1、工程结构抗震理论及应用,课程主讲人：李宁,天津大学研究生选修课程,开课单位：建筑工程学院2018年6月11日,本章提纲,2,地震震级（Earthquake Magnitude）震害（Earthquake Damage）地震烈度（Intensity）,第4章 地震的度量,本章提纲,2,地震震级（Earthquake Magnitude）震害（Earthquake Damage）地震烈度（Intensity）,第4章 地震的度量,地震震级是表示地震本身大小的尺度，是按一次地震本身强弱程度而定的等级，即衡量一次地震释放能量多少的尺度。目前，国际上常用的震级表示方法有4种：地方震级ML体波震级Mb和M
2、B面波震级MS矩震级MW我国规定对公众发布的地震震级一律采用面波震级MS 。,地震震级(Earthquake Magnitude),地方震级ML、体波震级Mb或MB、面波震级MS都是通过地震仪观测的某个频率地震波的幅度来衡量地震的相对大小。ML采用周期为1s左右的横波的振幅；Mb采用周期为1s左右的体波振幅；MB采用周期5s左右的体波振幅；MS仅适用浅源地震，采用周期为20s左右的面波振幅。矩震级MW是根据基本的物理参数来计算的震级，描述了地震破裂面上滑动量的大小，一般通过波形反演的方法计算。,地震震级(Earthquake Magnitude),国际上通用的震级表示方法为里氏震级。1935年
3、由美国学者C. F. Richter提出，定义为：在震中距100km处用标准地震仪（周期0.8s、阻尼系数0.8、放大倍数2800的伍德-安德森扭摆式地震仪）记录的地面运动的最大水平位移（振幅）A（单位m ）的常用对数：例：在震中距100km处地震仪记录的振幅为100mm（即105m ），则M=lg105=5。,地震震级(Earthquake Magnitude),如果地震观测地点的震中距不是100km或者观测采用的是非标准地震仪，必须对计算的震级进行适当的修正：式中，A非标准地震仪观测的最大振幅； A0标准地震仪在相同震中距的最大振幅； 震中距。,地震震级(Earthquake Magnit
4、ude),里氏震级属地方震级ML 。我国规定对公众发布的地震震级一律采用面波震级MS ，计算方法如下：式中，T为相应于A的周期； 为起算函数；C为台站校正值。面波震级MS与地方震级ML的经验关系为:,地震震级(Earthquake Magnitude),根据对地震参数的测定分析，又有速报震级和修订震级：速报震级是根据地震台站最先观测的地震参数进行快速评定给出初步结果，及时公布；修订震级是利用所有地震台站记录的地震参数进行精细分析，给出最终修订结果。如2008年5月12日我国四川汶川地震：我国速报震级为MS7.8，修订震级为MS8.0；日本测定震级为MS 7.9，修订震级为MS 8.0；美国初订
5、震级为MW 7.8，修订震级为MW 7.9；欧洲初订震级为MW 7.5，修订震级为MW 7.9。,地震震级(Earthquake Magnitude),当采用这样狭窄频带地震动分量定义震级，可能导致两种现象：同一地震可能有几个震级；对大地震，会出现震级饱和现象.Hanks和Kanamori(1979)采用不饱和的矩震级Mw描述地震释放能量大小。地震矩的表达式为： 地震波辐射能量； 拉梅常数； 应力降,地震震级(Earthquake Magnitude),矩震级：震级表示一次地震释放能量的多少，也是表示地震规模的指标，一次地震只有一个震级。震级直接与震源所释放的能量的大小有关，其表达式为：震级每
6、差一级，地震释放的能量相差约32(101.5)倍。一次6级地震所释放的能量相当于爆炸一颗2万吨级的原子弹所释放的能量。,地震震级(Earthquake Magnitude),根据震级大小，对地震进行划分：M2：人感觉不到，仪器可记录，称为微震；M=24：人感觉得到，称为有感地震；M5：引起不同程度破坏，称为破坏性地震；M7：称为强烈地震或大震；M8：称为特大地震。20世纪以来，由仪器记录到的最大震级为8.9级，共发生4次：1906年1月31日哥伦比亚与厄瓜多尔西海岸地震；1933年3月2日日本三陆近海地震；1960年5月22日智利西海岸地震；2011年3月11日 日本仙台北部海底地震,地震震级
