地震工程学复习资料#考试学习

1、地震工程学： 地震工程学是研究地震动、工程结构地震反应 和抗震减灾理论的科学。 从学科上看，地震工程学跨越地震学、工程学 与社会学三个学科，且以前两者为主，它具体包括 工程地震与结构抗震两个分支。 地震学与地震工程学 前者需要从后者去实现其最终目的； 后者需要以前者的研究结果为基础； 相互衔接的地方，两者都要去研究，很难区分应该属于 哪一个学科； 两者各有自己的目的，重点各不相同 。二、地震工程学的基本内容 地震工程学科的任务： 根据地震预报现有的结果，在国家经济政策的 指导下，经济、安全而又合理地制定新建工程的抗 震设防技术措施、对已有工程制定鉴定标准和加固 措施。 根据专业性质和工作阶段，

2、地震工程学的研究可分 为几个部分： （1）地震危险性分析与地震区划 根据地震长期预报的结果（未来地震的时间、地 点、强度、概率）对选用的地震动设计参数，估计其 大小与发生概率，即地震危险性；再根据危险性大小， 作出以这些参数为指标的地震动区划。 如我国现有的 地震烈度区划图。 这一工作把地震工作者的预报结果，转化为工程 抗震所需参数的预报地震烈度区划是根据国家抗震设防需要 和当前的科学技术水平，按照长时期内各地 可能遭受的地震危险程度对国土进行划分， 以图件的形式展示地区间潜在地震危险性的 差异 。 （2）抗震规范与抗震设计 对新建工程，规定法定抗震原则和具体措施，在 抗震设计中必须遵守。 这

3、些原则和措施是根据宏观震害总结出来的抗震 经验，从强震观测、结构试验与动力分析所了解的结 构抗震原理，以及工程设计者的工程经验这三方面综 合起来的技术成果，在国家经济政策指导下，制定的 综合准则。 （3）抗震鉴定加固 对已有工程，针对当地未来可能遭遇的地震危险， 估计已有工程的危害性，提出加固的原则和可行的技 术措施。 （4） 抗震救灾 一项是在已发生强地震的现场，为了减轻可能的 进一步的危害而应采取的措施； 另一项是对短临强地震预报区进行的防灾准备。 工程地震 ：研究的问题是中、长期地震预报中的潜在震源 区划分、潜在震源区地震活动性规律、地震动工程 参数的选择，以及这些参数的估计等。 由于地

4、震动衰减规律有很大的随机性，所以对地 震动活动性规律和地震危险性评估都要给出概率的 含义。因此有地震动区划（大地区）、小区划（场 地）、烈度区划； 结构抗震 ：研究以结构动力学和工程学为基础，研究内容 包括建筑材料与地基的动力性能、构件与结构振动 特性、结构动力反应（非线性或弹塑性反应）、结 构物的弹塑性与脆性破坏的机制，以及结构可靠性 理论和工程设计等领域。 三、地震工程学的特点 该学科属综合型的应用科学，除了具有应用科学的一般 特点外， 还有自身的特点： 1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础 2.地震作用是地震工程学研究的重点 3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热

5、点 4.广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方 向 1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础 这是一门理论性很强的学科，但它更是一门强烈要求经验背景支持的学科。这些经验背景包括强震观测、震害经验和试验研究三个基本方面。强震观测是研究地震动的基础，也是进行结构动力试验的主要依据；如用于：抗震设计的反应谱理论研究、随机地震反应分析等。 对震害经验的总结，始终是人们进行抗震设计、完善抗震技术、开拓研究领域的重要依据。进行典型环境下的试验研究是现代应用科学的基本手段之一。以研究地基与机构动力性能为目的的现场与室内试验，是丰富地震工程学内容，改进地 震工程学理论的有利手段， 如振动台

6、试验技术。 2. 地震作用是地震工程学研究的重点 地震作用属于动力荷载。动力荷载与一般静力荷载的区别 体现在： 1）结构所受动力荷载的大小与结构自身特性密切相 关，结构的质量和刚度的大小直接影响地震作用的强弱。 2）地震作用是一种不规则的循环往复荷载，其解 答不具有静力问题解答的唯一性，工程上主要关注地震作用峰值； 3）与静力荷载相比，地震作用具有更大的随机性，表现在发生过程的不确定性、发生地点、时间、强弱的不确定性上。因此，抗震设计有别于一般静力设计。 3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热点 由于地震作用在强度上的不确定性，一般结构物都可能 在未来强震中进入破坏阶段。因此，结构

