抗震工程概论(电子教案1)

抗震工程概论

（2005年）

第1章 绪论

随着经济建设的迅速发展和社会财富的快速积累，灾害的防治越来越受到重视。灾害是指那些由于自然的、人为的或人与自然的原因，对人类的生存和社会发展造成损害的各种现象。在国家自然科学基金委员会工程与材料学部的重大工程灾害与防治论证报告中给出了灾害的一种更科学的定义：灾害是指自然环境或工程系统演变过程中失去固有平衡或稳定时造成人类赖以生存的基础破坏或功能失效的突发事件。联合国成立了国际减灾十年委员会，希望通过国际间的合作与努力，力求在十年中有效地降低和防治自然灾害。国际减灾十年委员会（1990－2000）提供的资料表明：1963年至1992年的三十年内，全球自然灾害的受灾总人数30.08亿人，死亡总人数36万人，直接经济损失3400亿美元，其中地震引起的灾害占很大的比例。

1.1地震活动及其灾害

近十年来，我国每年平均灾害损失近1600亿元，相当于国民生产总值的3.8％，国民收入的30％。这一比例是发达国家的十倍。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，20世纪全世界发生的七级以上的强震中，中国占35％，世界历史上一次地震中死亡人数最多的地震发生在我国（1556年明朝时陕西关中地震，死亡83万人），而现代死亡人数最多的两次地震也发生在我国（1920年宁夏海原8.5级大地震，死亡23万多人；1976年唐山7.8级大地震，死亡24万多人，直接经济损失97亿元）。我国的绝大部分地区都受到地震的威胁，在全国450个城市中，位于地震区的占74.5％，28个百万以上人口的大城市中有85.7％位于地震区。从二十世纪初到二十世纪八十年代，我国大陆7级以上地震活动经历了四个活跃期。每个活跃期持续11至17年，平均发生15次左右7级以上大地震。特别是在活跃期的最后阶段更容易发生较大的地震。1988年以来，我国大陆进入了第五个地震活跃期，到现在已发生7级以上的地震八次。

世界范围三十年来的自然灾害经济损失统计资料表明，国民生产总值增加一倍，自然灾害损失增加三倍，随着经济的增长，自然灾害损失呈几何级数增长。最近十年间自然灾害造成的经济损失是六十年代的9.13倍。其中地震灾害造成了大量财产损失。仅1994年美国北岭6.8级和1995年日本阪神6.9级两个地震就造成共约1300亿美元的损失，超过了同期所有其它自然灾害所引起的经济损失的总和（1020亿美元）。

工程抗震研究和设计是减轻和防止地震灾害的重要基础。

1.2工程抗震的内容

刘恢先在为“中国工程抗震研究四十年”一书中写的序言中形象地阐述了工程抗震所包含的内容和相互关系：工程抗震是一栋摩天大厦，有基础、支柱和各楼层，主要包含以下内容：

（1）大厦的基础：地震危险性预测，即地震区划—地震区域划分。

基础研究工作（对抗震工程而言）

① 地震活动性区划（不同地区，未来一段时间内可能出现的最大地震的震级分布）

② 地震动区划（地震烈度区划，地震动参数区划）

③ 地震灾害区划（包括地震引起各类震害的分布）

（2）支撑大厦的四根柱子

手段和方法，进行工程抗震所必需的手段

① 地震震害调查（总结抗震经验，了解结构动力性能，指导结构模型化）

② 振动实验（结构动力性能，全过程试验）

③ 强震观测（研究地震动特性，地震危险性分析包括结构的地震反应特性）—已建立了初步规模的观测网点和数据处理系统，例如SMART－1，SMART－2等；正在建设的中国数字地震观测网络。

