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绪论地震的基本概念1.地震学与工程抗震学有何区别与联系？区别：*从研究对象上看:地震学的首要任务是研究地震的活动性；通过地震宏观调查，根据地震时结构物的破坏程度及其他宏观现象，研究地震的强度及其分布规律，总结地震活动性的历史经验；并结合地质构造环境、地震仪器记录得到的地震震源特性和大、小，从而对未来的强地震作出预报。工程抗震学的主要目的是针对未来强震，从工程上着眼，力求在最经济的条件下使结构物具有足够的抗震性能，以保障人们的生命财产安全。*从学科上看:地震学研究内容:（1）.中、长期地震预报中的潜在震源区划分;（2）.潜在震源区地震活动性规律;（3）.地震动工程参数选择及参数估计等。工程抗震学研究内容:（1）.地基土的动力性能及地基抗震;（2）.结构振动特性及地震反应;（3）.结构的破坏机制与弹塑性分析以及结构可靠性理论;（4）.工程抗震设计理论等。*联系：地震学与工程抗震学统归于地震工程学范畴。其主要内容涉及地震危险性分析与地震区划和工程结构抗震两大部分。在地震动这一环节上，两门学科是互相搭接的。地震学必须研究地震动，因为只有通过地震动的测量才能了解地震震源与地球介质的特性。工程抗震学也必须研究地震动，因为地震工程是以防止强震时工程破坏为目的，而工程破坏主要是由地震动引起的，所以必须了解地震动的规律，才能进行结构地震反应分析和设计。2.分别用地质构造学说与板块构造学说解释地震的成因。地质构造学说：地壳是由各种岩层构成的，在地球运动和发展过程中内部存在着大量的能量，地壳中的岩层在这些能量所产生的巨大的力的作用下发生变形，岩层中产生应力并日积月累。当岩层内应力积累超过某处岩层的强度极限时，岩层遭到破坏，产生断裂和错动（图1-3），将所积累的应变能转化为波动能，以地震波的形式向外传播，当这种振动传到地面时就会引起地面的振动，从而形成了地震。板块构造学说板块构造运动学说则认为地壳与上地幔顶部的岩石层可以分为若干个大大小小的板块，在地幔软流层之上异常缓慢而又持续不停地漂移，占所有地震99％的板块边缘地震是由板块运动引起的。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。3.简述全球与我国的地震活动区及地震特点。*地球上有四组主要地震带：环太平洋地震带；欧亚地震带；沿北冰洋、大西洋和印度洋中主要山脉的狭窄浅震活动带；地震相当活动的断裂谷，如东非洲和夏威夷群岛等。前两者是主世界上主要的地震带*我国大致可划分成6个地震活动区：①台湾及其附近海域；②喜马拉雅山脉活动区；③南北地震带；④天山地震活动区；⑤华北地震活动区；⑥东南沿海地震活动区。我国地震活动的主要特点：1我国地震活动分布范围广。（2）地震的震源浅、强度大。（3）位于地震区的大、中城市多，建筑物抗震能力低。（4）强震的重演周期长。4.（P11）画出地震波传播与运动形式示意图。解释体波与面波都包括哪些波形？各有何特点？*地震波传播与运动形式示意图见P11*（1）体波包括纵波（φ波）和横波（S波）PPT上内容：•纵波——压缩波——P波•横波——剪切波——S波书上总结内容：(a)纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致。周期短，振幅小。它在固体、液体里都能传播；在空气里纵波就是声波。(b)横波是由震源向外传播的剪切波，质点的振动方向与波的传播方向相垂直。周期较长，振幅较大。它只能在固体里传播。（2）面波只限于沿着地球表面传播，一般可以说是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。它包括瑞雷波（R波）和洛夫波（L波）两种。(a)瑞雷波：传播时质点在波的传播方向和自由面（即地表面）法向组成的平面内作椭圆运动，而与该平面垂直的水平方向没有振动，即在地面上呈滚动形式。竖向振幅大于水平振幅。振幅沿竖向的衰减很快，在一个波长后即衰减到1/5左右。瑞雷波在震中附近并不存在，传播一段距离后才能出现。