第一章-地震及结构抗震的基本知识

第一章地震及结构抗震的基本知识1.1地震成因与地震类型1.2地震波及其传播1.3地震震级与地震烈度1.4中国地震的特点与地震灾害1.5结构的抗震设防1.1地震成因与地震类型全世界每年发生的地震约达五百万次。人们能感觉到的地震叫有感地震，占地震总数的1％左右。造成灾害的强烈地震平均每年发生十几次。强烈地震会引起地震区地面剧烈摇晃和颠簸，并会危及人民生命财产安全和造成工程建筑物的破坏。地震还可能应起火灾、水灾、山崩、滑坡以及海啸。1.1.1地球构造地球是一个近似于球体的椭球体，平均半径约6370km，赤道半径约6378km，两极半径约6357km。从物质成分和构造特征来划分，地球可分为三大部分：地壳、地幔和地核(图1.1)。地壳30～40km地幔29003500地核地壳莫霍面地下深度下地幔上地幔外核内核49806370km29001000玄武岩层花岗岩层海水沉积物莫霍不连续面地幔图1.1地球断面与地壳剖面(a)地球断面(b)分层结构(c)地壳剖面1.地壳地壳是地球外表面的一层很薄的外壳，它由各种不均匀的岩石组成。地壳的下界称为莫霍界面，或称莫霍不连续面。地壳的厚度在全球变化很大，大陆内一般厚16～40km，高山地区厚度更大，中国西藏高原及天山地区厚达70km。海洋下面厚度最小，一般为10～15km，最薄的约5km。世界上绝大部分地震都发生在地壳内。2.地幔地壳以下到深度约2895km的古登堡界面为止的部分为地幔，约占地球体积的5／6。地幔由密度较大的黑色橄榄岩等超基性岩石组成，其中上地幔物质结构不均匀，中、下地幔部分是比较均匀的。由于地幔能传播横波(剪切波)，所以根据推算，地幔应为固体。3.地核古登堡界面以下直到地心的部分为地核，地核半径约为3500km，又可分为外核和内核。据推测，地核的物质成分主要为镍和铁。由于至今还没有发现有地震横波通过外核，故推断外核处于液态，而内核可能是固态。地球各部分的密度随深度增加而增大，地球内部的温度随深度增加而升高。1.1.2地震的发生过程地震就是地球内某处岩层突然破裂，或因局部岩层塌陷、火山爆发等发生了振动，并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃，从而引起了地面的运动。发生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。震源深度、震中距、震源距震源：地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位震中：震源正上方的地面位置震源深度:从震中到震源的距离震中距：地面某处至震中的水平距离震中距在100公里-1000公里的称为近震震中距超过1000公里的称为远震震源震源深度震中等震线震源深度在60公里以内的地震为浅源地震震源深度超过300公里的地震叫深源地震震源深度介于60-300公里之间的地震为中源地震世界上绝大部分地震是浅源地震，中源地震比较少，而深源地震为数更少。一般来说，对于同样大小的地震，当震源较浅时，波及范围较小，而破坏程度较大；当震源深度较大时，波及范围则较大，而破坏程度相对较小。1.1.3地震的成因与类型构造地震——原因：地壳构造运动影响：发生数量大、影响范围广(占地震总数约90﹪)火山地震——原因：火山爆发工程地震的主要研究对象诱发地震——原因：人工爆破；矿山开采；工程活动影响：一般不太强烈，个别情况会造成严重的地震灾害天然地震地震类型一般造成较大灾害的都为构造地震，尤以浅源构造地震造成的危害更大。因此，从工程抗震角度来说，主要是研究占全球地震发生总数约90％的构造地震。构造地震亦称“断层地震”。由地壳（或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上地幔部位）发生断层而引起。图1.2断层运动的种类(a)正断层(b)逆断层(c)横向断层a、岩层的原始状态b、受力发生弯曲c、岩层破裂发生震动地震形成的局部机制：地球板块运动板块之间的相互作用力地壳中岩层变形变形积聚超过岩石所能承受的程度岩体就会发生突然断裂或错动地震构造地震成因.avi1.2地震波及其传播地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。