7、(Earthquake Magnitude),本章提纲,2,地震震级（Earthquake Magnitude）震害（Earthquake Damage）地震烈度（Intensity）,第4章 地震的度量,震害,1概述地震是危及人民生命财产的突发性自然灾害。地震灾害造成的人员伤亡和经济损失是十分惨重的，尤其是随着经济的发展，城市化进程的加快，人口及物质财富向城市的高度集中，现代地震所造成的灾害更加巨大。,据历史记载：1556年1月23日陕西华县8.25级地震，陕西、山西、河南3省97州县遭受破坏，波及陕西、山西、河南、甘肃、宁夏、河北、山东、湖北、湖南、江苏、安徽等11省130余县，军民因压、
8、溺、饥、疫、焚而死者不计其数，其奏报有名者83万有余，不知名者复不可数。1668年7月25日山东郯城 级地震，山东、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、河南、河北、山西、辽宁、陕西、福建诸省及朝鲜同时感受到地震，50多万平方公里范围内的150多个州县遭受不同程度的破坏，有感半径超过 。,震害,20世纪以来我国：1920年12月26日甘肃与宁夏交界的海原 级地震，地表断裂 ，死亡23万余人。1976年7月28日唐山7.8级地震，死亡24.2万余人，重伤16.4万余人，直接经济损失达100亿元人民币1999年9月21日台湾集集7.6级地震，死2470多人，伤11305人，房屋倒塌57551户，20余座桥
9、梁被毁，直接经济损失约118亿美元。2008年5月12日四川汶川8.0级地震，死亡87150人，受伤374643人，直接严重受灾地区达10万平方公里，直接经济损失达8452亿元人民币。,震害,20世纪以来世界上其他国家：1994年美国洛杉矶6.7级地震，死1340人，伤15000人，直接经济损失达200亿美元。1995年1月17日日本阪神7.2级地震，死亡6432人，受伤43792人，直接经济损失达830亿美元。1999年8月17日土耳其伊兹米特7.4级地震，死17000人，伤26400人，直接经济损失200亿美元。2005年10月8日巴基斯坦7.6级地震，死亡7.9万人，受伤超过10万人。2
10、010年1月12日海地太子港7.0级地震，死亡30余万人，受伤25万余人。统计数据还在变化。,震害,据不完全统计：20世纪全世界地震死亡人数达170万人，占各类自然灾害死亡人数的54%，直接经济损失达4100亿美元，间接经济损失超过万亿美元，其中，城市地震造成的死亡人数约占61%，经济损失约占85%。,震害,全球近百年以来主要大地震及其死亡人数分布,日本2011年3月11日,25000,震害,世界上近百年来破坏性地震一览,震害,中国15次7级以上地震灾害统计数据,震害,地震灾害是地震作用于人类社会形成的社会事件，因此地震是否成灾与成灾大小，一方面取决于地震本身的条件，另一方面取决于受灾对象条件
11、、人和社会状况。地震灾害可以划分为直接震害和间接震害。直接灾害又包括地表破坏和工程结构破坏，两者破坏原因不同：地表破坏属静力作用，是由于地表破坏产生的相对位移引起的结构破坏；工程结构破坏是动力作用，是由于震动对结构产生惯性力引起的。间接灾害指地震之后引起的其他次生灾害。,震害,2 近代几次大地震灾害1. 1976年我国唐山地震,震害,2. 1995年日本阪神地震,震害,震害,3. 1999年我国台湾集集地震,震害,震害,4. 2008年我国四川汶川地震,震害,震害,3 地表变形地表变形主要表现为地面裂缝、山体滑坡、地面水平变形及竖向隆起或下沉等。地表变形会引起地面建筑物和工程设施的破坏，形成灾
12、害。,震害,地面裂缝主要有两类：由于地震活断层的相对错动引起的地面开裂，长度可达几十到几百公里，其走向与断层一致，称为构造地裂缝；由于地震时地面的剧烈震动所产生的惯性力，使土层内产生过大拉应力而引起的地面开裂。,震害,地面裂缝会严重加重地下管道的震害，若穿过房屋会造成墙和基础的断裂或错动，严重时会造成房屋的倒塌。当建筑物建于活动断裂带上时，会因断层活动造成结构物破坏，且这种灾害是无法抗拒的。,震害,1999年台湾集集7.6级地震是由车笼埔断层发生逆冲作用造成的，地震地表破裂长约100km、宽度约40km，断层上下盘间错动最大可达78m，地震断层表现为由东向西的逆冲错动；位于车笼埔断层线以东约1
