建筑抗震设计规范.docx

1、建 筑 抗 震 理 论 与 设 计 方 法曹 资 朱 志 达 编 著 王 松 涛 审 核北 京 工 业 大 学 出 版 社内 容 简 介本 书 是 依 据 建 筑 抗 震 设 计规 范 ( GBJ 1189) 及 其 1993 年 局 部 修 订 本 、 钢 筋混 凝 土 高 层 建 筑 结 构设 计 与 施 工 规 程 ( JGJ 391) 和 1995 年 建 筑抗 震 鉴 定 标 准 ( G B 5002395) 的 主 要 内 容 编 写 的 , 主要 阐 述了 地 震 及 抗 震 设 计 基 本 原 理、 建 筑 场 地 与 地 基 础 、 地 震 作 用 、 结 构 动 力 特 性

2、 与地 震 反 应 分 析 理 论 以及 多 层砌 体 房 屋 、 单 层 厂房 、 多 层 和 高 层 钢筋 混 凝 土 房 屋 的 抗 震 设 计 方法 , 并 介 绍 了 我 国 房 屋 抗 震 鉴 定 及 加 固 的 基本 原 则 和 方 法 。本书 可 作 为 高 等 院 校 建 筑 工 程、 工 民 建 、 建 筑 结 构 专 业 学 生 用 教 材, 亦 可 作 为 相 关 专 业 工 程 设 计 与 施 工 技 术 人 员 的 参 考 书 。建 筑 抗 震 理 论 与 设 计 方 法 曹 资 朱 志 达 编 著 王 松 涛 审 核 北 京 工 业 大 学 出 版 社 出 版 发

3、 行 各 地 新 华 书 店 经 销 徐 水 宏 远 印 刷 厂 印 刷1 99 8 年 2 月 第 1 版 1 99 8 年 2 月 第 1 次 印 刷7 8 7m m 1 0 92 m m 1 6 开 本 20 . 5 印 张 5 0 5 千 字印 数 : 1 20 0 0 册IS BN 7 -5 6 39 -0 6 20 -7 / T 6 1定 价 : 2 0 .0 0 元前 言本 书 主 要 阐 述 建 筑 结 构 抗 震 理 论 与 抗 震 设 计 方 法 。 结 构 抗 震 为 地 震 工 程 学 的 一 个 重 要 分 支 。 地 震 工 程 学 研 究 的 主 要 任 务 是

4、针 对 未 来 强 震 与工 程 要 求 , 力 求 在 最 经 济 条 件 下 使 结 构 物 具 有 足 够 的 抗 震 能 力 , 以 保 障 人 民 生 命 财 产 的 安 全 。 地 震 工 程 学 包 括 工 程 地 震 与 结 构 抗 震 两 方 面 研 究 内 容 。 工 程 地 震 主 要 研 究 地 震 危 险 性 分 析 、 地 震 区 划 、 潜 在 震 源 区 地 震 活 动 规 律 、 地 震 动 工 程 参 数 的 选 择 及 其 估 计 等 ; 而 结 构 抗 震 主 要 研 究 建 筑 场 地 动 力 性 能 与 抗 震 设 计 关 系 、 构 件 与 结 构

5、 动 力 特 性 、 结 构 破 坏 机 制 及 地 震 反 应 分 析 理 论 与 抗 震 设 计 方 法 。本 书 在 介 绍 结 构 抗 震 理 论 与 设 计 方 法 时 , 必 然 要 适 当 述 及 与 结 构 抗 震 紧 密 相 关 的 工 程 地 震 中 有 关 地 震 的 基 本 知 识 。此 外 , 根 据 抗 震 减 灾 的 需 要 , 本 书 增 设 了 房 屋 抗 震 鉴 定 与 加 固 内 容 。全 书 是 根 据 我 国 现 行 建 筑 抗 震 设 计 规 范 ( GBJ 1189) 及 其 1993 年 局 部 修 订 本 、 钢 筋 混 凝 土 高 层 建 筑

6、 结 构 设 计 与 施 工 规 程 ( J GJ 391) 和 建 筑 抗 震 鉴 定 标 准 ( GB 5002395) 编 写 的 。本 书 第 一 、 二 、 三 、 七 章 由 曹 资 执 笔 , 第 四 、 五 、 六 章 由 朱 志 达 执 笔 , 全 书 由 王 松 涛 审 核 。 在 编 写 与 出 版 过 程 中 得 到 北 京 工 业 大 学 出 版 社 李 志 恒 副 总 编 的 热 情 帮 助 和 指 正 , 在 此 表 示 衷 心 感 谢 !由 于 水 平 所 限 , 书 中 难 免 有 疏 漏 与 不 妥 之 处 , 敬 请 读 者 予 以 批 准 指 正 。编

