1、1,第五章 强地震动,2,强地震动,对工程结构有显著影响乃至造成结构破坏的地震动称为强地震动。震害调查和研究表明强地震动是房屋和工程结构破坏的根本原因之一，也是工程结构地震反应分析的输入。基于强震观测资料，研究强地震动特性和强地震动预测是工程地震学或强震地震学的研究内容，是地震工程的重要内容。,3,强震动观测 强地震动特征和参数 强地震动衰减 强地震动预测,强地震动,4,5.1 强震观测,强震观测的目的和意义： 强震动观测是认识强地震动特征和各类工程结构地震反应特性的主要手段。 强震观测记录还可应用于烈度速报、地震预警、震害快速评估、地震应急及结构振动控制、结构健康诊断等领域。,5,5.1 强
2、震观测,强震观测与测震观测的区别： 强震动观测关心的是可能引起工程结构损坏和生命财产损失的强烈地震动的特性。所以，一般来说，强震动观测要测量的是离强烈地震震源二、三百公里范围内的地面运动过程，尤其是强烈地震震中地区的地面运动过程。测量的物理量主要是直接与地震力相关的加速度。由于强地震发生几率很小，仪器一般采用触发运行方式，强震动观测台站也普遍采用无人值守方式。,6,5.1 强震观测,强震观测与测震观测的区别： 测震观测关心的是地震活动性和地震的震源特性，尤其是地震波的精确到达时间、震源位置和初动方向等。因此它主要测量微小地震和较远的地震，要求仪器连续运行、有较高的灵敏度，并以地震动的位移过程为
3、记录量。,7,5.1 强震观测,早在1956年草拟第一个科学发展纲要时，我国地震工程的奠基人刘恢先教授就倡议开展强震动观测工作。在他的主持下，工程力学研究所从60年代初就开展了有关的研究。1962年在新丰江大坝上布设了我国第一个试验性强震动观测台。1966年邢台地震和1976年唐山大地震后，强震动观测台网有了一定程度的发展。,我国强震动观测的现状 ：,8,5.1 强震观测,经过近30年的缓慢发展，“八五”末期，我国布设的固定强震动观测台站只有近300个（包括结构台阵），另有数十台强震动仪用于流动观测。,我国强震动观测的现状 ：,9,5.1 强震观测,“九五”期间，中国地震局加大了对强震动观测的
4、投入，强震动观测台网有了一定程度的发展。中国地震局系共增设固定台60个，流动台30个；在中国地震局防灾大楼布设了有21个测点的结构地震反应遥测台阵，扩建了唐山响嘡场地条件影响台阵，这些台阵都采用数字强震动观测仪器和电话拨号遥测方式，在技术上达到了国际先进水平。同时，还在首都圈地区建立了小规模的地震动强度（烈度）速报台网，该台网由80个电话拨号子台、72个卫星和DDN专线传输子台、一个国家烈度速报台网中心和3个分中心组成。,我国强震动观测的现状 ：,10,5.1 强震观测,随着经济和科学技术的迅速发展，我国已经具备了加速发展强震动观测台网的经济实力和技术条件。十五期间，国家投入巨资建设中国数字强
5、震动台网。我国的强震动观测迎来了前所未有的发展机遇。中国数字强震动台网集中在国务院批准的21个地震重点监视防御区进行建设，目标是建设一个初具规模的有线遥测台网。2007年底，中国数字强震动台网完成了预定建设目标，主要包括：,我国强震动观测的现状 ：,11,5.1 强震观测,（1）在21个国家地震重点监视防御区布设了1154个自由场固定强震动遥测台。其中8个地震重点监视防御区的固定台网密度达到约600平方公里一台，平均台距约25km；另外13个重点监视防御区的台网密度则达到每1800平方公里一台，平均台距约42km。 （2）在北京、天津、兰州、乌鲁木齐、昆明五个大城市建成了分别由80或50个遥测
6、子台和1个速报中心组成的地震动强度（烈度）速报台网。速报子台总数为310个。,我国强震动观测的现状 ：,12,5.1 强震观测,（3）建成了12个强震动观测专用台阵，包括活断层影响台阵1个，地震动衰减台阵2个，场地影响台阵2个，地形影响台阵1个，典型建筑地震反应台阵4个，大型桥梁地震反应台阵1个，大型水坝地震反应台阵1个。 （4）建成了一个国家强震动流动观测基地和西南、西北、东南三个区域强震动流动观测基地，总共配备200台数字强震动仪。,我国强震动观测的现状 ：,13,5.1 强震观测,（5）建立了一个国家强震动观测中心和西南、西北、东南三个区域强震动观测中心。主要职责是回收处理强震动记录、并
