建筑抗震设计-第一章-EGM-2012-3-26 Revised课件

第一章地震地面运动

EarthquakeGroundMotions

(EGM)第一节构造地震第二节地震断层第三节地震波EarthquakeGroundMotions

(EGM)第四节地震震级和烈度第五节地震地面运动(EGM)主要特性第六节软地基对结构抗震性能的影响第七节建筑抗震设计对EGM的定量表示第一节构造地震

TectonicEarthquakes

(TE)

构造地震，一般简称为地震(TectonicEarthquakes),是地壳的构造运动使深部岩石的应变超过容许值，岩层发生断裂、错动而引起的地面振动，属破坏性地震。 火山爆发、溶洞陷落或是核爆炸也引起地面振动,这种地震也属破坏性地震。

构造地震TE的几个名词震中:震源正上方的地面震中区:震中的邻近地区震中距:地面上某点至震中的距离震源距(震源深度):震源至地面上某点(震中)的距离震源:地壳深处发生岩层断裂、错动的地方。第二节地震断层

构造地震

(TectonicEarthquakes,TE)的成因断层的基本概念断层的分类断层的基本概念断层的定义断层的分布断层的错动断层的分布

地球的表面岩层由六大板块构成，即美洲板块、太平洋板块、澳洲板块、南极板块、欧亚板块和非洲板块。这些板块始终在相对缓慢地运动着，在它们交界处产生拉伸、挤压和剪切，甚至有些板块呈现插入另一板块之下欲使其翘起的趋势。断层就位于这些板块交界处。

断层的错动

断层的错动可能是完全水平的，而岩层竖向错动也是经常发生的。一般认为，断层的缓慢滑动并不会引起破坏力较大的地震，因为断层的缓慢滑动使地壳岩石的应力分阶段释放，这样就不会造成岩层的突然断裂。

因此，在断层带上建造较多的建筑可能会带来很大的经济损失，如果不得不在断层带上建造如大坝、码头等构筑物时，它们之间应有可伸缩的部件或者相连的部件。

断层的分类走向断层倾向滑距断层

走向断层

站在断层的一侧，如果看到另一侧的岩层是从左向右运动，那么称此断层为右侧走向断层；反之，则称为左侧走向断层，如右图所示。

岩石沿着与走向平行的方向作侧向移动。

倾向滑距断层

运动基本平行于断层的倾斜面，显然，断层运动含竖向分量。倾向滑距断层包括正断层和逆断层。正断层是指倾斜面上方的岩石向下运动；逆断层的运动方式与正断层相反。逆断层逆断层倾斜面上方的岩石运动方向向上。逆断层左侧走向逆断层第三节地震波

岩层断裂、错动引起的地震动将以波的形式从震源向各个方向传播，此传播波即为地震波。在极短时间内迅速变化的动力作用下，岩石的动力响应多表现为弹性的，因此，可以认为地震波是在无限弹性介质中传播的弹性波。

地震波体波面波地震波的传播体波

P波周期短(高频)、振幅小，波速＝200-1400m/s。当P波在传播时，从下图可见，它使岩石发生压缩或者膨胀。纵波引起地面垂直方向振动。P波体波

S波是剪切波，它只引起剪切变形而不引起体积变形。S波传播时引起的质点运动方向和波的传播方向垂直，如下图所示。S波只能在固体中传播，S波体波

S波周期长(低频)、振幅大，波速＝100-80m/s。横波引起地面水平方向的振动；而沿地表传播的S波既能产生竖直向的运动又能产生水平向的运动。S波不能在液体中传播，当进入液化砂土时，S波振幅被大幅的削减。

S波分为SH波和SV波。面波

当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表面形成一种次生波—面波，面波沿介质表面及地表附近较浅的地区传播。面波主要有两种成分：(1)乐甫波(L波);(2)瑞利波(R波)乐甫波(L波)

