利波沿二维自由表面扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波和横波大得多，因而它是地震学中的主要和横波大得多，因而它是地震学中的主要研究对象。研究对象。 洛夫波是粒子振动方向和波前进方向垂直，洛夫波是粒子振动方向和波前进方向垂直，但振动只发生在水平方向上，没有垂直分但振动只发生在水平方向上，没有垂直分量。质点在水平向的

5、振动与波行进方向耦量。质点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平扭矩分量，这是波的重要合后会产生水平扭矩分量，这是波的重要特点之一。而洛夫波的波速取决于波动频特点之一。而洛夫波的波速取决于波动频率，因而洛夫波具有率，因而洛夫波具有频散性频散性。 频散性是指波的相速不仅依赖于介质的物频散性是指波的相速不仅依赖于介质的物理性质，还依赖于波数。理性质，还依赖于波数。地震波的类型地震波的类型地震波类型形成机制质点振动方向速度纵波Primary wave体积形变与传播方向相同横波Shear wave形状形变与传播方向垂直面波Surface wave在界面附近，由P、S波干涉形成，局限在界面附近传播

6、vPvSvRPv2SvvvRS09 .表中，表中， 、 拉梅系数；拉梅系数； 密度；密度； vPvSvR 二、强震观测1 1、强地震动观测对抗震理论的贡献、强地震动观测对抗震理论的贡献2 2、测量仪器、测量仪器3 3、数字强震仪、数字强震仪4 4、强地震动观测台阵、强地震动观测台阵5 5、现有数据、现有数据1.1.强地震动观测对抗震理论的贡献强地震动观测对抗震理论的贡献（1 1）为抗震理论进入反应谱阶段）为抗震理论进入反应谱阶段提供了必要的数据提供了必要的数据。（从反应谱概念的产生、反应谱理论的建立，强（从反应谱概念的产生、反应谱理论的建立，强地震动记录都起到了重要作用地震动记录都起到了重要作

7、用。）。）静力理论阶段（静力理论阶段（2020世纪世纪10-4010-40年代）年代）刚柔之争（刚性还是柔性结构有利于抗震）刚柔之争（刚性还是柔性结构有利于抗震）刚性理论代表：左野利器和武腾清刚性理论代表：左野利器和武腾清柔性理论代表：真岛建三郎柔性理论代表：真岛建三郎反应谱理论阶段（反应谱理论阶段（2020世纪世纪40-6040-60年代）年代）19331933年美国年美国Long BeachLong Beach取得第一条地震动记录取得第一条地震动记录19411941年年BiotBiot等提出反应谱概念等提出反应谱概念19531953年年HousnerHousner建立反应谱理论（小震、弹性

8、）建立反应谱理论（小震、弹性）6060年代纽马克非线形反应谱年代纽马克非线形反应谱地震影响系数谱曲线地震影响系数谱曲线动力理论阶段（动力理论阶段（2020世纪世纪70-8070-80年代）年代）19711971年美国圣费而南多地震的震害使人们认识到年美国圣费而南多地震的震害使人们认识到“持时持时”的重要性的重要性 计算结构的时程反应（时程分析）计算结构的时程反应（时程分析）基于性能的抗震设计理论（基于性能的抗震设计理论（2020世纪世纪9090年代）年代） 在经历了在经历了19941994年美国年美国(Northridge)(Northridge)和和19951995年日本年日本( (阪神阪神

9、) )地震后，巨大的财产损失使得社会和学者地震后，巨大的财产损失使得社会和学者们看到了性能设计的重要性。们看到了性能设计的重要性。（2 2）推动了地震动随机理论的发展。）推动了地震动随机理论的发展。19481948年豪斯纳首先提出将地震动看作一种随机年豪斯纳首先提出将地震动看作一种随机振动。振动。白噪声随机过程。白噪声随机过程。限带白噪声过程。限带白噪声过程。6060年代提出振型组合的平方和开方方法。年代提出振型组合的平方和开方方法。（3 3）为研究地震动特性提供定量数据。）为研究地震动特性提供定量数据。 工程设计中定性的认识极其重要，但如果缺少工程设计中定性的认识极其重要，但如果缺少量的概念