7、承担相应区域的流动观测任务。国家强震动观测中心还建立了强震动观测仪器的检定系统，建立国家强震动观测数据库并提供网上数据服务。 （6）编制了强震动台网技术规程、台网监控管理和强震动记录处理分析等专用软件。 中国数字强震动台网除了全部采用先进的数字强震动观测仪器外，对每个固定台站都进行了详细的场地勘测，包括钻孔、波速测量和脉动测量等。,我国强震动观测的现状 ：,14,5.1 强震观测,15,5.1 强震观测,在2008年5月12日汶川8.0级大地震中, 中国数字强震动台网有400多个台站获得了记录，大大丰富了我国的强震动记录数据库,填补了我国缺乏近场强地震记录的空白。,我国强震动观测的现状 ：,1
8、6,5.1 强震观测,（一）模拟记录式强震仪 早期的强震动仪均为模拟记录式强震动仪，包括光记录式强震动仪、机械记录式强震动仪、电流计记录式强震动仪和模拟磁带记录式强震动仪等。机械式或光电式，将光点透射到拾振器的镜片，再反射到胶卷或感光纸上。或用拾振器的电信号使电流计偏转，用光记录电流计的镜片偏转角度；或用宝石笔尖在蜡纸上刻画。 这些记录方式造成很大的失真，读取数据极为不便。此后直接将电信号记录在磁带上，又进一步将模拟信号转换为数字信号记录，为处理记录带来方便，而且减少了信号在各种转换过程中的失真与损失。,强震仪 ：,17,5.1 强震观测,现在国内仍在使用的模拟记录式强震仪主要有RDZ1-12
9、-66、SMA1和GQA等。,强震仪 ：,RDZ1-12-66型强震动加速度仪,18,5.1 强震观测,现在国内仍在使用的模拟记录式强震仪主要有RDZ1-12-66、SMA1和GQA等。,强震仪 ：,SMA1型强震动仪,19,5.1 强震观测,（二）数字记录式强震仪 数字磁带强震仪是将地震动自动记录在数字磁带上，优点是动态范围大，地震记录保存和处理方便，且解决了丢头问题。 固态存储式强震仪是将地震动记录在存储器或硬盘上，比磁带记录更方便可靠 。,强震仪 ：,20,5.1 强震观测,（二）数字记录式强震仪,强震仪 ：,美国Kenimetrics公司生产的K2型固态存储强震动仪,21,5.1 强震
10、观测,强震台 ：,22,5.1 强震观测,强震台 ：,汶川卧龙台,23,5.1 强震观测,强震台 ：,安县塔水台,24,5.1 强震观测,强震台 ：,昆明世博园台,25,5.1 强震观测,台阵布设 ：,为了专门的研究目的而布设的一群台站，称为台阵。,断层影响台阵 场地影响台阵 超高层建筑地震反应台阵 大型拱坝地震反应台阵,26,5.1 强震观测,台阵布设 ：,27,5.1 强震观测,台阵布设 ：,28,5.1 强震观测,台阵布设 ：,29,5.1 强震观测,台阵布设 ：,30,5.1 强震观测,台网资料档案：,强震动台网的资料档案主要包括：建台报告、台网维护检查记载、所获取的强震动观测记录等。
11、,（1） 建台报告 每个台站完成建台后都应编写建台报告。内容包括观测目的和建台过程、台站位置和场地条件、观测室与仪器墩资料、仪器设备、安装与测试等。台站建台报告是台站最基本的重要资料，必须永久保存。 （2）记录资料 台站建台以来所获取的全部原始观测记录，包括相应的地震资料，都应归档保存。 （3）维护检查资料 台站远程检查和现场检查的记载，包括功能测试波形、人工触发记录波形、仪器故障和维修记载等，都应保存。主要仪器设备更换情况和加速度计的检测标定结果也要保留备查。,31,5.1 强震观测,（一）强震动观测台网迅速扩大 许多国家和地区的政府和研究机构迫切感到，作为减轻地震灾害的一项重要基础工作，必
12、须进一步加强强震动观测台网建设，提高台网的布设密度。 日本政府在1995年阪神地震后，迅速制定并实施了在全国增设由1000台宽频带、大动态范围数字强震仪组成的有线遥测台网（K-NET）计划。该台网台站平均间距为25km，全部布设在自由场地上。每个台站都确定了土层柱状图，测定了波速。,强震动观测的发展趋势 ：,32,5.1 强震观测,（一）强震动观测台网迅速扩大 许多国家和地区的政府和研究机构迫切感到，作为减轻地震灾害的一项重要基础工作，必须进一步加强强震动观测台网建设，提高台网的布设密度。 美国加州理工大学、加州矿产地质局和美国地质调查局制订的南加州数字强震动台网（TriNet）计划，要在南加