13、5km的地盘整体向西北水平位移量达34m，最大水平位移在东势，达到8.5m。,发震断层及其两侧几十米范围内的建筑物均夷为平地。,震害,2008年四川汶川 8.0级地震发生在龙门山断裂带西南段映秀-北川断裂，地震破裂面南段以逆冲为主兼具右旋走滑分量，北段以右旋走滑为主兼具逆冲分量，地壳深部的岩石中形成了一条长约300km、深达30km的大断裂，其中200km出露地表，形成沿映秀北川断裂分布的地表破裂带，最大垂直位错6.4m、水平位错5.5m；另外，龙门山与成都平原交界的都江堰-江油断裂也发生了60km的破裂。,震害,震害,地表变形是与地震共生的现象。如：唐山7.6级地震产生了大范围、大幅度的地壳
14、水平变形和竖向变形，地面最大水平变形超过3m、地面最大竖向沉降超过1.5m，地面各点水平变形的大小随其与断层的距离的增大而减小，水平变形的方向显示断层两侧地壳有明显的右旋平推错动。,震害,砂土液化也是引起地面变形的主要原因之一。地震引起的饱和砂土振动孔隙水压力达到上覆土压力时，松散的饱和砂土将完全丧失抗剪能力，此时地下水就会喷出，同时夹带大量泥沙，形成所谓喷砂冒水现象。,震害,如果饱和砂土层埋深较浅，地基的承载力就会急剧下降，甚至完全损失，从而导致结构物迅速下沉、倾斜，引起严重破坏。软弱土层震陷是在地震时饱和软土在体积不变条件下因剪切变形所产生的沉陷。不均匀震陷会使工程结构 开裂、倾斜、倒塌。
15、,唐山地震中天津某住宅楼震陷达近40cm,震害,4 工程结构破坏强地震作用下工程结构因振动过大而引起的破坏和倒塌是造成人员伤亡和财产损失的主要原因之一。地震波引起的地面运动通过基础传到工程结构，引起结构本身的振动，当振动引起的动应力超过结构构件的抗力时，特别是当结构的自振周期与地震动周期相一致而产生共振时，就会造成结构的破坏。,震害,框架结构常见震害形式有：框架梁柱裂缝、震酥；框架节点损坏；框架填充墙损坏。,震害,砖混、砌体或砖木结构常见震害形式：纵、横墙墙交叉裂缝或震酥；楼梯间损坏，圈梁和构造柱损坏；纵横墙连接损坏、外墙整体向外倾倒、出屋面构件损坏。,震害,桥梁结构常见震害形式有：岸坡滑动；
16、桥头下沉；墩台向河心移位；桥孔缩短；墩台折断；桥墩移位或倾斜；桥面结构脱落、 折断、落梁。,震害,铁路常见震害形式有：路堤下沉、开裂、坍塌、错落；路堤破坏引起的钢轨扭曲；钢轨轨缝拉大、钢轨拉断。,震害,供水、电、气及交通、电信等生命线工程常见震害形式：地裂缝或错动、地基液化引起的地下管线开裂、接头错位；变压器倾倒或输电塔架破坏。,震害,水库大坝常见震害形式：坝顶、上、下游坝坡和马道纵向裂缝、横向裂缝；坝体变形、滑移、滑坡；下游边坡和坝脚渗水、管涌。,震害,工程结构破坏情况随结构类型和抗震措施的不同而有所差别，大致可归结为以下几种：（1）结构构件之间的连接失效而引起的破坏 房屋中的屋盖、吊车梁、
17、预制板等构件塌落，梁桥的桥面从桥墩上滑落，都是由于构件之间的连接失效，使结构整体性丧失而引起破坏。,汶川地震中绵竹市包装有限公司厂房屋架脱落,汶川地震中北川县城大桥桥面滑落,震害,（2）构件抗力不足而产生的破坏 地震作用产生的内力超过构件本身的抗力，使构件失效而引起工程的整体破坏，例如桥墩开裂、墙体裂缝，竖向支撑构件的弯曲和剪切破坏是工程结构地震震害的常见现象。,汶川地震中绵竹市回澜立交桥桥墩破坏,震害,（3）地基失效而引发的上部结构破坏 地震造成的地基失效使上部结构产生附加应力，引发或加剧工程结构的破坏，导致结构物的开裂、局部崩塌、整体倾斜或整体倒塌。,1964年阿拉斯加地震地基不均匀沉降引
18、起的破坏,2004年日本新潟地震砂土液化引起的房屋倒塌,震害,5 次生灾害地震还会引发诸如火灾、水灾、毒气泄漏、疫病蔓延、海啸与环境污染和滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，加剧人员伤亡与经济的损失，习惯上称作次生灾害。电器短路引燃煤气、汽油等会引发火灾；水库大坝、江河堤岸倒塌或震裂会引起水灾；公路、铁路、机场毁坏会造成交通中断；通讯设施、互联网络损坏会造成信息灾难；化工管道、贮存设备破坏会形成有毒物质泄漏、蔓延；水、电、燃气厂及管线破坏会造成大面积停水、电、气；卫生状况的恶化会造成疫病流行。地震灾害表明，尤其是在大城市，次生灾害的危害有时比地震直接灾害的危害更大。,震害,1906年美国旧金山地震引