7、者 一 九 九 七 年 一 月目 录前 言第 一 章 地 震 及 抗 震 设 计 基 本 原 则 ( 1)第 一 节 地 震 类 型 及 地 震 灾 害 ( 1)第 二 节 地 震 波 、 震 级 和 地 震 烈 度 ( 5)第 三 节 我 国 抗 震 防 灾 的 形 势 和 战 略 ( 13)第 四 节 我 国 抗 震 设 计 的 基 本 原 则 ( 17)第 五 节 抗 震 结 构 的 概 念 设 计 ( 19)第 二 章 建 筑 场 地 与 地 基 基 础 ( 24)第 一 节 影 响 地 震 作 用 效 应 的 因 素 ( 24)第 二 节 建 筑 场 地 类 别 划 分 ( 25)第

8、 三 节 地 基 基 础 抗 震 验 算 ( 28)第 四 节 场 地 土 液 化 ( 31)第 三 章 地 震 作 用 及 结 构 抗 震 验 算 ( 36)第 一 节 地 震 作 用 及 地 震 反 应 分 析 理 论 的 发 展 ( 36)第 二 节 体 系 自 由 度 及 动 力 计 算 简 图 ( 39)第 三 节 单 自 由 度 弹 性 体 系 的 水 平 地 震 反 应 ( 40)第 四 节 抗 震 设 计 反 应 谱 ( 44)第 五 节 多 自 由 度 弹 性 体 系 的 水 平 地 震 反 应 振 型 分 解 法 ( 50)第 六 节 振 型 分 解 反 应 谱 法 ( 5

9、6)第 七 节 底 部 剪 力 法 ( 62)第 八 节 结 构 动 力 特 性 的 近 似 计 算 及 测 试 ( 65)第 九 节 平 动 扭 转 耦 连 振 动 时 结 构 的 抗 震 计 算 ( 71)第 十 节 竖 向 地 震 作 用 ( 78)第 十 一 节 截 面 抗 震 验 算 ( 83)第 十 二 节 结 构 变 形 验 算 ( 86)第 十 三 节 结 构 弹 塑 性 地 震 反 应 的 时 程 分 析 ( 90)第 四 章 多 层 砌 体 房 屋 抗 震 设 计 ( 106)第 一 节 概 述 ( 106)第 二 节 震 害 分 析 ( 107)第 三 节 建 筑 布 置

10、 与 结 构 选 型 的 一 般 规 定 ( 110)第 四 节 多 层 砌 体 房 屋 的 抗 震 验 算 ( 112)第 五 节 多 层 砖 房 的 抗 震 构 造 措 施 ( 120)第 六 节 多 层 砌 块 房 屋 的 抗 震 构 造 措 施 ( 125)第 五 章 单 层 厂 房 抗 震 设 计 ( 133)第 一 节 单 层 钢 筋 混 凝 土 柱 厂 房 的 震 害 分 析 ( 133)第 二 节 单 层 钢 筋 混 凝 土 柱 厂 房 结 构 布 置 与 选 型 的 一 般 规 定 ( 136)第 三 节 单 层 钢 筋 混 凝 土 柱 厂 房 的 抗 震 计 算 ( 138

11、)1第 四 节 抗 震 构 造 措 施 ( 167)第 五 节 单 层 砖 柱 厂 房 的 抗 震 设 计 要 点 ( 180)第 六 章 多 层 和 高 层 钢 筋 混 凝 土 房 屋 抗 震 设 计 ( 183)第 一 节 概 述 ( 183)第 二 节 震 害 分 析 ( 184)第 三 节 抗 震 设 计 的 一 般 规 定 ( 185)第 四 节 框 架 结 构 的 抗 震 计 算 ( 193)第 五 节 框 架 结 构 的 抗 震 构 造 措 施 ( 211)第 六 节 砖 填 充 墙 框 架 的 抗 震 验 算 ( 231)第 七 节 剪 力 墙 结 构 的 抗 震 计 算 与

12、构 造 要 点 ( 235)第 八 节 框 架 剪 力 墙 结 构 的 抗 震 计 算 与 构 造 要 点 ( 259)第 七 章 房 屋 抗 震 鉴 定 及 加 固 ( 291)第 一 节 房 屋 抗 震 鉴 定 及 加 固 的 基 本 原 则 ( 291)第 二 节 整 体 结 构 的 抗 震 加 固 理 论 ( 294)第 三 节 多 层 钢 筋 混 凝 土 房 屋 的 抗 震 鉴 定 ( 297)第 四 节 多 层 钢 筋 混 凝 土 房 屋 的 抗 震 加 固 ( 300)第 五 节 多 层 砖 房 的 抗 震 鉴 定 ( 305)第 六 节 多 层 砖 房 的 抗 震 加 固 (