13、州布设700台数字强震仪。加上原有的台网，以及建筑物业主按规范要求布设的大量台站（仅洛杉矶地区就有800台以上），估计加州布设的强震动仪将超过4000台。根据美国地质调查局于1999年提出的ANSS计划，要在26个地震危险性较高的城市的地面和结构上布设6000台强震动仪。,强震动观测的发展趋势 ：,33,5.1 强震观测,（一）强震动观测台网迅速扩大 许多国家和地区的政府和研究机构迫切感到，作为减轻地震灾害的一项重要基础工作，必须进一步加强强震动观测台网建设，提高台网的布设密度。 我国台湾省的有关部门布设了约1500个强震动台站，全部采用数字强震动仪，并在1999年9月21日的集集大地震中获得
14、了大量记录。,强震动观测的发展趋势 ：,34,5.1 强震观测,（二）大震预警系统和快速反应系统发展迅速 将布设在震源地区的密集强震动台网记录的强震动信息通过电话线或无线传输方式实时传送到一定距离外的大城市，可以在地震波到达大城市前几十秒至几分钟内发出地震警报，及时采取紧急措施，减少生命财产损失。除了这种进行实时监测的大震预警系统外，还有一种近实时强震动监测系统，一般通过拨号电话传送地震信息，可在地震发生后几分钟或稍长一些时间内很快确定地震震级和震中，或者给出烈度分布图，以便有关部门及时采取应急行动。,强震动观测的发展趋势 ：,35,5.1 强震观测,（二）大震预警系统和快速反应系统发展迅速
15、日本是最早建立实时地震警报系统的国家。1988年以后日本陆续在许多地区布设了紧急地震检测和警报系统UrEDAS。这种系统一般采用单台信号报警，检测到P波后在3秒钟内估算出震中方位、震级、震中距和震源深度等，发布第一次警报。在S波到达后再发出第二次警报。采用多个台时，由中心台接收各台发布的警报进行综合处理，在第一个台检测到P波后2分钟内自动发出警报。这种系统主要用于火车的紧急制动、建筑物主动控制装置的启动、化工厂和核电站采取紧急防震措施、高层建筑电梯的地震控制、海啸报警以及消防部门和医院及时采取应急措施等 。,强震动观测的发展趋势 ：,36,5.1 强震观测,（二）大震预警系统和快速反应系统发展
16、迅速 墨西哥的地震警报系统SAS由四部分组成：（1）地震检测系统，在Guerrero沿海地区300km长的范围内布设了间距为25km的12台数字强震仪，每个台站有一台微机，可在10秒钟内确定震级，如M6或5M6，即发布警报，如有2台以上确定地震的发生，就向公众发布警报；（2）通讯系统，建有中继站，可在2秒钟内将地震信息传至320km以外的墨西哥市；（3）中央控制系统，设在墨西哥市，可连续接收地震信号自动处理，确定震级后决定是否发布警报；（4）警报发布系统，通过商业电台发布警报，有关部门配有专用接收机，由专人负责接受并协调防灾工作 。,强震动观测的发展趋势 ：,37,5.1 强震观测,（三）建立
17、基于强震动观测数据的震害快速评估系统 根据强震动观测数据对建筑物和结构物的震后安全状况进行快速评估，用以指导震后应急反应和修复计划，是强震动观测的又一发展方向 。,强震动观测的发展趋势 ：,38,5.1 强震观测,（四）布设各类专用观测台阵 1场地影响台阵 这类台阵一般都在覆盖土层的不同深度、地下基岩和地表基岩布设测点，目的是研究二维或三维场地影响，检验和改进强地震动预测的理论计算方法。如美国加州的Turkey Flat试验场观测台阵、日本Ashigara Valley台阵和我国的响嘡台阵。台阵场地均需进行详细的勘测和土样动力试验，有可靠的场地参数资料供研究者使用。井下加速度计的布设技术也是这
18、种台阵成功的关键 。,强震动观测的发展趋势 ：,39,5.1 强震观测,（四）布设各类专用观测台阵 2震源特性台阵 这类台阵主要用于研究震源破裂过程和震源反演，如我国台湾的SMART1和SMART2台阵。要求仪器具有精确的时间系统、高分辨率以及最佳的台阵几何图形，并应布设在活动断裂带周围 。,强震动观测的发展趋势 ：,40,中国台湾花莲强震台阵,41,5.1 强震观测,（四）布设各类专用观测台阵 3地震动传播特性台阵 为了研究传播途径对地震动的衰减规律影响和活断层附近的地震动分布特性，需要在活断层周围地区一、二百公里范围内布设较密集的观测台站，组成衰减台阵或活断层影响台阵。这类台阵通常设计成一
