哈工大 地震工程课件 工程地震部分 第五章 强地震动工程特征和地震动的衰减
地震工程学讲义
第一章 绪论§1、1 地震与地震动地震是一种自然现象，每年平均发生500万次左右的地震，绝大多数很小，不可以用灵敏仪器测量的约占99%；可以感觉到地为1%，其中，5级以上的强烈地震约1000次左右，能造成严重破坏的大地震（>7%），平均每年大约发生18次。
地震给人类带来灾难，给人类社会造成不同程度的伤亡事故及经济损失。
如在20世纪，前80年（1900—1980）全球因地震造成的死亡人数高达105万人，平均每年死亡1.3万人。
1990年伊朗鲁德巴尔地震造成5万多人丧生。
1995年日本阪神地震紧急损失高达960亿美元就是例证。
为了抗御与减轻地震灾害，有必要进行建筑工程结构的抗震分析与抗震设计。
1、1、1地震类型与成因对于构造地震，可以从宏观背景和局部机制两个层次上揭示其具体成因。
宏观背景：地球的构造：R=6371Km 约 6400Km 包括：地壳、地幔与地核。
地壳有各种不均匀的岩石组成，出地面的沉积层外，陆地下面的地壳主要为：上不是花岗岩层，下部为玄武岩层；海洋下面的地壳一般只有玄武岩层，革除厚薄不一。
世界上大部分地震都发生在这一薄薄的地壳内。
地幔主要有质地坚硬的橄榄眼组成，它具有粘弹性，由于地球内部放射性物质不断释放能量，从地下20Km~700Km ，地球内部温度有大约600℃~2000℃，在这一范围内的地幔中存在着厚约几百公里的软流层，物质对流，地球内部的压力也不均衡，900Mpa~370000Mpa ，地幔内部物质在热状态和不均衡压力作用下缓慢的运动着，即可能为地壳运动的根源。
地核是地球的核心部分，分为外核（厚2100Km ）和内核，其主要构成物质是镍和铁。
据推测，外和可能处于液态而内核可能是固态。
通常认为，地球最外层是有一些巨大的板块组成，（六大板块和若干小板块），六大板块即欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。
板块向下延伸的深度大约为70~100Km ，由于地幔物质的对流，板块也相互运动，板块的构造运动，是构成地震产生的根本原因。
第5章-工程场地地震动的数值模拟
M
x(t)2S(l)cos(ltl) l1
一致地震 动模拟
引入部分 相干效应
引入行 波效应
引入局部 场地效应
多点地震 动模拟
N M
x jt 2 j k (l)S 0 j j(l) c o s lt j w k (l) j s k (l) k l k 1 l 1 待定
2.2 基于开方分解的多点地震动模拟
✓ Yufeng Gao*; Yongxin Wu, Yuangqiang Cai, Hanlong Liu, Dayong Li, Ning Zhang. Error Assessment for spectral representation method in random field simulation; Journal of Engineering Mechanics ,ASCE. Vol.138,No.6 ,pp711-715 ,2012
3.在地震动场不同位置，地质条件不同，影响地震波的振幅 和频率，即局部场地效应(site effect)；
4.地震波在传播过程中，随着能量的耗散，振幅会减小，即 衰减效应(attenuation effect)。
注：参考Der Kiureghian (EESD,1996)
2.2 基于开方分解的多点地震动模拟
1、研究背景
近年来世界范围内的主要大地震
时间
2006.07.17 2008.05.12
2009.09.29 2009.09.30 2010.01.12 2010.02.27 2010.04.14 2010.10.25 2011.02.22 2011.03.11 2013.04.20
地点
印尼爪哇岛 中国四川省汶川县
随机幅值法
地震工程学
back
地震动观测仪器
两种仪器——地震仪与强震仪
• 二者不同点 • 二者共同点
拾震器
–运动方程——用拾震器的位移表示地面运动
放大器
记录器
mx’’+cx’+kx=-mxg’’
x’’+2EWx’+W2x=-xg’’
仪器
地震类型
按成因（构造EQ、火山EQ、陷落EQ、诱发EQ） 按发震位置（板边EQ、板内EQ） 按震源深度（浅源EQ、中源EQ、深源EQ） 按地震序列（主震余震型、震群型、单发型）
back
2.4 几个有关名词