10、，就很粗糙。只有在定性和定量两方量的概念，就很粗糙。只有在定性和定量两方面均有一定认识后，才构成一个完整的认识，面均有一定认识后，才构成一个完整的认识，才能从经验性的认识进入科学的了解。强震观才能从经验性的认识进入科学的了解。强震观测提供了定性和定量的认识。测提供了定性和定量的认识。 认识地震动的幅值、频谱和持时。认识地震动的幅值、频谱和持时。（4 4）有助于了解结构物在地震中表现）有助于了解结构物在地震中表现 在没有强震记录之前，主要通过震害来认识结在没有强震记录之前，主要通过震害来认识结构物的地震反应。但是，震害只是综合的结果，构物的地震反应。但是，震害只是综合的结果，定性而不定量。许多情

11、况下，从震害反推地震定性而不定量。许多情况下，从震害反推地震动，可以得到完全不同的解释。动，可以得到完全不同的解释。二、测量仪器二、测量仪器 地震仪地震仪 强震仪强震仪 观测仪器工作原理观测仪器工作原理 数字强震仪数字强震仪地震仪特点：地震仪特点： 使用对象：地震工作者。使用对象：地震工作者。 主要记录弱震动。主要记录弱震动。 记录微小地震动位移。记录微小地震动位移。 确定震源地点和力学特性、发震时间和地震大小，确定震源地点和力学特性、发震时间和地震大小，从而了解震源机制、地震波所经过的路线中的地从而了解震源机制、地震波所经过的路线中的地球介质及地震波的传播特性和传播规律。球介质及地震波的传播

12、特性和传播规律。 始终处于运行状态。始终处于运行状态。 地震仪不同于地震监测仪器。不能预报地震。地震仪不同于地震监测仪器。不能预报地震。强震仪特点：强震仪特点： 使用对象：抗震工作者和地震工程人员。使用对象：抗震工作者和地震工程人员。 确定测点处地震动特性和结构震动反应。确定测点处地震动特性和结构震动反应。 确定结构物的地震动输入，确定结构反应，以便确定结构物的地震动输入，确定结构反应，以便对结构进行经济安全的设计。对结构进行经济安全的设计。 记录地震动加速度。记录地震动加速度。 需要被触发才能工作。需要被触发才能工作。 利用强震仪观测强震时的地震动，简称为强震观利用强震仪观测强震时的地震动，

13、简称为强震观测。测。现有的强震观测系统类型 1.1.地震动衰减台阵地震动衰减台阵 2.2.区域性地震动台阵区域性地震动台阵 3.3.断层地震动台阵断层地震动台阵 4.4.结构地震反应台阵结构地震反应台阵 5.5.地震动差动台阵地震动差动台阵 6.6.地下地震动台阵地下地震动台阵第二节 强震地面运动的特性 地震动是结构抗震设防时所必须考虑的依据。地地震动是结构抗震设防时所必须考虑的依据。地震动是非常复杂的，且具有很强的随机性。震动是非常复杂的，且具有很强的随机性。 地震动的主要特点是：地震动的主要特点是： （1）地震动的幅值；）地震动的幅值； （2）地震动的频谱；）地震动的频谱； （3）地震动的

14、持续时间。）地震动的持续时间。一、地震动的幅值特性 地震动幅值可以是地面运动的加速度、速度或位移的某种最大值或某种意义下的有效值。通常将加速度作为描述地震强弱的量，为此，常用的 加速度幅值指标有以下两种： 1.加速度最大值 这是最早提出来的，也是最直观的地震动幅值定义。但其存在两个重要缺点： （1）地震动加速度峰值主要反映了地震动高频成分的振幅，它取决于震源局部特性而很难全面反映震源整体特性。 （2）离散性极大，震级、距离和场地条件的改变，会使其变化很大。maxa 2.均方根加速度 均方根加速度 是对地震动总强度的平均描述，它虽能反映整体，但不能反映局部的分布概况。因此，引入了标准差函数个g(

