地震学基础-强地振动及其观测【优质课堂】

1、强震活动，对工程结构有相当大的影响，引起结构破坏的地震活动称为强震活动。地震损伤调查研究表明，强烈的地面震动是房屋和工程结构破坏的根本原因之一，也是工程结构地震反应分析的输入。基于强震观测资料研究强震特征和强震预测是工程地震学或强震地震学的研究内容是地震工程的重要内容。1，高质量教室，5.1强震观测，强震观测利用强震仪记录地震发生时的地面运动时间过程和工程结构的地震响应时间过程，为工程地震学、结构地震研究和应用提供地动和结构反应的观测资料。强震观测是地震工程研究的基础，强震观测记录也可以应用于强度速报、地震预警、地震灾害快速评估、地震应急和结构振动控制、结构健康诊断等。2，高质量教室，5.1.

2、1强地震仪，强地震仪是用地震计等基本原理记录强地震时间过程的专用仪器，但记录的地面运动物理量大部分是加速度(小速度)，仪表的大波段，多频率成分的地面振动，其工作方式在地震发生前触发。3、高质量教室、强地震计的结构、强地震计由振动器(传感器)和记录系统组成，通常使用相互垂直的三向拾音器，可以记录两个水平方向和一个垂直方向的地面振动。记录系统由记录装置、时间显示系统、传输系统和电源系统等组成。几乎所有强地震计都具有自动触发控制功能，只有当当地振动振幅达到设定的阈值时才会记录，拾取装置选择的地震信号通过电路记录在电流表(或磁带、内存等)中。时间系统为强大的地震仪提供了准确的地震发生时间和时间标记。传

3、输系统将有关地面运动持续时间数据、时间等的信息按照设定发送到记录处理中心。4，高质量教室，强地震仪的分类，按记录分类，强地震仪：笔记录强地震仪电电流表记录强地震仪模拟磁带强地震仪数字磁带强地震仪固态存储数字强地震仪记录的物理量：强地震加速度计强地震速度表，5，优秀教室，强地震仪的主要性能指标，灵敏度是单位加速(或速度)强地震仪的灵敏度意义不同，电流表记录和光直接地震仪灵敏度的mm/g，磁带记录和数字强震率灵敏度的v/g；Mm是记录信号的振幅，v是记录信号的电压，g是重力加速度。范围谐振器能达到的物理量测量的上下限值。现代谐振器可以完美地记录0.0001到2g的加速度值，模拟-数字转换器的二进制

4、位数(bit)超过12个字符。6，高质量教室，强震对正弦信号的频率响应特性。频率响应包括振幅-频率特性和相位-频率特性。在输入振幅恒定的情况下，强地震仪记录了基于振动频率的幅频特性。振幅-频率特性指示记录的地面-振动比例相同。根据记录的相位振动频率的变化称为相位频率特性，表示记录相对原始地面振动的相位差。仪器测量频率范围针对强震的幅度-频率特性定义为最小-最大频率减少3dB的带宽。现代强震记录地震动的周期范围至少为0.0420秒。7，高质量教室，动态范围仪表以分贝(dB)表示，在允许的失真条件下可以记录的地面振动范围也与范围的含义相似：dB=20*lg(测量的上限/测量的阈值)5.1.1-1电

5、流表记录谐振器和光直接记录谐振器的动态范围通常为40dB触发方法包括机械触发、带通阈值触发、差对比触发、定时触发、手动触发等。8，高质量教室，记录介质主要为胶片、感光纸、磁带、存储、u盘和硬盘。静电力强地震仪等地震。取样率谐振器输出电压每秒取样的次数，数字谐振器的取样率一般可以在50sps、100sps、200sps、400sps 4文件中选择，最新谐振器的取样间隔至少为0.01秒。时间准确度强地震仪内部时钟和世界标准时间的相对误差，现代强地震仪的时间基准准确度高达510-7秒。数据存储最新强地震计预存储时间最长5秒，“防止磁头丢失”；容量足够自动充电的电源；自动传输数据。9，高质量教室，5.