（b）洛夫波首先在地震观测中发现的，后由洛夫在理论上证明了它的存在。它的存在条件是在半无限空间上存在一松软水平覆盖层。洛夫波只是在与传播方向相垂直的水平方向运动，即地面水平运动，或者说在地面上呈蛇形运动形式。5.画图解释地震波的反射与折射规律，并解释说明。*反射与折射规律图见P18图1-13*当P波以α角向一自由面入射时，可以产生两个反射波，一个是P波，在入射波的对称方向反射；另一个是SV波，反射角为β，且βα。当P波垂直入射时：①不会产生横波；②只有当界面两侧介质的阻抗ρv相同时，才无反射，此时能量将全部折射；③折射层阻抗越大，则折射系数越小，反射系数越大，当ρ2vp2→无穷大时，全部能量反射而无折射；④当ρ2vp2ρ1vp1时，反射波与入射波同相位，反之相位相差±180°；折射波与入射波总是同相位。当入射波是SV波时，反射、折射波也可能有上述4个特性；但当入射波为SH波时，却只能产生SH型的反射波与折射波。当SH波垂直入射时，情况与P波垂直入射时一样。6.地震仪分哪几类？地震观测台网的布设方式及目的是什么？举出3例以上予以说明。*地震仪器可分为地震仪和强震仪。地震仪是研究震源和传播介质情况，以观测世界性的地震或弱震为主；强震仪是研究地面质点振动规律，以观测近震或强震为主。*地震观测台网的布设方式有：地震动衰减台阵；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。*举例说明：（1）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。实例是美国加州。（2）区域地震动台阵。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。实例：美国阿拉斯加（3）断层地震动台阵。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。实例：美国圣安德列斯断层台阵7.（PPT）强震观测记录在理论研究及工程中有何作用？（1）是工程抗震学赖以发展的数据基础（2）是研究地震动特性的数据基础（3）是推动地震力理论发展的重要因素（4）是结构地震反应分析的输入形式（5）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8.影响地震烈度的因素及规律有哪些？影响地震烈度的因素有震源M，传播途径与震中距R，场地条件S等由于随震中距的增加，地震波的能量逐渐被吸收，因而标志破坏强弱程度的地震烈度也必然随震中距的增大而衰减。距震中越远，地震影响越小，烈度越低；反之，越靠近震中，烈度越高。震级的经验公式：I。=f(M,h)，M=0.58I。+1.5；烈度衰减关系I=f(I。,R，S).课题讲座思考题：结构地震反应分析概述1.结构地震反应分析都有那些方法？各有何优缺点？（1）静力理论优点：概念简单，使用方便，而且有某种程度的合理性和可靠性。缺点：没有考虑结构动力特性对地震反应的影响，在理论上已属于过时的方法。（2）反应谱理论优点：计算简单，概念合理缺点：并不能很好的反应地震持续时间的影响。而地震的破坏程度表明，持续时间也是影响结构破坏程度的重要程度;只是弹性范围内的概念，不能很好地反应结构的非线性性质。（3）时程分析法优点：概念合理，方法可靠。可以了解结构在地震过程中从弹性到塑性逐步开裂、损坏直到倒塌的全过程，从而可控制结构的破坏，保证结构物的安全。缺点：计算工作量大，需要在计算机上进行。要适当的选用一定数量的地震波。而恢复力模型及地震波的选取非常重要。（4）能量理论优点：概念清楚、分析合理。从理论上讲，地震时结构体系处于地震的能量场之中，因此从能量的观点来研究结构在强震中的性能是十分合理的，并且能量关系可以为评定具有广泛差别的非弹性特性结构的动力反映提供一个共同的基础。缺点：结构的塑性变形与损伤有关，结构的损伤检测及损伤理论研究就显得尤为重要。此法发展尚未成熟，仍处于研究之中。（5）随机地震反应分析优点：较好地处理了反应谱分析法中的振型组合问题。使抗震设计从安全系数法向概率理论过渡。