L波的运动方式基本与S波一致，使地面产生水平振动，质点振动方向垂直于波的传播方向，而且质点是在一个与传播方向相垂直的水平平面内发生振动的，在介质表面呈蛇形运动形式，如下图所示，质点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。瑞利波(R波)S波地震波的传播波速的比较振幅的变化波速的比较

地震时，在距震中一定距离的地表某点观测地震波，最先观测到的是纵波，其次是横波和面波。通常当剪切波和面波到达时地面振动最强烈。因此，地震时P波是首先被感觉到的，其效果与音爆很相似，能震得窗子吱吱作响。在P波到达后几秒钟，S波也被感觉到，它的特征是左右振动的分量较大，当S波到达时，地面振动是既有水平方向又有竖直方向的。

值得指出的是，S波在穿越岩层时都会有一个旋转分量。地震动的扭转分量会对结构响应产生影响。目前国际上一些结构规范已把地震动的扭转效应考虑在内了。

振幅的变化

在传播过程中，地震波类型会进一步进行组合。当不同土层的弹性模量失谐时，岩层就会对入射波进行过滤，对于处于不同频率段的波使其振幅或加强或削弱。当P波和S波到达地表时，很大一部分能量被反射回地层，因此，地表是同时受到向上和向下运动波的影响。由于重复反射，地表表面的振动得到很多的放大，有时甚至可以将入射波的振幅翻一番，一般地球表面由于振动造成的破坏更为严重。第四节地震震级和烈度

结构的地震反应 是地震作用下结构的惯性力，其大小取决于地震震级及距震中的距离、场地特征、结构的动力特性。 它具有冲击性、反复性、短暂性和随机性。震级

震级： 衡量一次地震释放能量大小的等级，用符号M表示。 地震能量中，一部分能量引起地面振动直接影响建筑的安全性。

震级

震级定义：利用标准地震仪，距震中100km处记录的以微米（1um＝103mm）为单位的最大水平地面位移(振幅)A的常用对数值：

M＝lgA式中：M－里氏震级；A－最大振幅(um)

震级地震震级M与地震释放的能量E存在关系：震级 震级相差一级，能量增加：即能量增加近32倍。震级M<2微震，人们感觉不到；M=2－4有感地震；M>5破坏性地震，对建筑产生不同程度的破坏作用；M>7强烈地震或大地震；M>8特大地震烈度

地震烈度: 地震时某一地区的地面和各类工程结构遭受地震影响的平均强弱程度，是衡量地震引起的后果的一种标度。地震烈度1.对一次地震，震级只有一个，而地震烈度在不同的地点却是不同的。 一般震中区的烈度(简称震中烈度)较高,为1度—12度。

地震烈度2.基本烈度是指一个地区今后一定时期(如50年)内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。 即现行《中国地震烈度区划图（1990）》规定的烈度。地震烈度3.抗震设防烈度是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。 一般情况下取基本烈度。但还须根据建筑所在城市的大小，建筑的类别、高度以及当地的抗震设防小区规划进行确定。地震烈度4.地震基本烈度的确定计及了地震烈度衰减规律和震中距等影响的概率因素，它确定的是基本烈度在区域上的分布。 但是对于某一个地区，并不是每次地震都是按基本烈度发生的，也存在一个概率分布的问题。 我国地震烈度的概率分布符合概率论中的极值III型，如图所示。

地震烈度

Is

I

fIII(I)

地震烈度

I0

I

fIII(I)

地震烈度

AL2IL

I

fIII(I)

Is—与众值对应的烈度，称为众值烈度或多遇烈度，亦称为第一水准烈度，与此相应的地震称为第一水准地震(小震);As1—在当地未来50年内发生不超越第一水准地震的概率为36.8％;As2—在当地未来50年内发生超越第一水准地震的概率为63.2％。I0—与超越概率等于10％对应的烈度称为基本烈度，亦称为第二水准烈度，与此相应的地震为第二水准地震(中震);A01—在当地未来50年内发生不超越第二水准地震的概率为90％;A02—在当地未来50年内发生超越第二水准地震的概率为10％。