6、1.2强震台和强震台自1933年美国在加利福尼亚长滩地震中创造了第一次地震加速度记录以来，强震观测迅速展开。日本于1951年末成立了“强震加速度计委员会”，随后通过气象厅、大学研究机关、企业联合进行了全国强震观测。目前约有40多个国家进行了强有力的地震观测，设置了各种规模的观测网，用于强有力的地震观测的机构超过2万台。美国目前正在实施安装5000台强震器，部署6000台强震器的新计划。美国加利福尼亚规定，所有超过6层的建筑物在地下室、顶部和中间层各设置一个强烈的地震仪。日本有近5000台强震动观测设备。中国大陆目前约有2000台强震，台湾部署了700多台强震台。10、高质量教室，以1962年广

7、东新丰江水库地震监测为契机，开始了中国的强震观测。此后，地震局、行业、高中陆续设置了强震观测台。台湾的强震台网络建设始于1972年。1980年中国的数字强震台建成后，强震观测复盖了大陆30个省、自治区、直辖市。目前，中国的数字强震台是建立在21个国家地震重点监视防御区内的数字强震网，8个一级监视防御区，网络密度平均每600平方公里1台，13个二级监视防御区，网络密度平均每1800平方公里1台。5个大城市(北京、天津、兰州、乌鲁木齐、昆明)的强度速报网有370个速报台，下位平均密度每50平方公里可达1台。台湾由国家强震台中心、各地区网和地方强震台三级组成。速度广播站网络站安装在(1)人口密集地区

8、。(2)活动断层区或地震活动区；(3)高层建筑附近；(4)靠近重要工程建筑；(5)生命线工程附近；(6)不同类型的场地。11，高质量教室，中国数字强震动观测站网络，12，高质量教室，中国台湾华联强地震阵列，13，高质量教室，观测站的布置完全根据研究目的设定为强地震阵列。为了研究地震动衰减特性，仪器应定位在垂直和水平地震发生缺陷的方向，称为交叉断层阵列或地震动衰减阵列。要研究山丘或盆地对地面运动的影响，必须位于通过强震(包括基岩和土土)的测量线上，这称为区域场地影响矩阵。要研究基岩到土壤的地面运动传播方法，就要在深井下与地面同时观测，这称为三维阵列。研究场所利用微分阵列引起地面运动的空间分布变化

9、。研究基础和结构相互作用土-结构相互作用排列，研究结构地震反应结构排列；还有用于特定特殊研究的特殊安排，如沙子液化。14、高质量教室、5.1.3强地震数据处理、强地震观测记录数字化、计量校正、误差校正、日常分析计算和输出结果等的数据处理过程。强震记录的数据是需要整体振动波形、零线和时间尺度的三分量地震动周期。原始记录可以是仪器失真、数字误差和数字积分误差、15、高质量教室、5.2强地震动特性和参数、不同强地震加速度记录的幅度、频率分量和持续时间(一起强振动3要素)有很大的差异，因此，分析这些特性，说明差异的原因，根据研究结果模拟和预测强震动是工程地震研究的目标。16，高质量教室，脉冲类型：一般

10、在震源附近的岩斑或坚硬的土壤场地，大地震近场，特别是比其他重量大一个方向重量。余震的近场震动往往是短周期脉冲。帕克菲尔德强震记录，17，高质量教室，日本气象厅在坂神地震神户市中心火车站取得的记录，水平分量峰为820厘米/s2，持续时间不长，但振幅大，周期长。这次地震对神户市住宅、高架桥、港口设施等造成了严重的破坏。日本神户强震记录，18，高质量教室，1985年墨西哥近海地震(8级)在墨西哥城软土站(CDAO)取得的记录。这是典型的软土地基强震记录。长周期型，主要由软土场地，低地震频率，保持时间，墨西哥城强震记录，19，优秀教室，中国强震记录，20，优秀教室，目前记录的最大地震加速度最高值为2g

11、(1992年美国加利福尼亚佩罗利亚地震Cap Mendocino站)另外，1994年美国洛杉矶北岭地震塔赞纳台1.82g，1976年美国圣伯南岛地震帕科伊马大坝1.23g，1979年美国林谷地震6号站1.49g等，有超过1g的记录。但是，这种峰值对应频率是高而尖锐的脉冲，对地震工程没有什么意义。记录的最大速度峰值为300厘米/秒(1999年台湾集水地震，TCU068站)。通过记录的水平加速度峰值与垂直加速度峰值的比较可以看出，距震中25公里的距离，垂直峰值是平均水平峰值的1/2-2/3。近垂直分量峰值增加，震中小于10公里，测量的垂直加速度峰值通常类似于水平峰值，或者超过水平分量。21，高质量

12、教室，强震动3要素，地震动强度(峰值)地震谱(反应谱、傅谱、功率谱)地震动周期，22，高质量教室，5.2.1地运动强度，加速度峰值是地运动加速周期中最大值的绝对值，PGA或amax记录为；单位为cm/s/s(也称为gal)或m/s/s，或者重力加速度g。是地震工程中最常用的地震动参数。23、高质量教室，计算了反应谱、基准输入地震动下不同固有频率单自由度弹性系统的动态响应，反应最大值绝对值随系统固有振动周期变化的关系，反应谱。响应谱与输入地面运动的特性及单自由度弹性系统的动态特性有关。响应谱描述了地面运动的特性(不反映时间和相位特性)，也是结构抗震设计的工具。5.2.2地面运动谱，24，高质量教