缺点：地震动输入的概率分布或概率数字特征的选择，以及反应量的概率分布特征的确定，都需要大量的地震动加速度过程a(t)的观测记录积累及丰富的数学基础知识。2.结构的剪切模型、弯曲模型及弯剪计算模型各适合于什么样的结构形式？画图说明它们的主要特点。①剪切模型——假定楼板为绝对刚性，柱和墙本身用一无重量的弹性直杆代替。②弯曲模型——变形以弯曲为主，质点除平移外还将发生转动。对弹性结构可采用此模型（如高耸塔桅结构、剪力墙结构、横梁刚度远比柱大的框架结构）。③剪弯模型——介于以上两者之间。它适用于中等刚度的结构（如框—剪结构、横梁与柱刚度相近的框架结构）图在2讲座的第22张PPT上3.为什么在地震反应分析时，假定地基是刚性的？结构地基实际上为弹性体，当地震能量通过地基输入结构并引起结构振动以后，上部结构的振动将反馈给地基，从而改变了地基的振动特性；同时由于地基的弹性，它将与结构物一起组成一个统一的弹性体系，在地震作用下与结构一起振动。当考虑上述影响时，将使结构的地震反应分析过分复杂，但因这种影响实际上不大，为了简化计算，一般可以忽略，即假定地基是刚性的。4.简述地震动特性的三要素的表示方式以及各自描述地震动特性的基本思想。举例说明其在工程应用中的重要性。地震动的特性可以通过其幅值、频谱和持时三要素来描述。（1）地震动的振幅可以是指地震动的加速度、速度及位移三者之一的最大值、峰值或某种意义的有效值。可以避免地震波数值化处理时和强震仪高频失真带来的一些误差。幅值常用的表示方式有（1）美国应用技术委员会ATC-3有效峰值加速度EPA和有效峰值速度EPV；（2）等反应谱有效加速度；（3）持续加速度as和持续速度vs；（4）概率的有效峰值；（5）静力等效加速度；（6）平均振幅；（7）谱烈度；（8）平方根加速度（2）频谱表示一次地震动中振幅与频率之间的关系曲线。5.影响地震动特性的主要因素有那些？并予以分析说明。*影响幅值的因素主要有震源、传播介质与距离、场地，这三类因素对振幅有重要影响。它们的影响可以反映在如下地震动衰减规律之中：lny=A+f（M）+f′（R）+f″（G），其中A是常数，M是震级，R是距离（km），G场地条件。场地条件的影响，通常有以下三种处理方法：①忽略场地条件的影响；②以f″（G）=常数表示；③不同场地采用不同的经验公式。*影响频谱的主要因素有局部场地条件，地震的大小和距离。许多地震震害与地震记录证明同一地震，同一震中距情况下的不同场地，其频谱形状受场地条件的影响是非常明显的。大地震的震源谱有更多的长周期成分。而且随距离增加，高频成分衰减较大。谱的长周期部分会相对较大。因此，地震大、距离远的地震动频谱形状会加强长周期部分。为此，我国抗震规范用特*影响持时的主要因素是震级。因为地震持时主要决定于整个断裂面断裂所需的时间，即断裂释放出能量的时间。即震级越大，持时越长。6.如何估计地震动？它的目的是什么？地震动估计的目的：为抗震设计提供定量的设防标准。三种途径：①通过地震烈度估计。②根据衰减规律估计。③通过震源机制理论分析估计。7.（P94）举例说明采用数值法进行人造地震动模拟的具体思想及方法步骤。数值法又可分为三种，即三角级数法、随机脉冲法与自回归法。数值法是根据地震动衰减规律，人们可以从地震危险性估计导出地震动的重要参数。例如根据某一特定场地的周围地震活动情况，确定待求地震动a（t）的反应谱Sa（T）、持续时间Td和振幅非平稳性函数f（t），制造出一组满足这些条件的地震动过程a（t）。方法：第一步是先根据需要与可能确定需在控制的反应谱Sa（t）（T=T1，…，TM）的坐标点数M和反应谱控制容许的误差ε0，三角级数的项数N由频率增量Δω的选择控制。第二步是选择一个初始a0（t）函数，第三步是用迭代法修正傅里叶谱A0（ω）=A0k。线性内插。第三步的结果是修正后的地震动过程a1（t）。根据第二步中到的初始函数a0（t）计算反应谱Sa0（ω）。对比计算的反应谱与给出的目标反应谱Sa（ω）修改A（ω）=Ak。第四步是重复上述迭代，直到反应谱在控制点处的最大误差小于或等于给定的误差ε为止。第二章1．试比较不同规范规定的性能目标与抗震设