15、t). 它可以看作是持时 时的均方根加速度。rmsadTdrmsdttaTa022)(1rmsa2222)(1)(ttttdttattgtTd二、地震动频谱特性 三种频谱的表达方法 1.傅里叶谱 2.功率谱 3.反应谱傅里叶谱 傅里叶谱是数学上用来表示复杂函数过程的一种经典方法，即把复杂的地震动过程a(t)展开为N个不同频率的组合，当N 时，其傅里叶变换为1,2)(F)()(ifdtetaFti为圆频率，为傅氏谱；式中： 典型傅里叶谱记录-2.5-1.5-0.50.51.52.50510152025303540t (s)a(t) (m/s2)WiAiQiWi功率谱 周期性连续信号x(t)的频谱

16、可表示为离散的非周期序列Xn,它的幅度频谱的平方 所排成的序列，就被称之为该周期信号的“功率谱”。 以功率谱为例说明地震动的频谱特性：2Xn同一地震，震中距近似，而地基类型不同地基类似，震级、震中距有加大差异。震级相同，震中距和地基状况有加大差异。三、地震动持时特性 地震动持时对结构的破坏程度有着较大的影响。地震动持时对结构的破坏程度有着较大的影响。 强震持时的定义很不统一，常见类型有：强震持时的定义很不统一，常见类型有： （1 1）绝对持时）绝对持时 （2 2）相对持时）相对持时 （3 3）等效持时）等效持时 持时的重要意义同时存在于非线性体系的最大反应和能量持时的重要意义同时存在于非线性体

17、系的最大反应和能量损耗积累损耗积累 两种反应之中。两种反应之中。 从地震学的角度来看，地震动的持续时间主要取决于地震从地震学的角度来看，地震动的持续时间主要取决于地震断裂面断裂所需要的时间。断裂面断裂所需要的时间。2-3km/s2-3km/s第三节 地震动的随机过程模型 由于断层错动机制、震源特点、传播途径等因素的不确定性影响，地震动以波的形式在地下及地表传播时，地震波具有强烈的随机性； （数学上描述复杂；强震记录数量有限）-目前，要建立完整的地震动随机过程模型有很大困难。 通常做法： 先根据经验设定模型形式，再利用现有强震记录资料检验模型的适用性 。 所谓随机过程，是指定义于一个参数集上的一

18、簇所谓随机过程，是指定义于一个参数集上的一簇随机变量系，在此参数集的每一点处都对应于一随机变量系，在此参数集的每一点处都对应于一个随机变量（称为截口随机变量）。个随机变量（称为截口随机变量）。 一维随机过程可视为多元随机变量的一个自然推一维随机过程可视为多元随机变量的一个自然推广。广。 随机过程的概率结构可以采用两种形式来定义：随机过程的概率结构可以采用两种形式来定义： 1 1）概率密度形式）概率密度形式 2 2）特征函数形式）特征函数形式一、地震动加速度过程的频域模型 强震加速度时程是强震记录的直接结果，而且由强震加速度时程是强震记录的直接结果，而且由于地震动的速度、位移与加速度有直接的积分联于地震动的速度、位移与加速度有直接的积分联系，因此对加速度的随机过程描述研究较多。系，因此对加速度的随机过程描述研究较多。分分频域描述和时域描述频域描述和时域描述 频域描述：频域描述：首先采取用平稳随机过程的方式来描首先采取用平稳随机过程的方式来描述。二阶平稳过程的概率特征可以用功率谱密度述。二阶平稳过程的概率特征可以用功率谱密度表示。表示。 1 1）白噪声过程：）白噪声过程： 功率谱