IL—与超越概率等于2－3％对应的烈度称为罕遇烈度，亦称为第三水准烈度，与此相对应的地震称为第三水准地震(大震)。AL1—在当地未来50年内发生不超越第三水准地震的概率为97－98％。AL2—在当地未来50年内发生超越第三水准地震的概率为2－3％。烈度的极值Ⅲ型分布我国烈度的极值Ⅲ型概率密度函数：

烈度的极值Ⅲ型分布其分布函数烈度的极值Ⅲ型分布式中

——地震烈度的上限值，为12；Im

——众值烈度，即烈度概率密度曲线上峰值所对应的烈度，由各地震区在设计基准期内统计确定。例如，北京地区为6.19度；I——地震烈度；e——无理数，e=2.718；k——形状参数。烈度的极值Ⅲ型分布

由于不少国家以50年内超越概率为10％的地震强度作为设计标准，为了简化计算起见，可统一按这个概率水平来确定形状参数k。

烈度的极值Ⅲ型分布

现以北京地区为例，说明确定形状参数k值的方法： 已知北京地区Im=6.19度，在50年内超越概率为10％的烈度I=7.82度，而w=12度，这时FIII(I)=0.90。将上列数据代入分布函数式得k＝6.834。烈度的极值Ⅲ型分布

从概率意义上讲，小震应是发生频度最大的地震。即烈度概率密度分布曲线上的峰值所对应的烈度（众值烈度）。因此，采用众值烈度作为小震烈度是适宜的。烈度的极值Ⅲ型分布

不超越众值烈度的概率，可由分布函数式计算：烈度的极值Ⅲ型分布而超越概率

地震烈度5.基本烈度－多遇烈度＝1.55度；罕遇烈度－基本烈度＝1度（注：实际中，普遍小于1度，而且有明显的地区性)。 Ex：基本烈度分别为：6，7，8，9度，则罕遇烈度分别为：7，8，9（9度弱），9.5度(9度强)。

地震烈度的确定

第一，地区抗震设防烈度是由国家根据地震历史记录和地质调查研究确定的。

地震烈度的确定

新的《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗震规范》)规定，地震影响应采用设计基本地震加速度和设计特征周期。 设计基本地震加速度值为50年设计基准期超越概率10%(重现期为475年)的地震加速度的设计值。地震烈度的确定设计基本地震加速度与抗震设防烈度的关：

0.05g－6；0.10g－7；0.15g－7.5；0.20g－8；0.30g－8.5；0.40g－9地震烈度的确定

设计特征周期，综合考虑震级、震源机制和震中距的影响，以设计地震分组取代了《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)的设计近震和设计远震。地震烈度的确定

对于基准场地(相当II类)加速度反应谱的设计特征周期，第一、二、三组分别取0.35s,0.40s和0.45s，可视为大致反映近、中、远震影响。 我国主要城镇的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组详见《抗震规范》的附录A。地震烈度的确定

第二，地震发生后地震波及范围内各地区遭受破坏的地震烈度，它不是地震发生后立即能确定的，而是需要经过震害调查根据建筑物、构筑物遭受损坏和破坏情况确定的，确定烈度的标准可见《建筑抗震设计手册》(1994年版)第一篇第二章附录1.2.2－1。地震烈度的确定

一次地震，震中烈度约为震级的1.3倍，如当某地区发生了地震，震级为6.2级，则震中烈度为8度左右。 一次地震，当震源距地表越深，震中相对烈度较小，地震波及范围大；震源距地表浅时，震中烈度较大，地震波及范围小。

第五节地震地面运动(EGM)

的主要特性

地震动可用三要素来描述，即地震动的振幅、频谱和持时。地震动的振幅包括地震动加速度、速度和位移三者的峰值。 在结构抗震设计中，常用到的是地震动加速度，所以以下主要介绍地震动加速度振幅、频谱和持时。