13、312)参 考 文 献 ( 318)2第 一 章 地 震 及 抗 震 设 计 基 本 原 则第 一 节 地 震 类 型 及 地 震 灾 害一 、 地 震 类 型 及 板 块 构 造 学 说地 震 是 严 重 危 及 人 民 生 命 财 产 安 全 的 一 种 突 发 式 自 然 灾 害 。 按 其 成 因 可 分 为 以 下 三 类 。( 1) 构 造 地 震 : 约 占 发 生 地 震 的 90% 左 右 ; ( 2) 火 山 地 震 : 约 占 发 生 地 震 的 7% 左 右 ;( 3) 陷 落 地 震 : 约 占 发 生 地 震 的 3% 左 右 。火 山 地 震 , 顾 名 思 义

14、是 由 于 火 山 爆 发 引 起 的 地 震 ; 而 由 于 地 壳 顶 板 陷 落 引 发 的 地 震 为 陷 落 地 震 。 火 山 地 震 与 陷 落 地 震 发 生 的 机 率 少 , 且 危 害 影 响 面 相 对 构 造 地 震 来 说 也 较 小 。 因 此 ,在 地 震 工 程 学 中 主 要 的 研 究 对 象 是 构 造 地 震 。对 构 造 地 震 ( 以 下 简 称 地 震 ) 成 因 的 研 究 已 有 近 百 年 历 史 。 早 期 较 侧 重 于 断 层 破 裂 学 说 , 近 期 较 公 认 的 是 板 块 构 造 学 说 。 根 据 科 学 勘 查 可 知

15、, 地 球 表 面 地 壳 系 由 厚 度 很 不 均 匀 的 岩 石 组 成 , 海 底 地 壳 厚 度 一 般 仅 为 几 km , 而 我 国 青 藏 高 原 地 壳 厚 度 可 达 70km 。 世 界 上 大 部 分 地 震 发 生 于 地 壳 内 。 由 地 壳 与 上 地 幔 顶 部 形 成 几 十 km 到 一 百 多 km 的 全 球 岩 石 圈 , 岩 石 圈 下 有 厚 约 为 几 百 km 的 软 流 层 ( 图 1-1) 。 由 国 际 海 洋 调 查 , 地 球 岩 石 层 可 分 为 六 大 板 块 , 即 欧 亚 板 块 、 太 平 洋 板 块 、 美 洲 板

16、块 、 非 洲 板 块 、 印 澳 板 块 与 南 极 板 块 , 各 大 板 块 内 又 可 分 为 若 干 小 板 块 , 由 于 地 幔 软 流 物 质 的 涌 出 与 对 流 , 促 使 板 块 的 构 造 运 动 而 引 发 地 震 ( 图 1-2) , 此 即 板图 1-1 地 球 内 部 的 分 层 图 1-2 海 底 扩 张 示 意 图1块 构 造 学 说 。 按 照 板 块 构 造 学 说 , 地 震 可 分 为 板 边 地 震 和 板 内 地 震 。 板 边 地 震 系 指 两 个 板 块 相 遇 时 , 其 中 一 块 板 俯 冲 插 入 另 一 板 块 之 下 , 引

17、起 板 边 地 壳 和 岩石 层 的 脆 性 破 裂 而 发 生 地 震 。板 内 地 震 是 由 于 板 块 内 部 的 不 均 匀 变 形 所 引 起 , 多 发 生 在 更 为 薄 弱 的 岩 体 断 层 处 。 板 内 地 震 与 板 边 地 震 相 比 地 点 较 分 散 , 发 生 频 率 较 低 。 但 由 于 板 内 多 为 人 类 密 集 处 , 因 此 危 害 性 大 。历 史 资 料 表 明 , 全 球 85% 的 地 震 发 生 在 板 块 边 缘 及 其 附 近 , 15% 的 地 震 发 生 在 板 块 内 部 。 根 据 震 源 深 度 ( 以 d 表 示 ) ,

18、 构 造 地 震 可 分 为 浅 源 地 震 ( d 70km) 、 中 源 地 震 ( 70k m 300km ) 。震 源 在 地 面 的 投 影 称 为 震 中 , 从 震 源 到 震 中 的 距 离 为 震 源 深 度 , 即 从 震 源 到 地 面 的 最 短 距 离 。 浅 源 地 震 对 震 中 区 破 坏 大 。 如 1976 年 的 唐 山 大 地 震 , 其 震 源 深 度 约 为 12k m 16k m, 属 于 浅 源 地 震 。根 据 已 发 生 的 地 震 震 中 绘 出 分 布 图 , 可 看 出 明 显 的 地 震 带 。 图 1-3 系 根 据 1961 年