地震波是震源辐射的弹性波，一般分为体波和面波。地震波的组成：体波：在地球内部传播的波面波：沿地球表面传播的波纵波(压缩波)横波(剪切波)注：横波周期较长，振幅较大乐夫波瑞雷波注：面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方1.2.1体波体波是指通过地球本体内传播的波，它包含纵波与横波两种。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，如图1.3(a)所示周期短、振幅小，在固体、液体里都能传播。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，如图1.3(b)所示周期长、振幅较大，只能在固体介质中传播。图1.3体波传播示意图(a)压缩波(b)剪切波波的前进方向波的前进方向质点振动方向质点振动方向返回纵波与横波的传播速度理论上可分别用下式计算：(1)2(1)(12)pEGV纵波速度(1.1)(1.2)2(1)sEGV横波速度λ──拉梅常数；E──介质的弹性模量；γ──介质的泊松比；ρ──介质的密度；G──介质的剪切模量。在弹性介质中，这两种体波的传播速度之比为(1.3)一般情况下，(1.3)式的值大于1，因此纵波传播速度比横波传播速度要快，在仪器观测到的地震记录图上，一般也是纵波先于横波到达。因此，通常也把纵波叫P波，把横波叫S波。通过(1.1)、(1.2)和(1.3)式，不仅可以得到两种体波的传播速度和它们之间的关系，还可以得到介质的一些弹性参数。21)1(2spVV1.2.2面波面波是指沿介质表面(或地球地面)及其附近传播的波，一般可以认为是体波经地层界面多次反射形成的次生波，它包含瑞雷(Rayleigh)波和乐甫(Love)波两种。地震瑞雷波传播时，质点在波的传播方向与地表面法向组成的平面内做逆进椭圆运动，如图1.4所示。乐甫波的传播，类似于蛇行运动，质点在与波传播方向相垂直的水平方向作剪切型运动，如图1.5所示。质点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量，这是乐甫波的一个重要特点。图1.4瑞雷波振动轨迹瑞雷波(LR)返回(a)剖面(b)射线图1.5面波质点振动示意图(a)瑞雷波质点振动(b)乐甫波质点振动波的前进方向xyzzyx波的前进方向地表层基岩返回地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。在地震记录上，纵波最先到达，横波到达较迟，面波在体波之后到达，一般当横波或面波到达时地面振动最强烈，破坏作用大地震波在传播过程中能量衰减，地面振动减弱，破坏作用减轻地震波记录是确定地震发生的时间、震级和震源位置的重要依据，也是研究工程结构物在地震作用下的实际反应的重要资料。1.2.3地震波的主要特性及其在工程中的应用由震源释放出来的地震波传到地面后引起地面运动，这种地面运动可以用地面上质点的加速度、速度或位移的时间函数来表示，用地震仪记录到的这些物理量的时程曲线习惯上又称为地震加速度波形、速度波形和位移波形。在目前的结构抗震设计中，常用到的则是地震加速度波形。地震动的三要素：地震动的峰值（最大振幅）、频谱、持续时间1.最大幅值最大幅值是描写地震地面运动强烈程度的最直观的参数，在工程实际中得到最普遍的接受与应用。在抗震设计中对结构进行时程反应分析时，往往要给出输入的最大加速度峰值，在设计用反应谱中，地震影响系数的最大值也与地面运动最大加速度峰值有直接的关系。2.频谱特性对时域的地震加速度波形进行变换，就可以了解这种波形的频谱特性，频谱特性可以用功率谱、反应谱和傅里埃谱来表示。图1.6是根据日本一批强地震记录求得的功率谱，它们是同一地震、震中距近似相同而地基类型不同的情况，显示出硬土、软土的功率谱成分有很大不同。图1.6地基功率谱示意图1020304050001024682030405060(Hz)(rad/s)(cm/s)2612182430001024682030405060(Hz)(rad/s)2(cm/s)22(a)软土(b)硬土返回软土地基上地震加速度波形中长周期分量比较显著；而硬土地基上地震加速度波形则包含着多种频谱成分，一般情况下短周期的分量比较显著。