④ 动力学（结构动力学、土动力学、波动理论、随机振动等）

（3）大厦的楼层

抗震工程包含的内容

一层：地震小区划/工程场地安全性评定（安评）

二层：一般的抗震设计规范（例如，GB5001－2001）

三层：特种结构的抗震设计（超高层（>300m）、核反应堆、大坝、大跨桥梁）

四层：抗震加固（结构使用一定周期后，或根据新规范或标准提高抗震等级，震后加固）………

抗震工程：利用工程手段解决地震灾害的一门学科，也是研究地震对工程的影响及防护的学科。

1.3教学内容

工程的地震环境—包括地震学基础知识，地震波动理论，地震地面运动（主要是强震地面运动）。

结构抗震—地震作用下的结构性能（主要通过震害调查和试验了解）

地震反应计算（反应谱法、动力时程方法、静力弹塑性 (Push-over)分析方法）

抗震设计理论和方法（抗震结构体系，抗震设计要点）

结构减震－基础隔震、耗能减震、结构被动控制和结构主动控制。

参考书目：

沈聚敏，周锡元，高小旺、刘晶波：抗震工程学，中国建筑工业出版社，2001年

胡聿贤：地震工程学，地震出版社，1988年

胡聿贤主编：地震安全性评价技术教程，地震出版社，1999年

龚思礼主编：建筑抗震设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2002年

郭继武：建筑抗震疑难释义，中国建筑工业出版社，2003年

吕西林，周德源，李思明，陈以一，陆浩亮：建筑结构抗震设计理论与实例，同济大学出版社，2002年

李宏男：建筑抗震设计原理，中国建筑工业出版社，1996年

王松涛、曹资：现代抗震设计方法，中国建筑工业出版社，1997年

李杰、李国强：地震工程学导论，地震出版社，1992年

Robert L. Wiegel：Earthquake Engineering, 1970

Farzad Naeim：The Seismic Design Handbook, 1991

David J. Dowrick：Earthquake Resistant Design, Second Edition, 1988

若林实：建筑抗震设计，建筑科学编辑部，1986年

······

期刊目录：

Earthquake Engineering and Structural Dynamics

Response Spectrum

地震工程与工程振动

建筑结构学报

土木工程学报

会议论文集目录

Proc. World Conference on E. E.（1956 第一届旧金山，2000 第十二届新西兰）

全国地震工程会议论文集

第一部分：工程的地震环境

工程的地震环境－Earthquake Environments

地震环境主要是地震动问题－强震地面运动（Strong ground motion）

强震－对人或工程可能造成损害、破坏的地震

第2章 地震学基础知识

2.1与地震震源有关的术语

震源（Hypocenter ，Source ，Focus ，Center ）：地壳深处岩石发生断裂、错动的地方，即一次地震时应变能释放区。

震中（Epicenter ，Epifocus ）：震源在地表的投影点。

震源

图2.1 震源、震中示意图

断层：地震形成的地壳岩石中的大断裂面（可达到几十～几百公里长）。

地震时破裂开始于断层面上的一个点或一个局部，然后向四周扩展。

实际上震源不是一个点，而是具有相当尺度（大小）的破裂面，与地震的大小有关。地震学在研究中采用三种震源模型（理论模型）：

① 点源：中小震（M<6），断层长度：几米到几公里； ② 线源：中大震（M>6），断层长度：几十到几百公里； ③ 面源：中大震（M>6），断层长度：几十到几百公里。 对一次地震震源（的位置）（

Hypocenter ）认为是断层上首先破裂的那个点（的位置）。

能量中心：能量释放中心，一般是断层破裂面的几何中心。

小震：震源＝能量中心。

大震：震源和能量中心不重合。

能量中心

图2.2 断层、能量中心示意图

地震的三要素：

① 发震时间——时间

② 发震地点——空间：震中位置（经度，纬度）＋震源深度

③ 地震大小——强度

对已发生的地震，实际的震中、震源位置的确定会有几公里到几十公里的误差，极个别的可能存在百公里的误差。

一个地震由下列参数定义：时间、空间、强度、简称时、空、强三要素。对一个已发生地震的确定需要给出三要素，在地震预报中预报一个地震也需要确定这三个要素。

根据震源深度的划分，地震可以分为：

浅源地震（shallow focus earthquake）：震源深度，h<70km，占总地震的72％Elcentro 1940 EQ M=7.1，h=24Km

唐山 1976 EQ M=7.8，h=16Km

特点：峰值加速度大，卓越频率5－20HZ，高频成份多。

中源地震（Intermediate focus EQ）：70Km

南美、日本海、印尼、中国北部（黑龙江）

深源地震（Deep focus EQ）：h>300Km，占总地震的4％

特点：峰值加速度小，卓越频率0.2－3HZ（高频被滤掉）。

2.2地震序列

大地震前后在震源附近总有一系列小震发生，按发震时间排列起来（包括大震）称为地震序列。

某一序列地震中最强烈的那一次叫主震；主震前的地震叫前震；主震后的地震叫余震。

根据地震序列的特点，可以把一次地震序列分为：

主震型：主震突出，释放能量80％以上。占总地震的60％，例如海城地震、唐山地震。

群震型：能量由超过多次震级相近的地震释放出来的。占总地震的30％，如1996年邢台地震；1988年云南澜沧－耿马地震（7.6级）；1960年智利地震，在5月21日到6月22日发生三次超过8级的地震。