19、发火灾烧毁整个城市,震害,2004年12月26日，印度洋发生里氏9.0级强烈地震并引发海啸，给印尼、斯里兰卡、泰国、印度，马尔代夫等国造成巨大的人员伤亡和财产损失。,海啸前后印尼亚齐市对比,震害,2008年5月12日我国四川汶川地震引起山体滑坡，阻塞河道形成形成的唐家山堰塞湖，位于涧河上游距北川县城约6km处，库容达1.45亿立方米，是北川灾区面积最大、危险最大的一个堰塞湖，坝体由石头和山坡风化土组成，顺河长约803m，横河最大宽约611m。,震害,次生灾害也是重要的地震灾害，特别是人口稠密、经济发达的大城市，现代化程度越高，各种各样的现代化设施错综复杂，次生灾害也越来越严重。所以，大中城市和
20、特大城市、地质环境比较脆弱的山区城市和沿海城市，应特别重视对次生灾害的防御。,震害,本章提纲,2,地震震级（Earthquake Magnitude）震害（Earthquake Damage）地震烈度（Intensity）,第4章 地震的度量,地震烈度(Seismic Intensity),地震烈度是表示地震时一定地点地面振动强弱程度的尺度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但对于不同地点的影响是不一样的，因此地震烈度就有多个。为评定地震烈度，需要建立一个标准，这就是地震烈度表。地震烈度还与地震大小、震源深度、地震传播介质、表土性质、建筑物动力特性等因素有关。随距离震中的远近不同，地震
21、烈度有所差异：距震中越远，地震影响越小，烈度越低；距震中越近，地震影响越大，烈度越高。,地震烈度表是以描述震害的宏观现象，即地震时人的感觉、家具的动作反应、建筑物的破坏程度、地貌的变化特征等方面，为主要区分标准。地震烈度表还以地面运动加速度峰值和速度峰值为参考物理指标，作为地区性直观烈度标志的共同校正标准。,地震烈度(Seismic Intensity),个别：10%以下少数：10%50%多数：50%70%大多数：70%90%普遍：90%以上,地震烈度(Seismic Intensity),由于对烈度影响轻重的分段不同，以及在宏观现象和定量指标确定方面存在差异，世界各国所制定的地震烈度表也有所
22、不同。日本（包括我国台湾地区）采用8度（07度）划分的地震烈度表；少数国家（如欧洲一些国家）采用10度（110度）划分的地震烈度表；绝大多数国家采用12度（112度）划分的地震烈度表。中国采用12度（112度）划分的地震烈度表。,地震烈度(Seismic Intensity),使用地震烈度概念的作用：在地震预报中，用烈度进行地震区划，或粗略地规定地震动设计参数；在地震现场，用烈度来评价地震的强烈程度，作为总结震害经验的一种宏观尺度；在地震发生后，通过烈度的分布来估计震害的分布，了解各地区的灾情，估计震中、震级、震源深度等地震参数以至震源机制的情况；在抗震防灾工作中，以烈度作为一般建筑物和工程设
23、施的设防标准。总之，烈度就是对一定地点地震强烈程度的总体评价，既可作为抗震防灾的标准，又可作为研究地震的工具。,地震烈度(Seismic Intensity),应用中应注意的事项：评定烈度时，I度V度以地面上人的感觉为主；度X度以房屋震害为主，人的感觉仅供参考；度度以地表现象为主。在高楼上人的感觉要比在地面上明显，应适当降低评定值。表中房屋为单层或数层、未经抗震设计或末加固的砖混和砖木房屋。对于质量特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表中各烈度相应的震害程度和震害指数予以提高或降低。平均震害指数可在调查区域内用普查或随机抽查的方法确定。在农村以自然村为单位，在城镇以分区进行烈度评定，面积以1 左右为宜。凡有地面强震记录资料的地方，表列物理参考量可作为综合评定烈度和制定建设工程抗震设防要求的依据。,地震烈度(Seismic Intensity),一般来说，震中烈度是地震大小与震源深度两者的函数。对于大量的震源深度为1030km的地震，震中烈度I0与震级M的大致对应关系为,地震烈度(Seismic Intensity),
