地震工程学shs

抗震工程学AseismicEngineering孙黄胜86057590[e-mail]抗震工程学•1地震工程学概述•2地震学基础知识•3工程地震——地震作用与灾害•4结构地震反应分析•5工程抗震与结构抗震设计•6几个专题1地震工程学概述1.1地震灾害简述1.2地震工程学的研究内容1.3地震工程学的特点back1.1地震灾害简述地球与地震并存地震灾害严重地震灾害频仍抗震防灾是有效的back地震灾害严重世界地震灾害严重世界十大自然灾害（据联合国，1947-1980）热带气旋（飓风、台风）、地震、洪涝、雷暴与龙卷风、雪暴、火山爆发、热浪、雪崩、滑坡、潮汐与海啸中国是受灾最严重的国家之一灾重：地震分布广成灾比率高back地震灾害频仍灾害日趋频繁产生自然灾害的直接原因——自然现象产生自然灾害的结构原因——“社会”本身的弱点灾情日趋严重城市财富集中生命线系统的脆弱近年来的五大自然灾害火山爆发、地震、风灾、陨石袭击、温室效应back地震动地震地质背景、强震观测、地震动特性、地震动模拟、震害分析工程结构地震反应理论分析、抗震试验抗震减灾理论抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性分析、震害预测理论、防灾规划、灾害控制理论1.2地震工程学的研究内容backInputSystemOutput1.3地震工程学的特点•研究基础—强震观测、震害经验与试验研究•研究重点—地震作用、结构地震反应•研究热点—结构非线性与复杂地震动输入•发展方向—广泛应用概率论、控制论、规划论back2地震学基础知识2.1地球内部构造2.2板块构造运动2.3地震成因和类型2.4几个有关名词2.5地震分布2.6地震观测与度量2.7地震波动理论back2.1地球内部构造•内部构造•物理性质比重、温度、压力、etcback2.2板块构造运动•板块构造运动学说•六大板块–欧亚大陆板块–太平洋板块–美洲板块–非洲板块–印澳板块–南极板块back2.3地震成因和类型•地震成因–宏观背景——板块构造运动–局部机制——断层说（弹性回跳说、粘滑说）•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）主震余震型。主震非常突出，余震十分丰富；最大地震所释放的能量占全序列的90%以上；主震震级和最大余震相差0.7~2.4级。震群型。有两个以上大小相近的主震，余震十分丰富；主要能量通过多次震级相近的地震释放，最大地震所释放的能量占全序列的90%以下；主震震级和最大余震相差0.7级以下。单发型。有突出的主震，余震次数少、强度低；主震所释放的能量占全序列的99.9%以上；主震震级和最大余震相差2.4级以上。back2.4几个有关名词•震源•震中•震源深度back•震源距•震中距2.5地震分布•世界地震带–环太平洋地震带–欧亚地震带•中国地震环境–地震构造运动背景–10个地震区–中国地震的基本特征back世界地震带•环太平洋地震带•欧亚地震带2.6地震观测与度量back•地震观测地震台网、地震仪•地震度量震级、烈度、地面运动加速度2.7地震波动理论•地震波类型–体波（运动特点、对结构作用）•纵波（压缩波—P波）（7-8km/s）•横波（剪切波—S波）（4-5km/s）–面波（3.8km/s）•瑞雷波（R波）•乐夫波（L波）•地震波动理论back3工程地震（地震作用）•3.1地震动观测•3.2震级与烈度•3.3地震地面运动特性•3.4地震地面运动模拟•3.5地震灾害back3.1地震动观测•地震动观测仪器•强震观测台网•强震观测的现状•强震观测记录的作用back地震动观测仪器•两种仪器——地震仪与强震仪仪器使用者地震强弱运转方式记录速度放大倍数记录量记录内容设置地点通频带目的地震仪地震工作者弱震连续慢高位移到时差、初相基岩窄、低频震源、介质、传播规律强震仪抗震工作者强震自动触发快低加速度全过程场地、结构宽、高低频地震动、结构振动特性拾震器放大器记录器•二者不同点•二者共同点–运动方程——用拾震器的位移表示地面运动back)(tumkuucumg22()guuuut强震观测台网•地震动衰减台阵布设方式：线状布设在发震断层辐射线上目的：地震动衰减规律、地震传播效应举例：美国加州布设方式：布设在某区域内（上百公里）目的：巨大地区的地震动资料、场地影响举例：美国阿拉斯加布设方式：布设在潜在发震断层附近目的：近场地震动、震源机制举例：美国圣安德列斯断层台阵back布设方式：布设在建筑物不同高度处目的：结构地震反应举例：北京饭店、天津医院布设方式：布设在几十至几百米目的：地震动的空间相关性举例：台湾SMART-1、SMART-2布设方式：布设在地表及地下几十-200米处目的：地震动随深度的变化、土结相互作用举例：日本•区域地震动台阵•断层地震动台阵•结构地震动台阵•地震动差动台阵•地下地震动台阵强震观测的现状•始于1932年美国•1933年获得首次记录（美国长滩地震）•60年代以前，以结构为主•60年代以后，加强了地表和近地表地震动的观测•1985年，全世界供布设7000台，日美各3000台•全世界已取得可用记录达上万条•世界最大峰值加速度记录2.3g（加拿大）•中国最大地震动记录0.54g（云南）back强震观测记录的作用•是地震工程学赖以发展的数据基础•是研究地震动特性的数据基础•是推动地震作用理论发展的重要因素–几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震作用理论的变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析•是结构地震反应分析的输入形式•是推动结构抗震理论进入反应谱阶段和向动力阶段过渡的重要因素back3.2震级与烈度•震级•烈度back地震震级•含义——一次地震释放能量大小的度量。