19、1967 年 世 界 上 发 生 的 4 级 以 上 地 震 绘 出 的 震 中 分 布 图 。 由 该 图 可 见 , 地 球 上 主 要 有 两 个 地 震 带 : 一是 环 太 平 洋 地 震 带 , 系 沿 南 北 美 州 的 西 海 岸 , 经 阿 留 申 群 岛 、 千 岛 群 岛 转 向 日 本 列 岛 , 然 后 分 为 两 支 , 西 支 经 我 国 的 台 湾 省 、 菲 律 宾 、 印 度 尼 西 亚 至 新 几 内 亚 , 东 支 经 马 里 亚 纳 群 岛 至 新 几 内 亚 , 两 支 汇 合 后 转 向 新 西 兰 , 全 世 界 75% 左 右 的 地 震 发

20、生 在 该 地 震 带 。 另 一 是 地 中 海 南 亚 地 震 带 , 西 起 太 平 洋 亚 速 岛 经 意 大 利 、 土 耳 其 、 伊 朗 、 印 度 北 部 , 再 经 我 国 西 南 地 区 及 印 度 尼 西 亚 , 与 环 太 平 洋 地 震 带 相 接 , 全 世 界 地 震 总 数 的 22% 左 右 发 生 在 该 地 震 带 。二 、 地 震 灾 害地 震 灾 害 具 有 突 发 性 和 毁 灭 性 。 全 世 界 每 年 发 生 破 坏 性 地 震 近 千 次 , 其 中 震 级 达 7 级 或7 级 以 上 的 大 地 震 约 十 几 次 。 表 1-1 列 出

21、 了 近 20 年 以 来 部 份 破 坏 性 较 大 的 地 震 简 况 。表 1-1 近 20 年 以 来 世 界 部 份 大 地 震 简 况时 间 地 点 震 级 震 中 烈 度 震 源 深 度( km )震 亡 人 数1974.5.11 中 国 云 南 昭 通 7.1 10 11 2 万多1975.2.4 中 国 辽 宁 海 城 7.3 9 12 13001976.2.4 危 地 马 拉 7.7 5 2.3 万1976.5.29 中 国 云 南 潞 西 7.5 9 201976.7.28 中 国 河 北 唐 山 7.8 11 16 24 万1976.8.16 中 国 四 川 松 潘 7

22、.2 9 11 121976.8.17 菲 律 宾 7.9 33 65001976.10.29 印 度 尼 西 亚 7.2 33 61331976.11.24 土 耳 其 7.3 36 50001977.3.4 罗 马 尼 亚 东 部 7.2 94 15001977.3.21 伊 朗 7.0 1671977.11.23 阿 根 廷 圣 胡 安 7.4 13 701978.6.12 日 本 7.5 42 221978.9.16 伊 朗 7.7833 3.5 万2图 1-3 世 界 震 中 分 布 图 ( 1961 1967)3续 表时 间 地 点 震 级 震 中 烈 度 震 源 深 度( km

23、)震 亡 人 数1979.11.14 伊 朗 7.1 3001979.12.12 厄 瓜 多 尔 7.9 32 8001980.10.10 阿 尔 及 利 亚 7.3 45001983.10.30 土 耳 其 7.1 13001985.8.23 中 国 新 疆 乌 恰 7.4 9 22 641985.9.19 墨 西 哥 8.1 95001988.11.6 中 国 云 南 澜 沧 7.6 13 7481988.12.7 亚 美 尼 亚 6.9 2.5 万1989.10.19 美 国 旧 金 山 7.1 621990.6.21 伊 朗 7.81994.1.17 美 国 洛 杉 矶1995.1.1

24、7 日 本 神 户 7.21995.9.14 墨 西 哥 7.39明 石 海 峡 下 20 5000针 对 人 类 赖 以 生 存 的 自 然 环 境 及 工 程 结 构 物 产 生 的 震 害 情 况 , 地 震 灾 害 可 由 地 震 外 因 及 结 构 物 内 因 来 分 类 。( 一 ) 按 外 因 不 同 区 分按 外 因 不 同 , 地 震 灾 害 可 分 类 如 下 :直 接 震 害地 面 运 动 引 起 结 构 振 动 破 坏地 裂 缝地 基 失 效 地 陷砂 土 液 化 滑 坡火 灾间 接 震 害 海 啸( 次 生 灾 害 )山 崩由 地 震 引 起 建 筑 物 的 强 烈

25、振 动 或 地 基 失 效 , 直 接 造 成 结 构 的 破 坏 , 称 为 直 接 震 害 。 由 于 地 震 还 可 引 起 火 灾 、 海 啸 、 山 崩 等 间 接 震 害 , 亦 称 为 次 生 灾 害 。 国 际 上 把 地 震 灾 害 分 为 一 次 灾 害 、 二 次 灾 害 和 三 次 灾 害 。 一 次 、 二 次 灾 害 即 为 直 接 震 害 和 间 接 震 害 , 三 次 灾 害 是 指 由 一 、 二 次 灾 害 引 起 的 混 乱 、 停 工 、 城 市 瘫 痪 及 瘟 疫 流 行 等 。在 建 筑 抗 震 设 计 中 , 主 要 研 究 由 于 地 面 运 动