震源 • 震中 • 震源深度 • 震源距 • 震中距
back
2.5 地震分布
20
25
30
35
40
t (s)
back
频谱特性
三种谱表述方法 简要评价
back
三种谱表述方法
傅立叶谱 功率谱 反应谱
back
a(t) (m/s2)
傅立叶谱
2.5 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t (s)
y(t)=sigma{Aisin(Wit+Qi)}
傅立叶变换
Ai
Qi
Wi
Wi back
反应谱
单自由度弹性体系的地震反应 反应谱的定义 反应谱的性质 反应谱的种类 反应谱的影响因素及规律
back
单自由度弹性体系的地震反应
单自由度弹性体系
工程地震ppt文件.ppt
0.0
21
加速度 a/g
三段式包络线
t1
t2
时间 t/s
指数型包络线
加速度/g
时间/sec
f
(t
)
（ t
/ t1 1
)2
t t1 t1 t t2
exp c t t2 t t2 0.0
三段式的公式
关键参数：
22
7.7 缺乏强震记录的衰减关系
1）目标是要得到地震动参数衰减关系 地震烈度衰减是“中间介绍人”，因为： 地震烈度不用仪器记录，到处可得； 而且烈度评定标准差不多； 烈度衰减的原理也应差不多
2）有两种思路 烈度震级法
0.0
23
I I=I1(M,R)
I=I2(M,R)
Lny Lny=Y1(M,R)
前提： 震级相等
已知 I1,I2,Y1 R求
Y2
0.0
R
24
I I=I1(M,R)
I=I2(M,R)
Lny Lny=Y1(M,R)
震级相等
I1上一点， 对应在本地 区Y1上R相 同点，可知 R Lny，找到 Y2上的纵 坐标
10 距离0/.k0m
100
13
经过整理得到 ln y c0 c1M c2M 2 c3 ln( R c4 exp( c5M ))
0.0
14
7.2 回归方法 最小二乘法（提问） 什么是最小二乘法 在什么意义上最接近实验（记录）值 数学上如何处理 什么叫优化
数据不均匀，有偏差 联合回归出现困难
4）地震波在地壳中有哪两类衰减？
5）对场地影响如何处理？
6）地震动衰减关系的函数形式？
7）如何考虑近场地震动饱和与震级饱和的
地震动能量衰减规律的研究
地震动能量衰减规律的研究
随着社会经济的不断发展，地震安全性也受到了极大的重视，因而地震动能量衰减规律研究也受到了广泛的关注。
地震动能量衰减规律，指的是地震波传播中，测传反射等现象中，地震动能随距离的变化规律与关系。
地震动能的衰减，一般主要受地震波的传播过程中震场层次、土样性质、隙洞空间、地表回震等多种地质原因的制约。
在传播的过程中，波的能量将不断的被地震场当中的土体进行衰减，并以指数型式不断减弱。
波的衰减率可以用发射信号的衰减率和应力或温度场突变参数来描述。
就地震动能衰减规律研究而言，地球物理学家和地质工程师主要从三个方面来讨论：其一，改变震源距离，沿着半径向外传播；其二，改变地层结构，研究不同层次结构地震波能量传播衰减；其三，将是改变介质环境，研究弹性介质中的地震波的传播衰减。
当前地震动能衰减规律的研究越来越受到大众的重视和关注，而它对于社会的地震安全性及其保障的意义，也是不可忽视的。
今后应该加强在这方面的研究，使得我们为地震预防有着更加全面的认识，从而更好地应对地震灾害，为人类可持续发展提供更可靠的保障。
地震动特性PPT课件
X (i)H (i)A (i)
Hx(i)022 1i20
H x(i)iH x(i)0 22i i2 0
H x xg(i) 1 2H x(i) 0 2 0 2 2 2 2 ii2 2 0 0
Y ( i) 单 质 点 体 系 输 出 傅 立 叶 谱 A ( i) 单 质 点 体 系 输 入 傅 立 叶 谱
H ( i) 单 质 点 体 系 传 递 函 数 0 单 质 点 体 系 自 振 圆 频 率
不同场地条件下的平均反应谱 不同震中距条件下的平均反应谱
*设计反应反应谱
地震反应谱直接用于结构的抗震设计有一定的 困难，需专门研究可供结构抗震设计用的反应谱， 称之为设计反应谱。
*反应谱计算的是结构的弹性地震反应。
*反应谱是在结构的所有支撑处的地震动完全相同、 基础与土壤之间无相互作用的假定下求得的。
*反应谱求得的反应为结构的最大地震反应，不能 反应持时的影响（与最大值的循环次数无关）。
*问题：地震反应谱反映的是结构特性还是地震动 特性？