利用这一概念，在设计结构物时，人们就可以根据地基土的特性，采取刚柔不同的体系，以减少地震引起结构物共振的可能性，减少地震造成的破坏。3.持续时间强震持续时间对结构物破坏的影响主要表现在结构物开裂以后的阶段。如果结构物在开裂后又遇到了一个加速度峰值很大的地震脉冲并且结构物产生了很大的变形，那么结构的倒塌与一般的静力试验中的现象比较相似，即倒塌取决于最大变形反应。另一种情况是，结构物从开裂到倒塌，往往要经历几次、几十次甚至几百次的反复振动过程，在某一振动过程中，即使结构最大变形反应没有达到静力试验条件下的最大变形，结构也可能由于长时间的振动和反复变形而发生倒塌破坏。显然，在结构已发生开裂时，连续振动时间越长，结构倒塌的可能性越大。1.3地震震级与地震烈度1.3.1地震震级地震震级是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度，它是地震的基本参数之一，是地震预报和其它有关地震工程学研究中的一个重要参数。震级相差一级，释放能量相差约32倍！震级一般有三种定义，一是近震震级ML，二是面波震级MS，三是体波震级MB。根据地震仪记录到的地震波图确定的近震震级M计算：M=logA+R(Δ)震级M与震源释放能量之间的关系：又称为里氏震级式中A——记录图上量得的以m为单位的最大水平位移；R（Δ）——依震中距Δ而变化的起算函数。logE=1.5M+11.8小于2级的地震人们感觉不到，只有仪器才能记录下来，叫作微震；2～4级地震人就感觉到了，叫有感地震；5级以上地震就要引起不同程度的破环，统称为破坏性地震；7级以上地震则称为强烈地震。1.3.2地震烈度地震烈度：地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象来判断。表1.1是1999年颁布的中国地震烈度表。注：一般来说，距离震中近，烈度就高；距离震中越远，烈度也越低地震烈度表：把地震的强烈程度，从无感到建筑物毁灭及山河改观等划分为若干等级，列成表格，以统一的尺度衡量地震的强烈程度。表1.1是1999年颁布的中国地震烈度表。等烈度线：具有相同烈度的各个地点的外包线，等烈度线的度数随震中距的增大而递减，但有时会出现烈度异常。震中烈度：震中区的烈度称为震中烈度震害程度损坏——个别掉砖落瓦，墙体微细裂缝。指数0～0.1；轻度破环——局部破坏开裂，但不妨碍使用。指数0.11～0.30；中等破坏——结构受损，需要修理。指数0.31～0.50；严重破坏——墙体裂缝较宽，局部倒塌，修复困难。指数0.51～0.70；倒塌——大部倒塌，不堪修复。指数0.71～0.90；毁灭——墙倒顶塌，荡然无存。指数0.91～l.0。1.3.3震级与震中烈度的关系对于中浅源地震，震中烈度与震级的大致对照关系如表1.2所示。地震震级(M)23456788以上震中烈度(I0)1～234～56～77～89～101112表1.2地震震级与震中烈度大致关系依据震级粗略地估算震中烈度的方法地震烈度表：为评定地震烈度而建立起来的标准0213MII0为震中烈度无感1室内个别静止中的人感觉2悬挂物微动门、窗轻微作响室内少数静止中的人感觉3悬挂物明显摆动，器皿作响门、窗作响室内多数人感觉。室外少数人感觉。少数人梦中惊醒43（2-4）31（22-44）不稳定器物翻倒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落。抹灰出现微细裂缝室内普遍感觉。室外多数人感觉。多数人梦中惊醒56（5-9）63（45-89）河岸和松软土出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝掉头损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝惊惶失措，仓皇逃出613（10-18）125（90-177）河岸出现坍方。饱和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多。大多数砖烟囱中等破坏轻度破坏——局部破坏开裂，但不妨碍使用大多数人仓皇逃出725(19-3