7、非线性成为地震工程学的一个研究热点。 研究发现：控制结构破坏的基本变量不仅与结构所能承受的最大荷载有关，而且还与结构的最大变形反应和累积损伤破坏有关，由此发展了强度-变形双重设计准则等理论。 考虑复杂地震动输入（多维、多点输入）的理论与试验工作日趋增多，并逐渐形成现代地震工程研究的热点。 4. 广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方向 2.1 板块运动 6大板块：美洲板块，欧亚板块，非洲板块，印度洋板块，南极洲板块，太平洋板块(全为洋壳)。目前，全球划分出十多个大小不等的板块。在大板块内又可进一步划分次一级板块(中型板块)，再次小型板块。如华北板块、扬子板块，其间秦岭-大别山为碰撞

8、造山带。 板块间的分界线是大洋中脊、俯冲带和转换断层。板块在大洋中脊继续增生扩张，而在俯冲带则下沉和消减。这是构造动荡激烈的部位，是地震、火山活动的主要发生地。 世界范围内的主要地震带 (1)环太平洋地震带 这是世界上最大的地震带，在狭窄条带内震中密度也最大，全世界约80的浅源地震、90的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80。此带的震源深度有自岛弧外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面。 (2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带 此带震中分布较前者为分散，带的宽度大且有分支。以浅源震为主，中源震在帕米尔、喜马拉雅有所

9、分布，深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震带以外的几乎所有深源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15。 （3）大洋海岭地震带 主要呈线状分布于各大洋的接近中部(图1-3)。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小于30km，震级除少数例外均不超过5级。 有一些地震并不发生在板块边缘附近，这些地震称为板内地震。与板边地震性比，板内地震有如下三个特点： 1. 地震地点零散，频度较低 2. 板内地震危害大. 3. 板内地震的震源机制复杂. 2.3 震源机制与地震类型 2.3.1 震源机制 一. 地震成因的宏观背景-板块观点 板块构造学说 地壳与上地幔的岩石层组成了全球

10、岩石圈，地幔上部软流层的物质由海岭涌出，推着图1-4 全球软流圈流动示意图软流层以上厚约100km的岩石圈在水平方向移动， 形成新的海底并造成海底扩张；岩石圈在海沟处又插入另一部分岩石圈之下，返回软流层，同时形成下降流。这样，海岭与海沟间形成地幔对流体，承 载着上部的板块缓慢漂移。 当两板块相遇，其中 一个板块俯冲插入另一个 板块之下，在此过程中，由于板块内部复杂的应力状态，引起其本身与附近 地壳和岩石层的脆性破裂而发生地震。另一方面软流层与板块之间的界面很不平坦，而且软流层本身 图1-5 板块相遇示意图 仍具有较大的刚度，因此造成板块内部的复杂应力状态和不均匀变形，诱发板块内地震。而板块内的

11、岩体断层则提供了发生地震的内在条件。 二. 地震成因的局部机制-弹性回跳假说 二十世纪由里德（Reid）提出 （1）. 地壳由弹性的、有断层的岩层组成； （2）. 地壳运动产生的能量以弹性应变能的形式在断层附近岩层中长期积累； （3）. 当弹性应变能积累，岩层变形达到一定程度时，断层上及邻近点随之发生相对错动，岩体向相反方向突然滑动，地震因之产生，长期积累的弹性应变能突然释放； 弹性回跳说的改进 粘滑说 （4）. 这种释放只是总应变能的一部分，而剩余部分则为断层面上很高的摩擦力所平衡； （5）. 地震后，断层两侧摩擦力使其固结，并可以再次积累应力而发生较大的地震。 2.3.2 地震类型 一.地

