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第一章绪论一、地震工程学的基本概念地震工程学：地震工程学是研究地震动、工程结构地震反应和抗震减灾理论的科学。从学科上看，地震工程学跨越地震学、工程学与社会学三个学科，且以前两者为主，它具体包括工程地震与结构抗震两个分支。地震学与地震工程学前者需要从后者去实现其最终目的；后者需要以前者的研究结果为基础；相互衔接的地方，两者都要去研究，很难区分应该属于哪一个学科；两者各有自己的目的，重点各不相同。二、地震工程学的基本内容地震工程学科的任务：根据地震预报现有的结果，在国家经济政策的指导下，经济、安全而又合理地制定新建工程的抗震设防技术措施、对已有工程制定鉴定标准和加固措施。根据专业性质和工作阶段，地震工程学的研究可分为几个部分：（1）地震危险性分析与地震区划根据地震长期预报的结果（未来地震的时间、地点、强度、概率）对选用的地震动设计参数，估计其大小与发生概率，即地震危险性；再根据危险性大小，作出以这些参数为指标的地震动区划。如我国现有的地震烈度区划图。这一工作把地震工作者的预报结果，转化为工程抗震所需参数的预报地震烈度区划是根据国家抗震设防需要和当前的科学技术水平，按照长时期内各地可能遭受的地震危险程度对国土进行划分，以图件的形式展示地区间潜在地震危险性的差异。（2）抗震规范与抗震设计对新建工程，规定法定抗震原则和具体措施，在抗震设计中必须遵守。这些原则和措施是根据宏观震害总结出来的抗震经验，从强震观测、结构试验与动力分析所了解的结构抗震原理，以及工程设计者的工程经验这三方面综合起来的技术成果，在国家经济政策指导下，制定的综合准则。（3）抗震鉴定加固对已有工程，针对当地未来可能遭遇的地震危险，估计已有工程的危害性，提出加固的原则和可行的技术措施。（4）抗震救灾一项是在已发生强地震的现场，为了减轻可能的进一步的危害而应采取的措施；另一项是对短临强地震预报区进行的防灾准备。工程地震：研究的问题是中、长期地震预报中的潜在震源区划分、潜在震源区地震活动性规律、地震动工程参数的选择，以及这些参数的估计等。由于地震动衰减规律有很大的随机性，所以对地震动活动性规律和地震危险性评估都要给出概率的含义。因此有地震动区划（大地区）、小区划（场地）、烈度区划；结构抗震：研究以结构动力学和工程学为基础，研究内容包括建筑材料与地基的动力性能、构件与结构振动特性、结构动力反应（非线性或弹塑性反应）、结构物的弹塑性与脆性破坏的机制，以及结构可靠性理论和工程设计等领域。三、地震工程学的特点该学科属综合型的应用科学，除了具有应用科学的一般特点外，还有自身的特点：1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础2.地震作用是地震工程学研究的重点3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热点4.广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方向1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础这是一门理论性很强的学科，但它更是一门强烈要求经验背景支持的学科。这些经验背景包括强震观测、震害经验和试验研究三个基本方面。强震观测是研究地震动的基础，也是进行结构动力试验的主要依据；如用于：抗震设计的反应谱理论研究、随机地震反应分析等。对震害经验的总结，始终是人们进行抗震设计、完善抗震技术、开拓研究领域的重要依据。进行典型环境下的试验研究是现代应用科学的基本手段之一。以研究地基与机构动力性能为目的的现场与室内试验，是丰富地震工程学内容，改进地震工程学理论的有利手段，如振动台试验技术。2.地震作用是地震工程学研究的重点地震作用属于动力荷载。动力荷载与一般静力荷载的区别体现在：1）结构所受动力荷载的大小与结构自身特性密切相关，结构的质量和刚度的大小直接影响地震作用的强弱。2）地震作用是一种不规则的循环往复荷载，其解答不具有静力问题解答的唯一性，工程上主要关注地震作用峰值；3）与静力荷载相比，地震作用具有更大的随机性，表现在发生过程的不确定性、发生地点、时间、强弱的不确定性上。