地震地面运动(EGM)

的主要特性

一次地震释放出的能量将以地震波的形式向四周扩散。地震波是一种波形十分复杂的行波，由许多频率不同的分量组成，场地土对地震波群中各个分量有不同的放大作用。地震地面运动(EGM)

的主要特性

地震波群中某个分量的周期，恰好为该波穿过表层土所需时间的4倍时，这个波的分量将被放大得最多。 因此，该波引起土层的振动最为激烈。我们称这个周期为场地土的特征周期。

地震地面运动(EGM)

的主要特性

震害调查表明，凡是结构的基本周期与场地土的特征周期相等或接近时，将引起类共振，结构的震害都有加重的趋势。这种现象与结构在动力荷载作用下的共振相似。地震地面运动(EGM)

的主要特性

对时域地震动加速度进行变换，就可了解该地震动加速度的频谱特性，频谱特性可用功率谱、反应谱和傅里叶谱来表示。地震地面运动(EGM)

的主要特性

根据强震记录求得的功率谱表明，硬土和软土的功率谱成分有很大的不同。软土地基的地震动加速度记录中长周期分量比较显著；而硬土地基的地震动加速度记录则包含多种频率成分，一般情况下短周期分量较为显著。地震地面运动(EGM)

的主要特性

坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对长周期的建筑不利。 因此，设计结构时可根据地基土的特性，采取合适周期的结构体系，以减少地震引起结构类共振的可能性，减少地震造成的破坏。

地震地面运动(EGM)

的主要特性

强烈地震动的持时长短对结构的破坏有重大影响，这种影响主要表现在结构开裂以后的阶段。地震地面运动(EGM)

的主要特性

在地震动作用下，一个结构从开裂到倒塌一般有个过程；显然，在结构发生开裂时，连续振动的时间越长，则结构倒塌的可能性就越大。因此，地震动的持续时间是研究结构抗倒塌性能的一个重要参数。地震地面运动(EGM)的主要特性

强震时，地面水平运动加速度在两个互相垂直方向上的平均强度大体相同。因此，在结构抗震设计时，应考虑在结构平面的两个主轴方向进行抗震设防和计算。

地震地面运动(EGM)的主要特性

大量观测表明，地震时，地面竖向运动加速度的平均强度大约是水平运动加速度的1/2-2/3。地震地面运动(EGM)的主要特性

因此，抗震设计时，大多数情况下主要考虑水平地震作用的影响；但对于高层、大跨度、长悬臂结构仍需考虑竖向地震作用的影响。

地震地面运动(EGM)的主要特性 由于液化，饱和土中水分与砂土分离，对向上传播的S波起到隔震作用，由于地震时建筑主要是由S波引起的水平振动，因此位于饱和砂土和粉土地基上的建筑物其震害相对轻些，即所谓减震效应。第六节软地基对结构抗震性能的影响软地基对结构地震反应的影响土与结构相互作用(Soil-structureinteraction,

SSI)考虑SSI影响时结构地震内力的调整软地基对结构地震反应的影响

地震波由传播速度快的地层进入到波速低的地层时振幅将增大。接近于地表的地层，一般地质年代较轻，地震波速低，因此由硬、深的地层向软地层传播的地震波，在到达地表时，振幅增大很多。一般来说，表层地基越软，振幅放大效应愈大。这一现象已为国内外的地下、地表强震观测对比所证实。

软地基对结构地震反应的影响

强震发生时，其破裂机制很复杂，由震源发射出的地震波频率很复杂，具有相当宽的频带。由于P波具有高频特征，其波速比S波高，因此，在近场地面强震记录中，高频分量(短周期分量)相对丰富；而由于其衰减较快，因此在远场处低频分量(长周期分量)相对丰富。软地基对结构地震反应的影响 鉴于上述，在大地震远距离时，厚土层、软弱地基上地面运动的长周期成分丰富些，因而建造于软地基上的高层建筑产生共振效应的可能性很大。SSI案例：1985年的墨西哥地震