12、震分类 类型 火山地震 、天然地震、陷落地震 、诱发地震 根据地震深度，地震可以分为： 浅源地震 H6070km，占地震总数的72%； 中源地震 70H300km，仅占地震总数的4%，目前观测到的最大震源深度为720km。 按地震M级大小： 大地震 ：M =7级 中地震： 7M=5 小地震： 5M=3, 微地震： 3M=1 超地震： MVI度，判定地震烈度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；X度应结合建筑物或构筑物的破坏程度，并根据地表现象来确定；XI、XII度的评定，需要专门研究。 （）“一般房屋”在中国地震烈度表（1980）中指土构架和土、石 砖墙构造的旧式房屋和单层或多层未经抗震设计的新式

13、砖房。由于我国城市目前一般都已设防，有的乡村也开始设防，烈度表中的“一般房屋”一般已不普遍，调查中应区别设防与不设防的房屋破坏程度对烈度的反映，给出合理的烈度值。对于质量特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表列各烈度的震害程度和震害指数予以提高或降低。 （）“人的感觉”指平房内或楼房低层内人的感觉。 （）表中震害指数是对上述“一般房屋”而言。“完好”为，“毁灭”为，中间按表列震害程度分级。平均震害指数是对所有房屋的震害指数的总平均值而言，可以用普查或抽查的方法确定之。 （）使用本表时可根据地区具体情况，作出临时的补充规定。 （）烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱。 （）表中数量词的说明：个别：

14、以下；少数：；多数：；大多数：；普遍：以上。（）对重要的工业设施，如桥梁、重要车间、高层建筑、巷道等，要进行专门的调查，在调查中应结合设防情况进行评估。 （4） 地震烈度的特性 衡量地震动强弱的地震烈度尺度有三个特性：1） 多指标的综合性 2）分等级的宏观模糊性 3）以后果表示原因的间接性 （5）地震烈度存在的问题： 由于具有多指标综合性，在多个指标评定结果相差较多时，评定结果受规定者个人主观决定较多。如震中烈度的评定，有些震例，从震中断层破裂来 看，烈度可达度，但附近结构物的震害却至多有，导致震中区烈度不统一；另外由于结构物的动力特性不相同，在地震中会有不同的表现。由此，无论如何调整不同结构

15、的烈度尺度，都不可能使不同尺子量出的烈度值相统一。 现有烈度评定的精度是不高的，在极端情况下相差可达4度之多，一般来说都会有1度之差的精度。 国际上的惯例是烈度只能为整数，而不出现小数，如8.5度，7度半等；但在不少报告中，如我国和苏联，有时也出现这种描述。 （6） 宏观烈度的地质效应 一、烈度的构造效应 区域性活动断裂和活动构造控制了等烈度线的总体形状，即等烈度的长轴延伸方向多半和区域活动构造方向相一致。直接处于发震断层或新的地震断层上的各类建筑物，其震害响应增加，烈度和震害指数普遍升高。发震断层的破裂传播方向和方式也控制了极震区的烈度分布特点。 二、烈度的地貌效应 地形地貌条件对烈度的影响

16、在许多宏观地震调查中都有所反映。概括起来表现为： （1）孤突地形、山丘、山梁等的烈度和震害普遍高于规则地形地貌区的震害和烈度。 （2）同一阶地前缘、边缘的震害一般大于阶地地面和后缘；狭长山梁的前缘、段部也较之中部、鞍部和后缘为重。 （3）在斜坡的场地上，陡坡的震害往往高于缓坡；狭长坡的震害往往也较开阔山坡地震害为重。 （4）宏观地貌特征控制了松散沉积物的发育和分布。 三、烈度的土质效应 土质条件对宏观烈度的影响主要表现在土的类型和厚度上： （1）稳定岩石地区的烈度普遍小于软弱的土层分布区。 （2）粘性土类震害程度一般；人工填土震害程度严重；砂土震害程度严重；淤泥质土震害非常严重 （3）对于覆盖

17、土层，震害随土层厚度增加而增加。 （7） 影响地震烈度分布的因素 u 震源深度、传播途径与距离、场地条件 （8） 地震烈度分布及工程烈度 一、等震线图 同一次地震影响下，按地震烈度表评定出波及区每一地点的烈度，具有相同烈度的区域外包线称为等震线。理想的等震线是一些规则的同心圆，实际上由于地形和建筑物的差异性影响，多呈见此增大的一套椭圆。但有时因地形、地质等因素的影响，会在某一区出现误差1度的异常区。 根据等震线图的研究，可以确定宏观震中的位置，还可以确定等震线的形态特征与发震断层的关系。一般，等震线长轴方向平行发震断层走向（如图3-1）。极震区等震线的长度大体反映了断层的破裂长度，等震线稀疏的