因此，抗震设计有别于一般静力设计。3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热点由于地震作用在强度上的不确定性，一般结构物都可能在未来强震中进入破坏阶段。因此，结构非线性成为地震工程学的一个研究热点。研究发现：控制结构破坏的基本变量不仅与结构所能承受的最大荷载有关，而且还与结构的最大变形反应和累积损伤破坏有关，由此发展了强度-变形双重设计准则等理论。考虑复杂地震动输入（多维、多点输入）的理论与试验工作日趋增多，并逐渐形成现代地震工程研究的热点。4.广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方向第二章地震学基础2.1板块运动6大板块：美洲板块，欧亚板块，非洲板块，印度洋板块，南极洲板块，太平洋板块(全为洋壳)。目前，全球划分出十多个大小不等的板块。在大板块内又可进一步划分次一级板块(中型板块)，再次小型板块。如华北板块、扬子板块，其间秦岭-大别山为碰撞造山带。板块间的分界线是大洋中脊、俯冲带和转换断层。板块在大洋中脊继续增生扩张，而在俯冲带则下沉和消减。这是构造动荡激烈的部位，是地震、火山活动的主要发生地。世界范围内的主要地震带(1)环太平洋地震带这是世界上最大的地震带，在狭窄条带内震中密度也最大，全世界约80％的浅源地震、90％的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80％。此带的震源深度有自岛弧外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面。(2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带此带震中分布较前者为分散，带的宽度大且有分支。以浅源震为主，中源震在帕米尔、喜马拉雅有所分布，深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震带以外的几乎所有深源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15％。（3）大洋海岭地震带主要呈线状分布于各大洋的接近中部(图1-3)。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小于30km，震级除少数例外均不超过5级。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。与板边地震性比，板内地震有如下三个特点：1.地震地点零散，频度较低2.板内地震危害大.3.板内地震的震源机制复杂.2.3震源机制与地震类型2.3.1震源机制一.地震成因的宏观背景---板块观点板块构造学说地壳与上地幔的岩石层组成了全球岩石圈，地幔上部软流层的物质由海岭涌出，推着图1-4全球软流圈流动示意图软流层以上厚约100km的岩石圈在水平方向移动，形成新的海底并造成海底扩张；岩石圈在海沟处又插入另一部分岩石圈之下，返回软流层，同时形成下降流。这样，海岭与海沟间形成地幔对流体，承载着上部的板块缓慢漂移。当两板块相遇，其中一个板块俯冲插入另一个板块之下，在此过程中，由于板块内部复杂的应力状态，引起其本身与附近地壳和岩石层的脆性破裂而发生地震。另一方面软流层与板块之间的界面很不平坦，而且软流层本身图1-5板块相遇示意图仍具有较大的刚度，因此造成板块内部的复杂应力状态和不均匀变形，诱发板块内地震。而板块内的岩体断层则提供了发生地震的内在条件。二.地震成因的局部机制---弹性回跳假说二十世纪由里德（Reid）提出（1）.地壳由弹性的、有断层的岩层组成；（2）.地壳运动产生的能量以弹性应变能的形式在断层附近岩层中长期积累；（3）.当弹性应变能积累，岩层变形达到一定程度时，断层上及邻近点随之发生相对错动，岩体向相反方向突然滑动，地震因之产生，长期积累的弹性应变能突然释放；弹性回跳说的改进—粘滑说（4）.这种释放只是总应变能的一部分，而剩余部分则为断层面上很高的摩擦力所平衡；（5）.地震后，断层两侧摩擦力使其固结，并可以再次积累应力而发生较大的地震。2.3.2地震类型一.