在所有破坏的房屋中，距离震中400公里左右，高度为6-19层的建筑破坏最为严重，其倒塌数量达400多栋，而距离震中 很近的同类建筑物破坏却没这么严重。

主要原因是墨西哥城的地基属于高塑性软土，土与高层建筑组成的体系自振周期较大，频率较低，远处的地震波在被滤掉高频成分后，低频占主要地位，大大增加了发生共振的可能性。显然，这是采用刚性地基假定计算模型考虑不到的。

软地基对结构地震反应的影响

地基土土质对于改变地震波的频率特征具有重要作用，相当于一个“滤波器”，当由底下入射来的大小和周期不同的地震波群进入表层土时，将某些频率波群放大或通过，而将另一些频率波群缩小或滤掉。软地基对结构地震反应的影响

如同结构具有固有周期一样，地基土也具有固有自振周期，通常称为地基土的固有周期。 由于表层土是由许多土层构成的，因此多层土的周期并不是单一的。

软地基对结构地震反应的影响

如果到达某一地点的地震动卓越周期与该地基土的固有周期一致，则将产生较大的放大效应，使地表的振动幅度大为增加。 当地表地震波群中占优势的波动分量的周期与结构固有周期相近时，结构将由于类共振效应而受到较大的地震作用。

地震反应谱对这种效应的表征图

A(g)

01.02.0T(s)

0.6

0.4

0.2ba共振放大地震反应谱对这种效应的表征图 图中曲线a为基岩上的地震反应谱；b为地表面的地震反应谱。由图不难看出，在地基土固有周期(1.5s)处，反映谱幅值局部增大。若此时位于该点的结构周期也大约为1.5s，则结构将受到较大的地震作用。地震反应谱对这种效应的表征图

由于表层土的滤波作用，坚硬地基土的地震动以短周期(高频)运动为主,而软地基以长周期(低频)为主。因此，坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对长周期的建筑不利。

Soil-structureinteraction,

SSI

地震时，地基—基础—结构作为一个整体而产生振动，因此，结构的地震反应不仅因结构自身的振动特性、地震动大小、而且也因三者的相互制约、影响而不同。

Soil-structureinteraction,

SSI软地基对结构的作用：1. 改变结构的周期特征，通常可以增长结构的基本周期Soil-structureinteraction,

SSI 2.增加结构的阻尼 有相当一部分的振动能量是通过地基土的滞回和波辐射作用耗散到地基中去。 由于结构向地基放散的能量具有明显提高阻尼的效果，因此建筑的这种效应可起减震作用。

Soil-structureinteraction,

SSI 通常，建于基岩上的建筑，由于能量无法散逸而不存在这种效应，地基越软，则向下散逸的能量越多，其效应越明显。

Soil-structureinteraction,

SSI 近些年来的强震观测资料和振动试验结果越来越表明，结构与地基之间的相互作用是客观存在的。因此，对处于软地基上的特别是高层建筑，在计算其地震反应时必须考虑地基与结构相互作用。考虑SSI时结构地震内力的调整

我国现行《抗震规范》规定的地震作用计算，都是在刚性地基假定下进行的。理论分析表明，由于土－结构相互作用(SSI)的影响，地基土对地震作用有衰减作用。但考虑到我国地震作用取值与国外相比还偏小，故仅在必要时才考虑对水平地震作用予以折减。

考虑SSI时结构地震内力的调整

《抗震规范》规定，结构抗震计算时，一般情况下可不考虑土－结构相互作用(SSI)的影响。

考虑SSI时结构地震内力的调整

当考虑土－结构相互作用(SSI)，且情况如下时，需要进行一定的折减：8度和9度时，建造在III、IV类场地，采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑，当结构的基本周期处于特征周期的1.2倍至5倍范围。考虑SSI时结构地震内力的调整 对于高宽比小于3的结构，各楼层地震剪力折减系数按下式计算：