18、一侧是发震断层的倾斜方向，即间距在断层倾斜方向较大。若两侧等震线基本对称，则断层近于直立。 二、工程烈度 烈度在工程上的意义，主要是作为工程抗震的标准，在工程 上有如下的烈度概念。 基本烈度指场地在100年内可能遇到的最大地震烈度，是工程设防的基础。 设防烈度是指一个地区的经过有关部门批准的设防依据。对于一个地区，各类建筑物的设防烈度相同。设防烈度提出如下三个水准的烈度概念： 常遇烈度。结构在此类烈度作用下处于小震不坏的弹性阶段。 基本烈度。结构在此烈度作用下处于弹塑性阶段。 旱遇烈度。结构在此烈度的作用下处于大震不倒的弹塑性阶段。 设计烈度指针对一个具体的建筑物，考虑到政治、经济的重要性，在

19、基本烈度的基础上进行调整。 （9）烈度在工程抗震中的作用 烈度不仅作为地震宏观破坏或地震动强弱的量度，而且也作为抗震设防的标准。 烈度在工程抗震中的作用体现在下面两方面： 1） 作为抗震验算的基础，包括地基基础抗震验算和结构的 抗震验算。2） 作为地基基础和结构抗震措施施行的基础。与工程抗震设计的联系体现在：把地震烈度作为联系地震动，尤其是地震动峰值加速度大小的一个量化指标。我国颁布的 建筑抗震设计规范（GBT11-89）仍然用烈度概念作为衡量地震作用大小的依据。 对地震烈度的理解： 仅仅是一定范围内地震影响强弱程度的总评价。它主要用物在地震动作用下的后果来衡量，这种衡量是定性的、宏观的、综合

20、的。因此，烈度是一个粗略的等级概念。在目前条件下，还不可能由地震烈度来推导出或区分出地震动各种作用的具体量化指标。 把某一具体地震动参数与地震烈度直接对应 是值得探讨的。 2.7地震波与波动方程2.7.1 地震波类型 体波：通过地球本体传播的波 面波：体波经过反射、折射后，在介质的界面或自由面（如地面）传播 纵波（P）：压缩波，对应于介质体应变，三维扩散 体波 横波（S：剪切波，对应于切应变，二维扩散破坏性最大 瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进 面波（L） 勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进 体 波 纵波（P波）：弹性介质在正应力作用下发生体应变产生的波动称为纵波。 体 波 横波（S

21、波）：弹性介质在切应力作用下发生切应变产生的波动称为横波。横波质点振动方向与波传播方向垂直，又可分为SH波和SV波。 面 波 瑞利波：在自由表面上产生的沿自由表面传播的面波。地震勘探中的面波指瑞利波。 勒夫波：分布在低速层与高速层分界面上，与SH波类似，又称横面波。 2.7.2 波动方程 波动方程的基本形式: 在极短期的迅速变化的动力作用下，岩石近似为弹性体，可在小变形弹性理论框架内，运用牛顿第二定律，可建立弹性体的运动微分方程，推导出各向同性弹性介质波动方程的基本形式： 4.1 地震观测技术 4.2 地震动的随机过程描述 4.3 地震动及其特征参数 4.4 强震加速度合成 4.1地震观测技术

22、 地震动：指由震源释放出来的地震波引起的地面运动。这种地面运动可以用地面质点的加速度、速度或位移的时间函数表示。地震动的显著特点是其时程函数的不规则性。地震动通常通过观测手段来研究 。地震动观测仪器主要 地震仪和强震加速度仪 （1） 地震仪 一般来说，地震仪以弱振动为主要测量对象，测量地震动位移。服务于地震学 研究 。目的：确定地震震源的地点和力学特性、发震时间和地震大小，从而了解震源机制、地震波特性和传播规律。 （2） 强震加速度仪 强震加速度仪以强地震动为观测对象，测量地震动的加速度。强震加速度仪记录拾振器所在点的三个互相垂直分量的地震动，每一分量各由一个拾振器、一个放大器和一个记录器组成