单发型：前震和余震都很小，99％的能量由主震一次释放。占总地震的10％，如1976年内蒙的和林格尔地震。

在研究结构由地震引起的疲劳损伤破坏时，有时需要考虑这一问题。

2.3地震的成因（Cause of EQS）

根据地震成因来划分地震的类型：

① 塌陷地震（Collapse EQS）：50年来仅1954和1965年四川自贡发生两次。

② 火山地震（V olcanic EQS）：火山喷发引起的大地振动。

③ 构造地震（Tectonic EQS）：地壳构造变动引起的地震，占90％以上。

破坏性地震一般均为构造地震。以后讨论的地震均为构造性地震。

引发构造地震的原因：

外因－地震成因的宏观背景：板块构造学，用板块构造学上升到理论模型

内因－地震成因的局部机制：弹性回跳理论—理论模型

板块构造运动（二十世纪60年代提出）：

全球地壳可以分为六大板块（太平洋、欧亚、美洲、非洲、印度－澳洲、南极），各大板块内部可以分成较小的板块。板块厚80到100千米（地壳30到40千米加上岩石层40

到70千米）。板块在上地幔推动下发生移动，约2－5cm/年，各板块运动不均匀，同一板块的运动也不均匀。

板块运动引起岩层变形积累，达到一定程度突然破裂释放的巨大能量以波的形式向外传播，引起地面运动，迫使结构振动，产生破坏。

在大板块边缘地震最多，这些地震称为板缘地震（浅源）。

从世界地震的震中分布图上可以看到两条大地震带：

1）环太平洋地震带—占世界地震总数75％以上。

2）欧亚地震带（至印度与环太平洋地震带相遇）—占地震总算22％。

这两个地震带属于板缘地震，大小板块边缘都是地震集中处。

有些地震不发生在边缘，而是在板块内，成为板内地震（或称内陆地震），约占15％－分布零散，危害性大（震源浅，震级大，地震区人口集中）；机制复杂，如唐山地震。

中国地震：中国位于欧亚板块东南端，东为太平洋板块，南为印度洋板块，欧亚板向东、太平洋板块向西、印度洋向北挤压中国大陆，因此中国是地震多发国家。除少数省外，都发生过6级以上破坏地震，基本烈度大于6度，占国土总面积的60％。全国450个城市，74.5％位于地震区，约一半城市位于基本烈度7度及其以上地区。28个百万以上人口的大城市有85.7％位于地震区。本世纪全世界发生的7级以上强震中，中国占三分之一。

图2.3 全球地壳板块示意图

图2.4 地震发生地点分布（1975～1995年）

阪神地震：称为“直下型地震”

地震原因：太平洋板块向欧亚板块俯冲，欧亚板块下面的“板舌”处破裂，形成地震—震源在日本列岛的直下方的板舌内（震中在淡路岛）。

唐山地震：是板内地震

震源在唐山市下面，但不是板缘地震，与俯冲无关。也称城市直下型地震，但并不说明其地震成因。

2.4地震机制（EQ Mechanism）

机制不等于成因。

弹性回跳理论是最流行和有说明力的解释地震机制的理论。这一理论是由里德（H. F.

Reid）在1911年根据1906年旧金山8.3级大地震前后观测结果提出的。

图2.5 圣安德烈斯(San Andreas)断层鸟瞰

图2.6 1906年旧金山地震前后横跨圣安德烈斯断层基线变化前后示意图

H.F.Reid弹性回跳理论：

1）地壳是由弹性的有断层的岩石组成的；

2）地壳运动产生的能量以弹性应变能的形成在断层及其附近的岩层中长期积累；

3）当弹性应变能积累及岩层变形达到一定程度时，断层上某点（应力超过强度极限）

两侧的岩体向相反方向突然滑动，地震因之产生、断层上长期积累的弹性应变能突然释放。

弹性回跳理论是用了半个世纪的时间得到的结果。

弹性回跳理论没有讲地壳如何运动，弹性能量是怎样得以积累，而板块构造运动弥补了弹性回跳理论的不足。

破裂后回弹到未变形的位置破裂前弹性应变能积累

图2.7 弹性回跳机制

实际地震能量如果是一次在同一瞬时释放，则地震记录应很简单，而实际的地震记录是十分复杂。

实际上为解释这一问题（现象），发展了很多震源模型，其中比较典型的是凸凹体模型和贝垒模型，有时这两种模型也同时采用。

高强度区

贝垒

凹凸体

图2.8 两种震源破裂模型

断层是地震学中的一个重点研究对象。

断层类型的定义：

根据断层两侧岩体滑动的形式来定义，可分为，

倾（向）滑（动）断层—产生的地震较小，倾滑断层又分为正断层和逆断层； 走（向）滑（动）断层—可产生大地震，走滑断层也分为左旋断层和右旋断层。

倾滑断层

走滑断层

图2.9 断层的分类

实际上断层即存在走滑又存在倾滑，例如，1995年日本阪神地震是右旋错动，震中地表错动达1m，地震机制与唐山地震基本一致；2001年11月14日发生在昆仑山口西的8.1级地震的地表错动最大可达6m。

2.5地震预报

对于地震预报必须给出时、空、强三要素，即时间、地点、强度，否则没有意义。地震预报很难，几乎不可能给出准确预报，最成功的典范是75年的海城地震。

根据预报的时间年限，地震预报分为：

1）长期预报（几十年）；

2）中期预报（一年～几年）；

3）短期预报（几天～几个月）；

4）临震（几个小时～几天）。

长期预报为抗震和地震工程服务；中期和短临震预报为减轻灾害服务。

短期预报的局限性：即使预报可以足够精确，但也只能减少人员伤亡，而对减轻结构破

坏效果的作用有限。