19、条与发震断层垂直的直线形测线，或若干条呈放射线状的测线。近断层区测点间距较密，随着离断层的距离增大，测点间距逐步加大 。,强震动观测的发展趋势 ：,42,5.1 强震观测,（四）布设各类专用观测台阵 4典型建筑物和重要结构的地震反应观测台阵 重要的大型建筑和结构的地震反应观测的发展方向是采用多通道数据采集系统，可以在建筑结构上布设足够多的测点，获取完整的地震反应记录。同时，结合结构安全评估的专家系统对结构的震后安全性进行快速评价和损伤检测（健康诊断） 。,强震动观测的发展趋势 ：,43,5.1 强震观测,（四）布设各类专用观测台阵 5具有多种目的的综合性观测台阵 例如，欧洲科学家在希腊的The
20、ssaloniki东北30km处的一个沉积谷地建立的欧洲第一个工程地震和地震工程试验场。试验场内布设了强震动观测台阵，建造了一个5层建筑的模型，对试验场的地震、地质构造和场地土质条件等进行了详细的调查勘测。目的在于在一个长时期内获取高质量的地震记录，以进行各种试验，检验和改进有关地震动衰减规律、场地土层放大作用、土的非线性和液化、建筑物地震反应、土与结构的相互作用等方面的各种新理论新方法 。,强震动观测的发展趋势 ：,44,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,强震记录的一般特征：现有的强震动观测仪器一般都是记录地震动的加速度时间过程。一个三分量的强震动加速度仪同时记录一个测点的竖向运动和二个
21、互相垂直的水平方向运动。一个完整的加速度记录应该包含仪器触发前一段时间内的噪声记录部分、最先到达的直达P波及随后到达的直达横波，以及后续的尾波。通常直达横波集中了地震波的主要能量，是加速度记录中幅值最大的主要部分。模拟强震仪由于不具备预存功能，只能记录到仪器触发后的加速度波形，因此普遍存在记录丢头现象。,45,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,强震动观测仪器获得的原始加速度记录称为未校正加速度记录。未校正加速度记录需要进行必要的常规处理后才能提供使用。常规处理主要包括零基线调整、仪器误差校正、反应谱计算和傅里叶谱分析四部分 。,46,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,（1）零基线调整
22、无论是模拟记录还是数字记录，都需要对记录零线进行调整。模拟记录一般记录曲线上本身并没有零线，而记录纸或胶卷在记录过程中会产生很小的横向移动，在冲洗过程中也会产生微小变形，使记录的实际零线发生畸变。模拟记录在数字化过程中还会引入系统误差和随机误差 。,47,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,（2）仪器误差校正各种强震动仪受仪器特性限制，其记录都只在有限频段内能较好地代表实际地震动。超出这个频段，记录的误差就会超过允许的范围，因而需要对记录进行校正。对数字强震动仪记录，其误差主要取决于加速度计的频带和仪器的低频噪声。通常可以用数字滤波滤去记录的低频误差。经过零线调整和校正处理后得到的加速度记录
23、称为校正加速度记录。对校正加速度记录进行积分处理后可以获得速度记录和位移记录。,48,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,49,5.1 强震观测,强震记录的处理 ：,50,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,一确定抗震设计反应谱1941年，贝尼奥夫和比奥特提出了反应谱概念。1953年，豪斯纳根据当时积累的地震加速度时程，计算确定了可供实用的平均反应谱曲线。目前，世界各国的抗震设计规范普遍采用了反应谱理论，而这些规范中的设计反应谱都是根据对大量强震加速度记录的反应谱进行统计分析后确定的。,51,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,一确定抗震设计反应谱,52,5.1 强震观测,强