23、的系统记录。服务于地震工程研究。目的：确定强地震时测点处的地震动和结构振动反应，了解结构物的地震动输入特性、结构物的抗震特性，为抗震设计提供依据。强震仪：记录强烈地震动的加速度。 地震仪与强震加速度仪的对比 强震仪是靠地震动本身启动的，有“丢头”现象，即：开始一部分小于启动下限的地震动被丢掉了。并且仪器的启动还需一定的延迟时间（ 约0.1s） 。强震加速度仪按类型可分为模拟式和数字式两类 模拟式: 1） 记录丢头； 2）记录长周期和极大加速度的能力不足； 0.03- 20s 0.001-2.0g 3）预处理容易引起误差 数字式: 拾振器将地震动讯号变为电量，经过模数转换变为数字量，优点： 1）

24、一般不丢头； 2）周期范围宽，长周期振动精度高 3）预处理大为简化，可迅速用于计算机处理 （3）常见地震观测仪器的工作原理 可由单自由度体系的运动方程来表示：分别为拾振器摆相对于地面的加 速度、速度和位移分别为该体系的阻尼比和摆的自 振频率。 地震仪与强震加速度仪在原理上的差别就是在这两个系数的不同。适当选择这两个系数可以使上式中左端三项中的某一项远大于其它两项，从而使仪器记录摆的相对位移分别代表地面运动的位移、速度和加速度。 4.1.2 强震观测现状 强震观测是地震工程学的基础之一。自强震加速度仪 出现50余年来，强震观测记录有力地推动了地震工程学的发展，正是在强震记录的基础上，产生了地震反

25、应谱理论，发展了随机振动理论，加深了对地震动特性的认识，促进了结构动力反应分析技术的形成和振动台试验技术的实现。 按观测目的，现有强震观测系统可以分为下述六种。 1_地震动衰减台阵 这种台阵观测的目的在于了解地震动随断层或震中距离而衰减的规 律。因此一个台阵常包括几台到十几台强震加速度仪，成线状地跨过发震可能性较大的断层，有些台阵现在已经取得了较好记录。 2区域性地震动台阵 这种台阵的观测目的在于获得一个地区内地震动资料，包括不同场地条件对地震动的影响，如阿拉斯加台阵，共51台；夏威夷台阵，共19台；密西西比谷新马德里台阵，共38台。大都分布较广，线性长度有时达几百公里。 3 断层地震动台阵

26、布设这种台阵目的在于了解震中附近地震动特性，常与上述地震动衰减台阵联合设置。我国也准备在北京附近布置这类台阵，同时考虑地震动衰减台阵。 4 结构地震反应台阵 这种台阵的目的在于了解结构物在强地震作用下的反应，包括结构物的弯剪水平振动、扭转振动、竖向振动以及土结相互作用，因此要求根据结构物的特性在结构物的不同高度和不同水平位置设置多台仪器，特别要在室内地面与室外附近地面布置仪器。 5 地震动密集台阵或差动台阵 这种台阵的目的在于了解在几十米至几百米范围内，地面空间各点的地震动之间有何相关性，以便研究这 种关系对于大跨、多支点、大体积的结构物有何影响。 6地下地震动台阵或三维台阵 这种台阵的目的在

27、于了解在几十米至200m左右的近地表区强震动加速度随地下深度变化的情况，以便更好地了解土结相互作用和设计地下构筑物。这类台阵以日本为最多，主要开始于1963年。仪器包括强震加速度仪、速度仪和位移仪，加速度仪占大多数。 4.2.1 随机过程的概率结构 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个随机变量。一维随机过程可视为多元随机变量的一个自然推广。 随机过程的概率结构可以采用两种形式来定义： 1）概率密度形式 2）特征函数形式 4.2.2自相关函数与功率谱密度函数 从地震动的随机过程描述角度来看，最关 心的数字特征是随机过程的自相关函数与功率谱密度函数