*单质点线弹性体系可以看作一个具有移动窗的滤 波器，当阻尼特别小时，滤波器通频带极窄。
地震动持时的表示方法：
①以地震动的绝对幅值定义持时 取加速度记录图上绝对幅值首次和最后一次达
到或超过给定值（如0.05g）之间所经历的时间。
②以地震动的相对幅值定义持时 取地震动参数在首次和最后一次达到或超过峰
值的给定比值（如1/3、1/5）之间经历的时间。
③以地震动的总能量定义持时 取地震动能量从达到总能量的５%开始至达到
工程地震
工程地震学研究目的：对工程场地可能遭受的地震破坏作用作出定量预测，以便采取合理的防御措施，减轻地震灾害任务:包括地震区划、地震小区划和重大工程场地地震安全性评价内容：强地震动特性、地震烈度、地震危险性分析、地震动衰减、场地（土层）地震动、地震地质灾害估计地震破坏作用、地震危险性分析、场地条件对地震动的影响、地震区划与地震小区化工程上有几种地震动合成方法（1）比例法：按照需要调整实际记录的幅值，周期，持时（2）随机振动法（数值方法）：采用三角级数合成地震动时程，约束条件：幅值（强度）：反应谱与目标谱相同相位：随机数（3）匹配方法：选择在地震环境、场地条件，强度、包络线、频率等相近的实际记录。
地震活动性参数及其意义b值：大小震的呼应关系，区域性强，统计，方法有讲究年平均发生率：有时段、区域、震级范围；表征地震活动性水平震级上限：最高危险性起算震级：有工程意义空间分布函数：地震活动非均匀性泊松模型有哪些不足？地震互相独立无关，不符合“大震免疫”等现象。
年平均发生率为常数，与地震有平静和活跃期不符泊松模型的性质：平稳性、无后效性（独立性）、普通性G-R公式的物理含义？大于和等于某震级的地震发生次数。
b值：大震和小震数目的关系如何处理地震空间分布（位置）的不均匀性？划分地震带、地震区，划分潜在震源区是确定性方法什么是地震危险性分析概率方法？地震是小概率事件，难以预报。
联合概率复杂，将三参数分别处理。
空间；强度；时间地震动特性：地震动强度：等效峰值的概念。
谱特性：傅里叶谱、反应谱、功率谱。
持时：定义不同影响地震动环节：震源、传播介质、场地为什么要将地震动破坏作用分类？破坏的机理不同，采取的措施也不同，否则不仅浪费，还达不到抗御的效果。
地震破坏作用：强地震动。
地震地质灾害地震动输入的具体形式：设计地震动设计地震动三种形式：地震动参数（峰值加速度）、设计反应谱、地震动时程地震动三要素：振幅特性、频率特性、持续时间烈度异常区：烈度异常点密集在一起构成的地区地震烈度的性质：平均型、综合性、宏观性、间接性、主观性、模糊性地震烈度的重要性：地震作用的量度指标，抗震设计的输入参数，抗震设防标准参数。
工程结构抗震课件
地震动是指地震时作用于工程结构的地震力，其特性包括峰值、频率和持时等。 地震动具有随机性和不确定性，需通过地震观测和震害调查进行了解。
工程结构的震害与破坏机理
震害类型
工程结构的震害类型主要包括变形破坏、断裂破坏、倾倒破 坏和丧失使用功能等。不同类型结构的震害特点不同，需根 据具体情况采取相应的抗震措施。
新材料与新工艺的应用
01
02
03
新材料应用
采用高强度材料、复合材 料等新型材料，提高结构 的强度和刚度，降低地震 作用下的结构响应。
新工艺应用
采用新型连接方式、混合 结构设计等新工艺，提高 结构的整体性和稳定性， 增强结构的抗震能力。
优化结构设计
结合新材料和新工艺的应 用，优化结构设计，实现 工程结构的轻量化、高效 化和安全化。
减隔震技术的应用与发展
减隔震技术原理
减隔震技术是通过在结构关键部 位设置消能减震装置或隔震支座，
以减小地震作用对结构的影响。
减隔震装置类型
常见的减隔震装置包括摩擦阻尼 器、黏性阻尼器、支撑式悬挂减 震装置等，可根据不同结构和需
求选择合适的装置。
技术发展与推广
随着减隔震技术的不断发展，其 应用范围逐渐扩大，未来可在更 多工程结构中推广和应用该技术。
抗震加固方案
根据桥梁的结构特点和损伤情况，采用增设支撑、加固桥墩、更换部分桥面铺装等措施进行加固。同时，对桥面和桥 墩进行防震处理，以减少地震对桥梁的破坏。
抗震性能评估 在加固后，需要对桥梁的抗震性能进行评估，以确保桥梁在地震作用下的安全性和稳定性。评估内容包 括地震烈度、场地条件、结构类型、材料性能等因素。
抗震稳定性措施
为保障大坝在地震作用下的稳定 性，可采取一系列措施，如加强 坝体加固、优化排水系统、加强 防渗处理等。同时，还需要对大 坝进行定期检查和维护，确保其 处于良好的工作状态。