24、震动观测记录的应用 ：,二地震动特性研究为了估计未来地震时的地震动分布特性，确定工程抗震设防标准和设计地震动，需要利用大量强震动观测记录来研究地震动衰减特性。 场地条件和地形对地震动特性有重要影响，虽然研究者提出了不少理论分析模型和计算方法，都需要有强震动观测资料来进行检验。,53,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,二地震动特性研究断层附近地区的地震动特性是地震工程研究和防震减灾工作中另一个十分引人关注的问题。震害经验和实际观测资料表明，大震近断层地区的地震动十分复杂，难以用理论分析方法来描述。在断层附近布设专门的强震动观测台阵，是研究近断层地震动特性的最好途径，对近断层地区城市和重
25、要工程建设具有重要的意义。,54,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,三结构抗震设计和地震反应特性研究在结构抗震设计、结构地震反应分析和结构振动试验中，都需要明确规定输入地震动。在结构抗震设计中，首先要根据地震动参数或烈度区划图确定所在地区的设防标准（设计加速度或设防烈度）。地震动参数区划图就是根据获取的大量强震加速度记录的统计分析制定的。,55,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,四地震动强度（烈度）速报布设具有地震动强度（烈度）速报功能的观测台网，可以在强地震发生后几分钟内给出地震动强度（烈度）的分布图。这对有关部门及时估计震害程度和采取应急救援措施具有重要作用 。,56,
26、5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,五. 大震预警 对一些离开可能发生强地震的震源地带一定距离外的大城市或重要工程场地来说，在震源地带布设强震动观测台网，利用电磁波传播速度远远大于地震波传播速度的特性，可以在强烈地震波到达之前数分钟发出地震警报，及时采取应急措施，大大减轻地震造成的生命财产损失 。,57,5.1 强震观测,强震动观测记录的应用 ：,六. 结构健康诊断 结构在遭受不太强烈的地震动、环境振动或其它各种因素的作用后，可能会发生一些不易被直接觉察到的性能变化，影响到结构的使用安全。利用结构强震动观测台阵获得的地震反应记录，包括中小地震记录和脉动观测记录，可以分析结构性能的变化，
27、判定结构使用的安全性 。,58,5.2 强地震动特性和参数,强震仪记录到的强震记录表现了地震动随时间的变化过程，称为地震动时程。不同强震记录的振幅、频率成分和持续时间有很大差别，分析这些特点，解释造成差别的原因，根据研究成果模拟和预测强地震动，是工程地震研究的目标。,强震动时程 ：,59,5.2 强地震动特性和参数,地震动时程大致可以分为四种类型： 宽频带型：是常见的地震动时程，一般出现在中等距离的坚硬土层，没有突出的优势分量或频率； 脉冲型：一般出现在震源附近的近场的基岩或坚硬土层上，大震近场尤其明显，一般某个方向分量大于另一个分量 ； 长周期型：主要受软土场地的影响，地震动频率低，持时长；
28、 有永久变形：受到地基液化等变形影响，地震动时程有明显的永久变形。,强震动时程 ：,60,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：埃尔森特罗记录（宽带型）,1940年美国帝国谷（Imperial Valley）地震（7.1级） 埃森特罗（El Centro）台站记录（Gal=cm/s2）,此记录频带宽、幅值大、获取时间早，长期以来成为地震工程研究和结构抗震分析计算最常用的强震记录，具有经典意义。,61,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：帕克菲尔德记录（脉冲型）,此记录台站距离发震断层仅80 m，特点是速度和位移呈明显的脉冲形状，其他近断层记录中也有同样特点。,1966年美国帕克菲尔德