28、。这是因为地震动过程常常用 二阶距平稳过程与一强度函数相乘的形式来描述。自相关函数（Autocorrelation Function）在不同的领域，定义不完全等效。在某些领域，自相关函数等同于自协方差(autocovariance)。功率谱密度：当波的频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为功率谱密度。功率谱密度的单位通常用每赫兹的瓦特数（W/Hz）表示。 二维概率分布密度相关函数描述了随机过程两个状态之间在时域上的相关程度。一般，如果过程中不考虑周期份量，则相关函数是时间差t2-t1的衰减函数。 与时域中的上述自相关函数描述相对应,在频域中最重要的二阶统计数字特征是

29、功率谱密度函数(简称功率谱或谱密度),这一函数定义为自相关函数的傅里叶变换。 4.2.3 地震动加速度过程的频域表示 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系，因此对加速度的随机过程描述研究较多。 分频域描述和时域描述。 时频域描述：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表示。 1）白噪声过程： 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声（每高一个八度，频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著增强）。功率谱密度函数

30、为： 2）有限带宽白噪声过程/模型： 理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音（假定地震动频率分布在一定范围内是均匀的）功率谱密度函数为： 3）高斯白噪声： 如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。热 噪声和散粒噪声是高斯白噪声。 所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而 白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。 4）过滤白噪声模型（Kanai-Tajimi公式） 功率谱密度函数为： 5）普里斯特利模型: 4.2.4 地震动

31、加速度过程的时域表示 与前述具有演变谱密度的随机过程相对应,通常采用随时间变化的强度函数和平稳过程的乘积来表示地震动加速度过程: 地震动的持续时间不过只有几秒到几十秒，最多也不过12min。根据典型的地震动加速度过程a(t)记录可见，它们都具有一个共同的特性，即非平稳特性。这种不平稳性常被分为三个阶段：在开始阶段，地震动迅速从小到大；接着是平稳阶段，地震动保持其平均强度不变；然后是衰减阶段，地震动比较缓慢地逐渐减小。 因此，考虑这种不平稳的地震动随机过程模型就被提出来了。它们大多可以写成下述平稳化过程的形式： 4.3 地震动及其特征参数 幅值特性、频谱特性、持时特性、空间相关性 4.3.1 幅

32、值 幅值某种物理量（如加速度、速度、位移中的任何一种）的最大值或某种意义下 的等代值 峰值 等效简谐振幅 有效峰值 平均振幅 持续加速度 Arias强度 等反应谱有效加速度 均方根加速度 概率有效峰值 谱强度 静力等效加速等反应谱 有效加速度 （1）有效峰值加速度EPA和有效峰值速度EPV有效峰值加速度是现行的抗震设计规范使用的，峰值加速度替代烈度，用来确定构造措施和地基处理。将阻尼比为5的加速度反应谱在周期0.10. 5s之间平均为一常值Sa，将阻尼比为5的速度反应谱在1s周期附近平均为一常值Sv，则有效峰值加速度与有效峰值速度的定义分别为 （2）静力等效加速度 根据地震时简单刚体的倾覆、移

33、动和牛顿第二定律，用反推方法计算刚体加速度，也是一种等效振幅值，这里称之为静力等效加速度。 最早附有加速度指标的霍尔登地震烈度表中的加速度值就是这样反推计算得来的。现在日本、印度等国仍继续使用这一概念。它一般远小于地震动加速度过程中的最大值。 （3）Arias强度（阿里亚斯强度）用地震动过程中单质点体系所消耗的单位质量的能量作为地震动总强度。由于这里指的是地震动总能量，不涉及任何宏观烈度的概念，故改为强度)，式中Td为震动持时。 （4）均方根加速度 从随机过程观点看，加速度过程a(t)中的最大峰值是一个随机量，不宜作为地震动特性的标志，而方差则是表示振幅大小特性的一个统计特征。假若取Td为强震