26、 引 起 结 构 与 地 基 基 础 振 动 的 动 效 应 及 如 何 进 行 抗 震 防 灾 设 计 。 这 是 量 最 大 、 面 最 广 、 最 为 普 遍 的 震 害 原 因 , 也 是 本 书 主 要 介 绍 的 内 容 。4地 基 失 效 是 指 由 地 面 振 动 引 起 地 基 承 载 力 的 下 降 和 丧 失 。 如 1971 年 美 国 圣 尔 南 多 大 地震 , 地 面 水 平 错 动 最 大 达 1.9m , 垂 直 错 动 达 1.4m, 错 动 长 度 为 15km, 严 重 加 重 了 地 下 管 线 工 程 的 震 害 。 砂 土 液 化 ( 详 见 第

27、二 章 ) 将 伴 随 着 喷 水 冒 砂 , 造 成 地 基 失 稳 而 引 起 结 构 破 坏 。 最 典 型 例 子 是 1964 年 3 月 28 日 美 国 阿 拉 斯 加 7.9 级 地 震 和 1964 年 6 月 16 日 日 本 新 泻 7.4 级地 震 , 都 因 大 面 积 大 量 喷 水 冒 砂 造 成 地 基 失 效 而 导 致 大 量 建 筑 物 破 坏 。 我 国 1966 年 邢 台 地 震与 1976 年 唐 山 大 地 震 也 都 出 现 了 大 面 积 砂 土 液 化 现 象 。 滑 坡 多 发 生 在 山 区 、 堤 岸 及 人 工 整 平 回 填 等

28、场 地 处 , 如 唐 山 地 震 时 , 塘 沽 碱 场 即 产 生 严 重 滑 坡 震 害 。将 直 接 震 害 分 为 结 构 振 动 和 地 基 失 效 两 类 , 其 原 因 除 了 要 采 取 不 同 抗 震 措 施 外 , 主 要 原 因 是 一 般 地 基 失 效 引 起 的 结 构 震 害 可 近 似 视 为 静 力 作 用 , 而 结 构 振 动 破 坏 必 属 于 动 力 作 用 , 以 便 分 别 采 取 抗 震 计 算 方 法 与 措 施 。由 地 震 引 起 的 次 生 灾 害 有 时 比 直 接 灾 害 更 为 严 重 , 尤 其 是 在 大 城 市 与 大 工

29、业 区 更 应 在 整 体 规 划 和 设 计 中 予 以 密 切 关 注 。 典 型 的 火 灾 震 害 如 1906 年 美 国 旧 金 山 8.3 级 大 地 震 与 日 本1923 年 关 东 大 地 震 。 据 统 计 , 日 本 关 东 大 地 震 震 倒 房 屋 13 万 栋 , 而 震 后 大 火 烧 毁 房 屋 45 万 栋 , 即 为 震 倒 房 屋 的 三 倍 多 , 烧 死 人 数 约 占 总 死 亡 人 数 的 40% ; 最 典 型 的 由 地 震 引 起 的 海 啸 灾 害 为 1960 年 5 月 22 日 南 美 智 利 8.9 级 特 大 地 震 , 海 啸

30、 浪 高 22m, 除 摧 毁 了 智 利 中 南 部 沿 海 房 屋 外 , 还 不 远 万 里 横 渡 太 平 洋 , 于 22h 后 在 远 距 智 利 17000km 的 日 本 东 海 岸 本 州 、 北 海 道 登 陆 , 浪 高 还 有 4m 5m, 冲 走 房 屋 3000 多 栋 , 并 将 海 边 巨 轮 抛 上 陆 地 。( 二 ) 按 建 筑 结 构 内 因 不 同 区 分 震 害1. 承 重 结 构 强 度 不 足 导 致 的 破 坏在 强 烈 地 震 作 用 下 , 由 于 与 使 用 荷 载 作 用 性 质 不 同 , 不 仅 使 结 构 构 件 内 力 大 大

31、增 加 , 而 且 其 受 力 性 质 往 往 也 会 改 变 。 如 在 使 用 荷 载 作 用 下 , 砌 体 结 构 中 以 受 压 为 主 的 承 重 墙 在 地 震 作 用 下 常 发 生 剪 切 破 坏 。 因 此 , 当 没 有 进 行 抗 震 设 计 时 , 主 体 承 重 结 构 常 遭 到 强 度 破 坏 。2. 结 构 局 部 或 整 体 丧 失 稳 定 由 于 支 撑 系 统 失 效 、 结 构 构 件 间 连 接 不 牢 或 支 承 破 坏 等 原 因 , 均 可 导 致 建 筑 物 丧 失 稳 定 ,以 致 于 局 部 破 坏 或 整 体 倒 塌 。3. 由 于 变