29、（Parkfield）地震（6.5级）的记录,62,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：墨西哥城记录（长周期型）,此台站距震中约400 千米，但由于受到面波入射和古湖盆软土层的影响，地震动有明显的长周期成分，卓越周期约2 秒，且幅值远远超过当地基岩记录，造成城内10层左右的多层楼房坍塌或破坏。,1985年墨西哥近海地震（8级）在墨西哥城软土层台站（CDAO）得到的记录,63,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：科林卡记录（有永久变形）,64,5.2 强地震动特性和参数,汶川地震中汶川卧龙台强震记录,强震动时程 ：,65,5.2 强地震动特性和参数,汶川地震中八角台强震记录,强震动时
30、程 ：,66,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：,1976年中国唐山地震余震（5.8级）迁安台基岩记录,此记录常作为中国典型的基岩记录用于地震工程研究、振动台实验和结构抗震分析。,67,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：,1976年中国宁河地震（6.9级）天津医院软土地面记录,该记录常作为中国典型的土层记录用于地震工程研究、振动台实验和结构抗震分析，特点是有显著的长周期分量（卓越周期在1 s左右）；垂直分量的频率比水平分量高，这是普遍特点 。,68,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：,2001年中国云南施甸地震施甸台记录,该记录特点是震级不大，但峰值却达到528 cm/
31、s2。而且三个分量峰值都很大，其中垂直分量最大，显示出震中区地震动特点 。,69,5.2 强地震动特性和参数,强震动时程 ：,目前记录到的最大地震动加速度峰值接近2g（1992年美国加州Petrolia地震Cap Mendocino台站），g为重力加速度；另外有多次超过1g的记录，如1994年美国洛杉矶北岭地震，塔赞纳台1.82g，1976年美国圣弗南多地震帕柯依玛水坝1.23g，1979年美国帝国谷地震6号台站1.49g等。但这类高峰值对应的频率很高，是尖锐的脉冲，对地震工程意义不大。记录到的最大速度峰值为300cm/s（1999年台湾集集地震，TCU068台站）。 由记录到的水平加速度峰值
32、和垂直加速度峰值的比较得到规律，在震中距25公里以外，垂直峰值平均为水平峰值的1/22/3。近场垂直分量峰值加大，震中距小于10公里时，有许多实测垂直加速度峰值与水平峰值相当，甚至超过水平分量。,70,5.2 强地震动特性和参数,强地震动三要素,地震动强度（峰值） 地震动频谱（反应谱、傅氏谱、功率谱） 地震动持续时间,71,5.2 强地震动特性和参数,地震动强度,表征地震动强度常用的参数是最大峰值或其等效值，如加速度峰值，速度峰值，位移峰值。峰值简单直观，在地震工程研究和抗震设计中广泛使用。,72,5.2 强地震动特性和参数,地震动强度,加速度峰值： PGA（或 amax ）：地震动加速度时程
33、中最大幅值的绝对值 均方根加速度 ：式中a（t）为加速度时程，T通常为全部加速度时程的持续时间 有效峰值加速度EPA ： 式中Ra为阻尼5%的加速度反应谱在210Hz频率范围内的平均谱值。,73,5.2 强地震动特性和参数,地震动强度,速度峰值： PGV（或 vmax ）：地震动速度时程中最大幅值的绝对值 有效峰值加速度EPV ： 式中Rv为1Hz附近速度反应谱的平均谱值 。 位移峰值： PGD（或dmax ）：地震动位移时程中最大幅值的绝对值,74,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,地震动频谱特性指组成地震动的各简谐振动振幅和相位特性，频谱显示不同频率分量的强度的分布，反映了地震动的动