34、动阶段的持时，则地震动过程a(t)在此持时内可以近似看做是平稳过程，那么单位持时的能量与方差成正比： （5）谱强度SI 4.3.2 频谱特性 地震动的频谱组成对结构反应的重要影响。 结构物有其自振频率，假若地震动的频谱集中于低频， 它将引起长周期结构物的巨大反应；反之，若地震动 的卓越频率在高频段，则它对刚性结构物的危害大。这就是所谓的共振效应。 地震动是由各种周期分量按固定比例组成的，三方面认识： 第一，宏观震害现象反复说明地震动频谱组成是不同的。震级愈大、震中愈远、场地土愈软而厚，则频谱中长周期 成分愈突出。可见：地震动频谱是随地震、距离与场地而变的，所以不同自振周期的结构物在不同条件下会

35、产生不同程度的震害。 第二，随着强震动记录的进一步积累，人们不但定性而且定量地了解到地震动频谱形状的变化，在不少地方甚至直接证明了它对结构破坏的决定性影响。第三，从理论上说，高频地震波随距离加长而衰减较低频地震波快，远距离处的地震动频谱会以低频为主。 三种频谱的表达方法 傅立叶谱 、功率谱 、反应谱 局限性 （1）反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性，然而在结构设计中，它仍然把地震惯性力作为静力来对待，所以它只能称为准动力理论。 （2）表征地震动的三要素是振幅、频谱和持时。在制作反应谱过程中虽然考虑了其中的前两个要素，但始终未能反映地震动持续时间对结构破坏程度的重要影响。 （3）反应谱是根据弹性

36、结构地震反应绘制的，引用反映结构延性的结构影响系数后，也只能笼统地给出结构 进入弹塑性状态的结构整体最大地震反应，不能给出结构地震反应的全过程，更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态，因而也就无法找出结构的薄弱环节。目前，反应谱分析法比较成熟，不过它主要适合用于规则结构。对于不规则结构以及高层建筑，各国规范多要求采用时程分析法进行补充计算。在建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）中也有相关规定. 功率谱 功率谱是功率谱密度函数的简称，它定义为单位频带内的信号功率。它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。 功率谱表示了信号功率随着频率的变化关

37、系。常用于功率信号（区别于能量信号）的表述与分析，其曲线一 般横坐标为频率，纵坐标为功率。功率没有负值，所以功率谱曲线上的纵坐标也没有负数值，功率谱曲线所覆盖的面积在数值上等于信号的总功率（能量）。 4.3.3 持时特性 地震持时对震害的影响 强震持时的定义很不统一，常见类型有： （1）绝对持时 （2）相对持时（3）等效持时 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。 4.4 强震加速度合成 地震动参数的研究主要有三类基本的研究方式： 1）侧重于从现象学的角度研究地震动参数。参数的确立往往不区分地震背景条件，而依赖大量强震纪录的综合统计平均；参数有较大离散性。

38、2）侧重于从地震学的角度研究地震动过程。考虑震源的断层破裂方式、长度，波传播方向及传播路径等。受客观知识的不确定性影响较大。 3）将上述两类结合起来，从地震学的角度选取震级、震中距等主要参数，结合场地条件分析，建立依赖于震级、距离、场地条件的地震动参数半经验公式（地震动衰减规律） 与之对应，强地震加速度的合成也存在三个基本类别： 1）一般工程方法（以依赖于场地的反应谱为目标） 2）半经验综合方法（考虑震级、距离、场地的综合影响） 3) 理论或半理论方法（考虑发震断层的影响） 5.1 岩土工程结构物抗震设计概述5.1.1 岩土工程抗震设计特点（1 ）岩土地震工程学的特点地震是地球活动的标志，是地

39、壳构造运动的一种形式，同时，也是一种严重的自然灾害。在地球上，没有什么工程或结构物能够脱离岩土体或场地地基存在，地震或者直接破坏岩土体本身稳定性，或者通过岩土体所构成的地基和场地传递到结构物中。& 人类工程活动对岩土体的利用可归纳为下面 3 个方面:1.将岩土体作为 “ 基础 ” 山区城市（如重庆）的岩石地基，沿海城市（如上海，天津等）的软土地基；公路，铁路的路基，水工建筑物大坝的坝基等。主要考虑岩土体的 强度特性和变形特性。2. 将岩土体作为 “ 环境 ” 城市垃圾的卫生填埋，核废料的处置，都要选择最合理的环境，以免污染地下水，危害人类身体健康；山区公路，铁路隧洞，水电站地下发电厂房，城市地