13、室，埃森哲记录反应谱，埃森哲地震南北分量的绝对加速度ACC，相对速度VEL和相对位移DIS反应谱，绝对加速度ACC，相对速度VEL，相对位移DIS，25，高质量教室，傅立叶谱复杂的强地面运动时间过程可以表示为多个不同振幅和频率的简单谐波函数(即三角正弦函数或余弦函数)的叠加。26，高质量教室，傅里叶光谱傅里叶频谱是强地震时间过程的傅里叶变换。复杂的强地面运动时间过程可以用多个不同幅度和频率的谐波函数(即三角正弦函数或馀弦函数)的叠加来表示(见图)。图5.2.2-3时间序列函数的傅里叶分解示意图通过横坐标，将构成地面运动时间过程的每个谐波函数的振幅和相位分别排列到纵坐标绘图上，可以获得其地面振动

14、的傅里叶振幅谱和傅里叶相位谱。白光光谱等时间过程的傅里叶频谱清楚地反映了一个复杂事物的多种成分，对理解和分析地动态特性有很大帮助。P68，两个缺少的文本！27，高质量教室，如图所示，埃森泰罗地震时间表包含从0赫兹到10赫兹以上的许多谐振组件，其中12赫兹左右频段内振动的幅度最大，可以说是优秀频段；对应于最大值的频率称为雨水频率。埃森哲地震时间和傅里叶振幅谱，28，高质量教室，功率谱，功率谱是描述地震动平均谱特性的函数，是功率谱密度函数的缩写。地震动是一个复杂、难以准确预测的时间过程，从几乎相同的大小、距离和场地条件下获得的一组地震动记录可以看作地运动的随机过程，每个地震动称为随机过程的样本。样

15、品多种多样，但有共同的统计特性，其平均光谱特性比一个样品的光谱特性更有意义。在每个状态进行过程中，功率谱是分段傅里叶振幅谱平方的平均值。29，高质量教室，5.2.3地面运动期间，地面运动时间过程的长短，结构的地震反应进入非线性阶段后，地面运动时间的长短影响结构的最终损伤程度；持续时间越长，累积损伤的可能性越大。在工程中，大幅度的强震活动持续时间是人们关注的问题。30，高质量教室，具有能量时en (t)-地面动能函数a (t)-加速时间过程to-地面运动的总持续时间，31，高质量教室，5.2.4强地面运动的影响因素，地震波从源出发，通过地壳介质到达现场。震中、地壳介质和场地使地表的地面运动过程变

16、得非常复杂。32，高质量教室，震中对振动的影响，方向性效应是随着断层破裂向一个方向传播，破裂传播前后的地震幅度、频率和保留时发生显著差异的现象。错误故障可能导致的近场永久位移(也称为滑动)。近场振动往往会产生大速度脉冲，这可能是破裂传播的方向性效应和缺陷滑移造成的。地震断层为倾斜断层时，与断层距离相等的上纸板振动可能比下半部强，这称为上板效应。33，高质量教室，传播介质的影响，地壳介质中地震波的几何扩散和介质非弹性阻尼，使地震能量减少，随着震源距离的增加，地震幅度减少的趋势，高频成分的衰减速度快。地震波在地下界面上反射和折射，形成p波和s波的转换和面波，改变地震波的强度和传播方向。复杂的传播介

17、质大大改变地震波的强度、谱和持续时间。34，优秀的教室，区域场地的影响，场地的土壤结构对地面运动的特性有重要影响。1985年墨西哥地震，距震中约400公里的墨西哥城软土场地的地面运动强度远高于岩石场地的强度，导致许多10层左右的建筑物倒塌或严重受损。相反，坚硬的场地会扩大地面震动的高频成分，威胁坚固的建筑物。上述现象称为扩大网站的频率选择。土层的阻尼减少了地面运动的振幅，通过沙子的液化大大扩大了地面运动的优越性。据悉，地震损失和研究结果指标地形的起伏，地下媒体特性的横向变化，也对地体运动有很大影响。山脊凸起的地面震动一般很强，地震波在流域内进行往复传播会增加地震动强度和持续时间。后者称为流域效应。35，高质量教室，5.3强地震衰减，大小、距离、地点等因素表征地震参数变化的实证统计关系，可以通过简单关系拟合强地震观测资料确定。，36，高质量教室，图5.3-1加速峰值衰减曲线可以在衰减关系中增加大小m的平方项，以反映近高频地震动随大小增加而饱和的现象，使此项的系数为负值；这样，随着大小的增加，地面运动