34、力特性。 对于线性体系，如果地震动的某个简谐振动分量与体系固有频率相同，就产生共振，是引起结构破坏的关键原因。震害中有大量的软土地基高层房屋破坏严重，硬土地基上低矮房屋破坏严重的现象就是例证。地震动的频谱特性是结构抗震设计的反应谱理论和振型分解法的基础，在结构非线性反应分析中也有很大作用 。,75,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,反应谱计算不同自振周期单自由度弹性体系在基底输入地震动作用下的动力反应，得到反应最大值的绝对值随体系自振周期的变化关系称为反应谱。反应谱与输入地震动的特性和单自由度弹性体系的动力特性有关。反应谱描述了地震动的特性（但未反映持时和相位特性），也是结构抗震设计的工
35、具。,76,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,反应谱,77,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,反应谱,埃尔森特罗记录反应谱,78,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,反应谱 物理含义 反应谱曲线的纵坐标表征地震反应，横坐标是单自由度体系的自振周期或频率。单自由度体系可视为滤波器，如果地震动某一频率分量强，由于共振原理，相应单自由度体系的反应大，反应谱值在这一频率的数值亦大。常见远震、大震或软土地基地震动的反应谱曲线在低频段高，近震、小震或基岩地震动的反应谱峰值出现在高频段；反应谱的形状反映了地震动的谱特性。结构的阻尼特性影响反应谱的谱值 。,79,5.2 强地震动特性和参数,地
36、震动频谱,反应谱刚体的固有周期为零，刚体随地面一同运动而本身没有变形，故在T=0时，相对位移、相对速度和相对加速度反应谱值均为零，绝对加速度反应谱值等于地震动加速度。对于无限柔性结构，其固有周期为无穷大（T），此时相对位移反应将趋于地震动位移、相对速度反应趋于地震动速度，相对加速度反应趋于地震动加速度，绝对加速度反应则趋于零 。,80,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,傅里叶谱傅立叶谱是强地震动时间过程的傅立叶变换。复杂的强地震动时间过程可表示为若干不同幅值和频率的简谐函数（即三角正弦或余弦函数）的叠加。,81,谱的含义是将物理量按照组成结构分解所形成的函数或图表，以揭示其组成成分以及各
37、成分特性（例如强度）的变化。其实社会中的家谱也是一种谱，揭示的是该家族所有成员。与此类似，自然界中的光、声、振动等都可以分解为光谱、色谱、频谱等。,傅里叶谱 什么是频谱？,82,谱有重要的应用，例如由光谱特性可分析物质的构成元素。频谱是针对以时间为自变量的物理量变化函数而言，例如将任意复杂的振动分解为不同频率的简谐分量。另一方面，变化非常复杂的物理量难以直接定量分析，将复杂的现象分解为许多简单现象的合成，可化繁为简，化难为易。,83,这种分解对研究地震动特性具有重要的意义： （1）它定量揭示地震动的动力特性。以不同频率分量的表现来研究地震动及其对结构的作用，是动力分析的特点；（2）用严格的数理
38、方法求解结构地震反应时，简谐振动反应容易求解。对线性体系，先求解每个简谐振动的反应，再叠加求得总体反应的方法，比直接求解便利得多；（3）频谱分析的结果可以方便地在结构抗震、基础隔震等工程问题中应用。,84,一个简单的简谐振动合成任意振动的例子,85,时域和频域：时程和频谱,86,不同频率信号的时域图和频域图,87,复杂周期信号波形,88,从一般信号分析（数学化）的观点来看：连续信号与离散信号周期信号与非周期信号，周期信号：,89,连续信号,90,离散信号,91,这样的分解有严格的数学基础，满足绝对可积条件的分段连续函数都可以通过傅立叶展开分解表示为无穷三角级数之和，因为三角函数比较简单，有周期
39、性，在推导和微积分计算中有便利之处，可作为分解的基函数。基函数：类似于坐标系,92,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,傅里叶谱将组成地震动时间过程的各个谐函数的频率按次序排列作为横坐标，分别将各谐函数的幅值和相位作为纵坐标绘图，即可得到该地震动的傅立叶幅值谱和傅立叶相位谱。时间过程的傅里叶谱好似白光的光谱，清晰地反映出一个复杂事物的各种成分，对了解和分析地震动特性带来极大方便 。,93,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,傅里叶谱 设函数 在（ ）区间内满是绝对可积和分段连续的函数，则存在如下积分：经上式转换为 称为傅立叶正变换。由傅立叶谱经下式反演计算可得到原函数,94,5.2 强