40、铁,地下停车场，地下商场等。主要考虑岩土体的 强度特性，渗透性和稳定性。3. 将岩土体作为 “ 材料 ” 工业与民用建筑的各种建筑材料（大理岩，花岗岩，砂，卵石，粘土等），水工建筑物（如土石坝）所需的大量天然材料等。主要考虑岩土体的 强度特性，变形特性，颗粒级配等。& 地震对岩土工程活动的影响： a) 地震活动直接对地表岩土体的破坏： 如山区边坡处因地震发生滑坡 、 崩塌；河流地区形成堰塞湖；场地地基隆起或下陷等 。地震对岩土工程活动的影响：b) 地震活动对岩土体上方结构物的破坏： 如震动引起房屋倒塌 、 公路破坏 、 地下结构坍塌 、水库溃坝等 。（2 ）岩土工程抗震设计特点& 岩土工程抗震

41、设计的目的认清岩体和土体在地震条件下的物理力学性质及其变化规律。在各类工程设计与施工过程中给予针对性的指导，减小地震损害。& 岩土工程抗震设计需要了解的内容 1. 地震动的特性； 2. 岩土体动应力应变关系； 3. 岩土体地震反应分析； 4. 测试岩土动力特性的方法和技术； 5. 建立在岩土体上各类工程结构物对地震动的反应。& 岩土地震工程学的研究特点1 ）一个目的，两个途径一个目的，即减轻地震灾害。 对于一个具体工程也好，对一个具体地区也好，该工程场地或该地区地震危险性和危害性正确评价，总是其抗震、防灾、减灾对策的基础和出发点。两个途径，一是抗震 ，即预测设计参数及其地震动效应，并根据岩土体

42、在地震动下的物理、力学特性，按一定的标准选用适当的设防标准，达到工程稳定的目的；二是选场 ，即选择对抗震相对好的场地，避开对抗震不利的地段，或者根据地震效应，采取响应的抗震措施，以达到减轻灾害的目的。2 ）以环境地质影响为基础、地震工程应用为目的、地震效应预测为目标的整体系统研究岩土工程地震学涉及多学科，它是一个 系统工程的学科 。但从本质上讲它是属于环境学范畴。主要体现在地震动传播路径分析中，远场和近场的考虑，椭圆衰减及不同地区不同的衰减特点。局部场地的地质环境、地质条件、岩土体地震动特性是场地地震效应预测的基础 ，包括场地水文地质、工程地质、地形地貌、岩土成因等条件。不同的岩土体条件，不仅

43、出现不同成因类型的震害，而且直接影响震害特点及其危险性。3 ） 系统研究 岩土工程抗震设计特点岩土工程构筑物的抗震性能受 地面位移的影响很大，特别是土与结构的相互作用以及液化效应的影响，给工程设计提出了不少难题。近年来国内外致力于提出一个关于地震的国际新标准，以系统的方式在统一的框架下解决这一问题。在这个标准中，地震作用分 两个步骤来确定：第一步骤确定地震作用基本参数。包括场地地震动、 地震液化和 液化导致的地面大位移等地震相关现象发生的可能性。这些参数在第二步骤中用来确定岩土工程抗震设计中的地震作用。第二步骤中，考虑岩土与结构物的 相互作用。按照静动力分析的组合和土与结构相互作用的方式，第二

44、步骤地震作用分析的类型分成两类：简化分析：即土与结构作为一个整体进行模拟分析；详细分析：即土与结构作为一个耦合体系.岩土工程勘察中有关抗震的问题主要有：地层剪切波速的确定、场地类别的划分、抗震设防烈度的确定及砂土液化的评判等问题。岩土工程设计中有关抗震的问题主要有：边坡的地震稳定性分析、地基的抗震设计、支挡结构的抗震验算等。5.1.2 相关领域抗震设计规范简介建筑抗震设计规范(GB50011-2010)(2010年版)建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2004）(2008年版)铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）修订中公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）修订中水工建筑物抗震设计规范 (DL5073-2000)5.1.3 地震作用与结构地震反应分析基础一、结构抗震理论发展概述地震作用 ：结构的地震反应结构、构件的地震作用效应地震作用和