地震分类类型火山地震、天然地震、陷落地震、诱发地震根据地震深度，地震可以分为：浅源地震H60～70km，占地震总数的72%；中源地震70H300km，占地震总数的24%；深源地震H300km，仅占地震总数的4%，目前观测到的最大震源深度为720km。按地震M级大小：大地震：M=7级中地震：7M=5小地震：5M=3,微地震：3M=1超地震：M=1强烈破坏地震破坏性地震2-4级有感地震二、地震序列：把相互关联的一系列地震按发生时间先后顺序排列起来的结果。主震：某一次较大的地震；前震：主震之前与之相关的地震余震：主震之后发生的地震通常地震序列有三种基本类型：①主震余震型:主震释放能量最大,伴以相当数目的余震和不完整的前震。典型的有汶川大地震、唐山大地震。②震群型地震：主要能量通过多次较强地震释放，并伴以大量小震，如1966年邢台地震，1988年澜沧——耿马地震等。③单发型地震，主震突出，前阵与余震很小，如1976年内蒙和林格尔地震。2.4中国地震背景与特点世界地震构造系统全球地震可分为三个地震构造体系：（1）环太平洋地震构造系（2）大陆地震构造系（3）洋脊地震构造系（与人类活动关系不大）中国地震分区与地震带从地震分布特征来看，我国位于世界两大地震构造系的交汇部位；从地震地质背景来看，我国大陆存在发生频繁地震的内因和外在条件。我国地震频繁而强烈。我国地震基本特征：1）我国地震大多属浅源构造地震，一般，东部10-20km,西部40-50km。2）强震区和强震带的分布主要受断块构造控制，绝大多数地震与区域性大断裂有关。3）一定地区内的地震活动过程，存在明显的平静期和活跃期的交替现象。2.5地震灾害的破坏作用地震灾害具有：突发性、毁灭性地震灾害主要表现在三个方面：（1）地表破坏（2）结构物破坏（3）次生灾害（1）地表破坏1）极震区的断层破裂Tip:地面断裂一般并不特别加重宏观震害，断裂线附近震害稍轻、稍重或未见轻重异常的例子都有。2）因地震造成的重力性地裂、震陷与滑坡3）砂土液化小结：地震活动直接对地表岩土体的破坏：如山区边坡处因地震发生滑坡、崩塌；河流地区形成堰塞湖；场地地基隆起或下陷等。（2）结构物破坏地震活动对岩土体上方结构物的破坏：如震动引起房屋、桥梁、大坝、道路、工业设施、地下结构等破坏。（3）地震次生灾害火灾、水灾、瘟疫如：1906年旧金山地震28000栋建筑因火灾受损地震损失与火灾损失之比为1：4次生地质灾害：泥石流、滑坡、崩塌等2.6地震震级与地震烈度2.6.1地震震级定义——一次地震释放能量大小的度量多种震级定义：里氏震级（1935）ML=logA-logA0——近震WoodAnderson地震仪、震中距R=100km、最大水平地面位移面波震级（1939）MS=logA-logA0——浅源远震体波震级（1945）Mb=log(A/T)max-Q(R,h)——远震短周期体波震级（1963）mb矩震级（1977）MW=2/3logM0-10.7,(地震矩M0)体波：通过地球本体传播的波面波：体波经过反射、折射后，在介质的界面或自由面（如地面）传播纵波（P）：压缩波，对应于介质体应变，三维扩散横波（S〕：剪切波，对应于切应变，二维扩散破坏性最大瑞利波（R）：质点在XZ面上椭圆滚动前进面波（L）勒夫波（Q）：质点在XY面上曲线前进地震P波类似于空气中传播的声波纵波（P波）速度（弹性地球介质）地壳内6km/s地幔内8km/s地核内11km/s大地震发生时，震中附近的人们首先会感觉到一个强烈的上下颠簸形式的震动，这就是地震P波的作用。地震S波横波（S波）速度（弹性地球介质）地壳内4km/s外核0地幔内4.5km/s内核3.5km/s人们在感觉到一个上下颠簸的P波震动之后，会有一个短暂的停顿，然后会是一个更加猛烈的水平摇动，持续的时间也相对长一些，大多数房屋在上下颠簸变“酥”之后，便在水平摇晃中进一步毁坏倒塌，这就是地震S波的作用。同时，每个人都可以通过估算中间短暂停顿的时间长度，来简单判断这个地震距离自己的远近，方法是：用8乘以停顿时间秒数，即为距离公里数，例如：如果估计到停顿时间为20秒，那么地震震中距离自己大约为160公里。（但是，绝大多数人在惊慌失措中，对停顿的时间判断会有很大的误差）地震面波特大地震发生之后，如果其震源很浅，在地震S波之后，