——考虑土－结构相互作用后的地震剪力折减系数

——按刚性地基假定确定的结构基本周期(s)

——考虑土－结构相互作用(SSI)的附加周期

考虑SSI时结构地震内力的调整附加周期(s)基本烈度场地类别场地类别

IIIIV80.080.2090.100.25考虑SSI时结构地震内力的调整

对于高宽比不小于3的结构，研究表明，对高宽比较大的高层建筑，考虑土－结构相互作用(SSI)后各楼层水平地震作用折减系数并非各楼层均为同一常数，由于高振型的影响，结构上部几层水平地震作用不宜折减。大量分析计算表明，折减系数沿结构高度的变化符合抛物线型分布。

考虑SSI时结构地震内力的调整 因此，《抗震规范》规定，底部的地震剪力按上述规定折减，顶部不折减，中间各层按线性插值折减。折减后各楼层的水平地震剪力，不应小于各楼层水平地震剪力最小值的规定要求。第七节建筑抗震设计对EGM

的定量表示

基于承载力设计方法

基于承载力设计方法又可分为静力法和反应谱法。静力法产生于二十世纪初期，是最早的结构抗震设计方法。

EGM的定量表示

上世纪初前后，日本浓尾、美国旧金山和意大利Messina的几次大地震中，人们注意到地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用，提出把地震作用看成作用在建筑上的一个总水平力，该水平力取为建筑总重量乘以一个地震系数。

EGM的定量表示 意大利都灵大学应用力学教授M.Panetti建议，1层建筑取设计地震水平力为上部重量的1/10，2层和3层取上部重量的1/12。

这是最早的将水平地震力定量化的建筑抗震设计方法。EGM的定量表示

日本关东大地震后，1924年日本“都市建筑规范”首次增设的抗震设计规定，取地震系数为0.1。1927年美国UBC规范的第一版也采用静力法，地震系数也是取0.1。EGM的定量表示 显然,静力法没有考虑结构的动力效应，结构随地基作整体水平刚体移动,其运动加速度等于地面运动加速度,由此产生的水平惯性力即建筑重量与地震系数的乘积,并沿建筑高度均匀分布。设计中,地面运动加速度按不同地震烈度分区给出,以考虑不同地区地震强度的差别。EGM的定量表示

实际上，结构上质点的地震反应加速度不同于地面运动加速度，而是与结构自振周期和阻尼比有关。采用动力学的方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。EGM的定量表示

以地震加速度反应为竖坐标，以体系的自振周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理，这即是反应谱法。对于多自由度体系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。EGM的定量表示 反应谱法的发展与地震地面运动的记录直接相关。1923年，美国研制出第一台强震地震地面运动记录仪，并在随后的几十年间成功地记录到许多强震记录，其中包括1940年的ElCentro和1952年的Taft等多条著名的强震地面运动记录。EGM的定量表示

1943年M.A.Biot发表了以实际地震纪录求得的加速度反应谱。二十世纪50到70年代，以美国的G.W.Housner、N.M.Newmark和R.W.Clough为代表的一批学者在此基础上又进行了大量的研究工作,对结构动力学和地震工程学的发展作出了重要贡献，奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础。EGM的定量表示基于承载力和构造保证延性设计方法

显然，反应谱法是以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应。当遭遇超过设计烈度的地震作用，结构进入弹塑性状态，这种方法显然无法应用。

EGM的定量表示

同时，在由静力法向反应谱法过渡的过程中，人们发现短周期结构加速度谱值比静力法中的地震系数大1倍以上。这使得地震工程师无法解释以前按静力法设计的建筑如何能够经受得住强烈地震作用。EGM的定量表示

为解决由静力法向反应谱法的过渡问题，以美国UBC规范为代表，通过地震力降低系数R将反应谱法得到的加速度反应值am降低到与静力法水平地震相当的设计地震加速度ad，ad=am/R