32、 形 过 大 导 致 非 结 构 破 坏在 强 烈 地 震 作 用 下 , 当 结 构 产 生 过 大 振 动 变 形 时 , 有 时 主 体 结 构 并 未 达 到 强 度 破 坏 , 而 墙 饰 面 、 围 护 墙 、 雨 篷 等 非 结 构 构 件 往 往 会 发 生 脱 落 或 倒 塌 等 震 害 。第 二 节 地 震 波 、 震 级 和 地 震 烈 度一 、 地 震 波地 震 发 生 时 , 震 源 岩 石 断 裂 错 动 , 其 能 量 以 波 动 形 式 向 各 方 向 传 播 , 这 种 波 就 是 地 震 波 。 地 震 波 可 分 为 体 波 与 面 波 , 可 示 意 如

33、 下 :地 震 波体 波 面 波 纵 波 ( P 波 )横 波 ( S 波 )瑞 雷 波 ( R 波 )洛 夫 波 ( Q 波 )5( 一 ) 体 波 和 面 波 在 地 球 内 部 传 播 的 地 震 波 称 为 体 波 。 根 据 介 质 质 点 振 动 方 向 与 波 传 播 方 向 不 同 , 体 波 又可 分 为 纵 波 和 横 波 , 或 称 压 缩 波 和 剪 切 波 ( 图 1-4) 。图 1-4 体 波 质 点 振 动 形 式( a ) 压 缩 波 ; ( b) 剪 切 波当 质 点 振 动 方 向 与 波 的 传 播 方 向 一 致 时 称 为 纵 波 , 亦 称 压 缩

34、波 , 即 P 波 , 纵 波 在 震 中 区 主 要 引 起 地 面 垂 直 方 向 振 动 。 横 波 则 指 其 质 点 振 动 方 向 与 波 传 播 方 向 正 交 的 地 震 波 , 又 称 剪 切 波 或 S 波 , 剪 切 波 在 震 中 区 主 要 引 起 地 面 水 平 方 向 振 动 。 与 横 波 相 比 , 纵 波 周 期 短 、 振 幅 小 而 传 播 速 度 快 。在 地 面 ( 自 由 表 面 ) 或 地 壳 表 层 各 不 同 地 质 层 界 面 处 传 播 的 波 称 为 面 波 , 又 称 L 波 。 它 是 体 波 经 地 层 界 面 反 射 形 成 的

35、 次 生 波 。 由 于 地 壳 表 层 物 质 形 成 的 年 代 不 同 等 地 质 原 因 , 地 壳 成 层 状 结 构 , 很 容 易 产 生 面 波 , 所 以 面 波 是 地 震 波 研 究 的 主 要 内 容 之 一 。 在 地 面 上 一 般 存 在 两 种 面 波 的 运 动 , 即 瑞 雷 波 ( R 波 ) 和 洛 夫 波 ( Q 波 ) 。 瑞 雷 波 传 播 时 , 质 点 在 地 表 法 向 与 波 前 进 方 向 组 成 的 平 面 内 做 椭 圆 运 动 。 洛 夫 波 传 播 时 质 点 运 动 方 向 是 水 平 的 且 垂 直 于 波 前 进 方 向 ,

36、 在 地 面 上 表 现 为 蛇 形 运 动 ( 图 1-5) 。 面 波 周 期 长 、 振 幅 大 、 传 播 速 度 较 慢 。 瑞 雷 波 一 般 在 震 中 区 并 不 出 现 。( 二 ) 传 播 速 度1. 各 种 波 的 传 播 速 度 纵 波 、 横 波 和 瑞 雷 波 波 速 vP 、 vS 和 vR 表 达式 依 次 为vP = + 2G ( 1-1)图 1-5 面 波 质 点 振 动 方 式( a ) 瑞 雷 波 质 点 振 动 ; ( b) 洛 夫 波 质 点 振 动vS = G ( 1-2)其 中 = E , G= EvR = 0.92vS ( 1-3)( 1+ )

37、 ( 1- 2 )式 中 E 、 G 分 别 为 介 质 的 弹 性 模 量 和 剪 切 模 量 ; 介 质 的 波 松 比 ; 介 质 密 度 。2 ( 1+ )在 地 幔 内 , 一 般 波 松 比 = 1 , 代 入 式 ( 1- 1) 和 式 ( 1- 2) 可 得46v P vS2= 1 + 1 = 31 + 2由 上 可 见 , 纵 波 比 横 波 传 播 速 度 快 , vP = 1.73, 而 面 波 传 播 速 度 最 慢 。vS在 地 震 时 , 震 中 区 人 们 的 感 觉 常 是 先 上 下 颠 簸 , 而 后 才 左 右 摇 晃 。 这 主 要 可 由 不 同 波