•多种震级定义•存在问题及未来方向back地震烈度•定义•评价指标•地震烈度表•性质•理解分歧•影响因素及规律•关于取消烈度back地震对地表及工程结构影响的强弱程度人的感觉物体反应结构破坏自然现象–多指标的综合性–分等级的宏观性–以后果表示原因的间接性–侧重点差异–地震学：地震破坏后果–抗震：地震作用强弱–烈度与地震动参数关系烈度影响因素及规律•烈度影响因素–震源M–传播途径与震中距R–场地条件S–其它•烈度衰减规律–震级与震中烈度的衰减关系I0=f(M,h)ex.M=0.58I0+1.5–烈度衰减关系I=f(I0,R,S)•圆形等震线•椭圆形等震线back震源位错引起的地基变形震源体释放的振动能量破裂传播方向——多普勒效应地质构造的不均匀性传播距离的远近方位场地土——基岩低，软土高断层——发震~高，非发震~？局部地形——鞭梢效应关于取消烈度•争论与原因–烈度具有多指标的综合性，与单一地震动参数本身就不具有良好对应关系–依照烈度进行抗震设计，在反应谱理论中容易引起概念上的混淆–烈度是分等级的，地震作用成倍数关系–烈度具有以后果表示原因的间接性，是“危害性”而非“危险性”，抗震设防则恰恰以后者为依据back烈度作为地震破坏程度的一个度量是合适的，但却不适宜于衡量地震作用。•我国的做法–取消烈度作为抗震设防依据，采用地震分区作为抗震设防依据，设计时直接采用地震动参数3.3地震地面运动特性back•幅值特性•频谱特性•持时特性•空间相关性-2.5-1.5-0.50.51.52.50510152025303540t(s)a(t)(m/s2)()sin()Yatt幅值特性back•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•多种定义•峰值•有效峰值•持续加速度•等反应谱有效加速度•概率有效峰值•静力等效加速度•简要评价•等效简谐振幅•平均振幅•Arias强度•均方根加速度•谱强度多种幅值定义back-2.5-1.5-0.50.51.52.50510152025303540t(s)a(t)(m/s2)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傅立叶谱-2.5-1.5-0.50.51.52.50510152025303540t(s)a(t)(m/s2)傅立叶变换back()sin()iiiytAtiAiii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•运动微分方程–受力分析•恢复力——虎克定律•阻尼力——瑞雷阻尼•惯性力——牛顿第二定律–方程建立——达朗贝尔原理••••运动微分方程的解答back()0gmxxcxkxgmxcxkxmx22gxxxxmkc()xt()xt()gmxxcxkx运动微分方程的解答•通解（自由振动）back22gxxxx00()(cossin)tddxteAtBt21d0(0)Ax0(0)(0)dxxB特解（强迫振动，Duhamel积分）•输入过程的离散化backdTT()01()()sin()ttgddxtxetdmax()dSxt•最大反应及简化max()vSxtmax()()agSxtxt---相对位移反应谱---拟速度反应谱---拟加速度反应谱反应谱的定义•单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线backSa(e,T1)Sv(e,T1)Sd(e,T1)x’’g(t)Duhamel积分s(t)=f(x’’g,e,T1)MaxeT1eTiSa(e,Ti)Sv(e,Ti)Sd(e,Ti)Duhamel积分s(t)=f(x’’g,e,Ti)MaxTSyT1Ti01234560246810SdPeriod/secUX0123456024681012SvPeriod/secUV01234560102030405060708090SaPeriod/secUAResponsespectraofTaftwave反应谱的性质•结构反应特点–低频（长周期）系统（=0.1Hz）•SdPGD–中频（中等周期）系统•放大作用–高频（短周期）系统（=10Hz）•SaPGA•反应谱性质–反应谱由中频段的放大区和两端的极限区三部分构成–伪谱的性质•Sa=wSv=w2SdbackT高频中频低频动力放大系数Ba=Sa/PGABv=Sv/PGVBd=Sd/PGD0102030405060-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4Accel./m/s2Time/s0102030405060-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4Accel./m/s2Time/s051015202530-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4Accel./m/s2Time/secElCentro（1940）Taft（1952）Artificial0123456020406080100120140Accel./galPeriod/secElcentroTaftArtificial反应谱的影响因素及规律•地震动方面–震级•震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移–震中距•震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移–场地•场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移•结构方面–阻尼比•阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑–结构周期•三段特性back持时特性•一般特征•多种定义•简要评价back-2.5-1.5-0.50.51.52.50510152025303540t(s)a(t)(m/s2)地震动的空间相关性•问题的由来•相关性类别•相关性描述•简要评价back问题的由来•建筑结构–扭转问题–大底盘–深基础•生命线工程–扭转问题–大跨度–空