38、传 播 速 度 不 同 来 解 释 。 由 于 纵 波 传 速 快 , 先 到 达 地 表 , 其 质 点 运 动 方 向 与 波 前 进 方 向 一 致 而 首 先 引 起 地 表 垂 直 振 动 , 当 横 波 到 达 时 则 引 起 水 平 振 动 。由 于 地 壳 构 造 及 质 点 振 动 类 型 复 杂 , 所 以 地 震 时 地 表 振 动 是 多 方 位 多 形 式 的 随 机 振 动 。 大 量 震 害 调 查 表 明 , 水 平 地 震 作 用 通 常 是 最 主 要 的 地 震 作 用 。 因 此 规 范 规 定 一 般 情 况 下 可 在 建 筑 结 构 的 两 个 主

39、 轴 方 向 分 别 考 虑 水 平 地 震 作 用 , 仅 在 8 度 和 9 度 时 的 大 跨 度 结 构 、 长 悬 臂 结 构 、 烟 囱 和 类 似 的 高 耸 结 构 , 9 度 时 的 高 层 建 筑 , 应 考 虑 竖 向 地 震 作 用 。2. 由 波 速 进 行 震 源 距 估 计场 地 到 震 中 的 距 离 为 震 中 距 , 而 场 地 到 震 源 的 距 离 为 震 源 距 。 根 据 纵 横 波 到 达 该 场 地 的 时 差 t, 可 近 似 估 计 震 源 到 场 地 的 距 离 。假 若 从 震 源 同 时 发 出 纵 波 和 横 波 , 它 们 到 达

40、震 源 距 为 r 的 场 地 时 差 为 t, 则 t = r 1 - 1 = rvS vP v0在 地 壳 中 , P 波 的 速 度 约 为 7km/ s 8km / s, S 波 波 速 约 为 4km/ s 5km / s, 又 vP = 1.73vS , 则v0 1.4vP 10km/ s 11km / sv0 常 称 为 虚 波 速 度 。 根 据 纵 横 波 时 差 t, 可 近 似 估 计 震 源 距 r , 其 表 达 式 为r = v0 t ( 1-4)( 三 ) 地 震 动为 了 掌 握 地 震 波 特 性 以 进 行 建 筑 抗 震 设 计 , 就 要 了 解 地 面

41、 振 动 情 况 。 由 震 源 释 放 出 来 的 地 震 波 引 起 的 ( 近 地 表 ) 地 面 运 动 , 称 为 地 震 动 。一 般 通 过 地 震 仪 记 录 地 面 运 动 情 况 。 图 1-6 给 出 一 典 型 的 强 震 记 录 , 持 续 时 间 为 5s 。 图 1-6 ( a ) 表 示 三 个 方 向 所 测 的 加 速 度 记 录 。 图 1-6 ( b) 表 示 由 加 速 度 记 录 积 分 处 理 得 出 的 速 度 和 位 移 时 程 曲 线 。 可 以 看 出 , 地 震 动 是 由 不 同 频 率 、 不 同 幅 值 在 一 个 有 限 时 间

42、范 围 组 合 的 随 机 过 程 。 地 震 动 的 峰 值 ( 最 大 振 幅 ) 、 持 续 时 间 与 频 谱 称 为 地 震 动 的 三 要 素 。二 、 地 震 震 级地 震 震 级 ( M agnitude) 是 表 示 地 震 大 小 或 强 度 的 一 种 度 量 指 标 , 简 称 震 级 , 由 符 号 M 表示 。( 一 ) 里 氏 震 级 或 地 方 震 级 ML在 提 出 震 级 这 个 概 念 之 前 , 人 们 都 是 由 宏 观 现 象 如 人 的 感 觉 、 结 构 物 与 自 然 界 的 反 应 来衡 量 一 次 地 震 的 大 小 。 最 早 提 出 用

43、 科 学 手 段 地 震 仪 器 来 度 量 地 震 大 小 的 是 美 国 学 者 里 克 特( R icht er C. F . ) 。 1935 年 , 里 克 特 提 出 用 地 震 仪 记 录 的 水 平 波 最 大 位 移 的 平 均 值 来 测 定 震 级 的 大 小 , 其 提 出 的 震 级 计 算 公 式 为ML = lgAL - lgA0L ( 1-5)式 中 AL 最 大 水 平 振 幅 平 均 值 ( 一 般 取 两 水 平 分 量 平 均 值 ) , 量 纲 为 微 米 ( m) 1 m= 10- 3mm 。lgA 0L 为 起 算 函 数 , 与 震 中 距 有

44、关 。 当 震 中 距 为 100km 时 , A0 L = 1, 此 时 震 级 简 化 公7图 1 -6 典 型 强 震 记 录 ( 地 震 工 程 和 土 动 力 问 题 译 文 集 , 1986)( a) 三 个 分 向 加 速 度 记 录 ; ( b) 由 加 速 度 记 录 经 积 分 得 到 的 速 度 和 位 移 时 程式 为 ML = lgAL 。里 克 特 所 给 出 的 起 算 函 数 仅 适 用 于 他 采 用 的 伍 德 安 德 森 ( WoodA der son) 标 准 扭 摆 仪 ( 自 振 周 期 0.8s, 阻 尼 系 数 0.8, 静 态 放 大 倍 数

45、为 2800) 的 美 国 南 加 州 情 况 , 因 该 地 震 仪 是 一 种 短 周 期 地 震 仪 , 只 适 于 周 期 为 0.1s 3s 的 地 震 动 , 所 以 被 后 人 称 为 地 方 震 级 或 里 氏 震 级 , 用 M L 表 示 。 一 般 仅 适 用 于 2 级 6 级 地 震 标 度 。( 二 ) 面 波 震 级 MS由 于 一 般 地 震 仪 布 置 较 分 散 , 针 对 震 中 距 较 远 处 记 录 , 古 登 堡 ( B. Gut enber g) 推 广 了 里 克 特 公 式 :M S = lgA S - lgA 0S ( 1-6)该 式 形 式

46、 与 式 ( 1-5) 相 同 , 但 AS 系 记 录 的 远 距 离 水 平 分 量 面 波 震 动 的 最 大 幅 值 ( 两 水 平8分 量 的 矢 量 和 的 最 大 值 ) , 测 定 范 围 为 3s 20s 地 震 动 , 适 用 于 大 于 4 级 而 小 于 8 级 之 间 的 地 震 标 度 , 而 lgA 0S 由 经 验 方 法 确 定 。应 当 说 明 , 式 ( 1-6) 仅 适 用 于 浅 源 强 震 情 况 。 这 是 由 于 约 在 2000km 以 外 震 区 地 震 波 主 要 为 面 波 , 只 有 浅 源 强 震 才 能 产 生 此 情 况 。 M

47、S 称 为 面 波 震 级 。 1945 年 古 登 堡 又 提 出 体 波 震 级 M B ( 略 ) 。M S 与 ML 的 近 似 关 系 为MS = 1.13M L - 1.08 ( 1-7)我 国 采 用 的 震 级 公 式 与 上 述 形 式 相 同 , 仅 由 于 地 震 仪 不 同 , 而 有 不 同 的 起 算 函 数 。( 三 ) 矩 震 级 Mw由 前 述 可 见 , 震 级 系 由 最 大 位 移 振 幅 来 定 量 , 而 最 大 位 移 大 体 是 由 该 段 频 率 范 围 的 频 谱 决 定 。 由 于 地 震 的 复 杂 性 及 地 震 仪 的 局 限 性 ,

48、 由 此 定 义 出 的 震 级 很 难 全 面 反 映 地 震 能 量 的 大 小 , 由 不 同 地 点 不 同 记 录 计 算 出 来 的 震 级 常 相 差 0.5 级 左 右 , 有 时 甚 至 相 差 1 级 。 为 此 , 如 何 更 准 确 的 确 定 震 级 一 直 是 一 些 学 者 研 究 的 课 题 。1979 年 汉 克 斯 和 金 森 博 雄 ( H an ks and Kanamor i) 给 出 表 示 地 震 能 量 的 参 数 M 0 , 并 给 出 与 M 0 相 关 的 矩 震 级 M W , 即M W =23 lgM 0 - 10.7 ( 1-8)式

49、中 M 0 地 震 矩 , 可 由 地 震 波 谱 或 经 验 关 系 求 出 。矩 震 级 几 乎 适 应 所 有 频 段 的 地 震 波 , 世 界 上 大 部 份 仪 器 记 录 的 地 震 都 可 以 换 算 成 M W , 因 此 有 可 能 将 来 成 为 通 用 震 级 表 示 法 。有 关 M L 、 MS 和 M W 标 度 的 经 验 关 系 为 : 对 于 5.5 级 8 级 地 震 , M W M S ; 对 于 小 于 6.5级 地 震 , M W ML 。( 四 ) 震 级 与 能 量 的 关 系震 级 是 一 次 地 震 大 小 的 指 标 , 其 物 理 意 义 是 反 映 该 次 地 震 释 级 地 震 波 能 量 的 大 小 。 发 震 时 ,