40、地震动特性和参数,地震动频谱,傅里叶谱 函数 和傅立叶谱 组成傅立叶变换对 ：傅立叶谱 为复数：其实部 为对称函数，虚部 为反对称函数。傅立叶幅值谱 傅立叶相位谱,95,功率谱,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,功率谱是描述地震动平均谱特性的函数，是功率谱密度函数的简称。地震动是复杂的、难以准确预测的时间过程，在大致相同的震级、距离和场地条件下得到的一组地震动记录可视为地震动随机过程，每条地震动称为随机过程的一个样本。虽然样本各不相同，但具有共同的统计特征，其平均谱特性比一个样本的谱特性更有意义。对于各态历经过程，功率谱是分段傅立叶幅值谱平方的均值。,96,(a)两个不同类型的随机过程,
41、(b) 对应的功率谱,功率谱,5.2 强地震动特性和参数,地震动频谱,97,地震动持续时间,强地震动所经历的时间。在地震工程中大多讨论加速度时程的持续时间，简称持时。地震动持续作用引起结构的低周疲劳破坏，即引起结构刚度或强度的退化，或裂缝的开展，屈曲失稳的发展等。持时直接影响结构的累积塑性耗能，对结构破坏和倒塌起很大作用。从研究结构反应和破坏出发，只有一定强度的地震动才有工程意义，所以地震工程中的持时并不是地震动时程的从开始到结束的整个时段，而是其中震动较强的时段。按照研究方法和应用的目的不同，持续时间有数十种定义。常用的有括弧持时、一致持时、能量持时、反应持时等。,5.2 强地震动特性和参数
42、,98,地震动持续时间,5.2 强地震动特性和参数,99,图2 相对括弧持时,地震动持续时间,5.2 强地震动特性和参数,100,地震动持续时间,5.2 强地震动特性和参数,101,地震动持续时间,5.2 强地震动特性和参数,102,地震动持续时间,5.2 强地震动特性和参数,103,强地震动的影响因素,地震波从震源出发，经过地壳介质到达场地。震源、地壳介质、场地使地表的地震动过程非常复杂。,104,震源对地震动的影响,方向性效应是因断层破裂沿一个方向传播而引起破裂传播前方和后方地震动幅值、频率和持时出现显著差别的现象。 断层错动可造成的近断层地面永久位移（又称滑冲）。 近断层地震动常出现大的
43、速度脉冲，可由破裂传播的方向性效应和断层滑冲造成。 当发震断层为倾斜断层时，断层附近具有相同断层距的上盘地震动相对下盘强度可能更强，称为上盘效应。,105,方向性效应,方向性效应是因断层破裂沿一个方向传播而引起破裂传播前方和后方地震动幅值、频率和持时出现显著差别的现象。当破裂在断层面上朝着一个方向传播、且破裂速度接近剪切波速时导致断层面辐射的能量几乎同时到达前方观测点（多普勒现象）；破裂后方观测点的能量随时间分布比较分散。因此，传播前方观测点的地震动较后方观测点地震动幅值大、持时短。目前认为破裂的方向性主要影响地震动的长周期成分（0.5 s)，方向性效应是否影响地震动高频分量尚需进一步研究。,
44、106,突发永久位移,突发永久位移是断层错动造成的近断层地面永久位移。如1999年台湾集集地震中车笼埔断层产生的地表破裂长度达100多千米，断层东侧（上盘）15 km范围以内的地块都向西北方向移动并向上隆起，上盘相对于下盘错动产生的断层崖在南段高1 m，在北段则高达8 m。不少大地震都记录到类似的永久位移。,107,速度脉冲,速度脉冲是受断层破裂方向性效应影响，在破裂传播前方速度和位移时程上出现的大幅值脉冲。近断层的速度脉冲主要有两种形式： （1）破裂传播的方向性效应引起的速度脉冲，表现为双向速度脉冲，且主要表现于垂直于断层面的分量。随断层距增加，速度脉冲则不再明显； （2）地面永久位移对应的
45、速度脉冲，主要出现在平行于断层滑动方向的分量上，且呈单向脉冲形状。,108,上盘效应,图中A、B两点到断层地表迹线的距离相同，但上盘点A实际上离断层面要近（R1R2），因此A点地震动比下盘B点更大。另外，断层面辐射的地震波到达地表后会反射回断层面，再从断层面反射到地表；多次反射更加放大了上盘的地震动。,当发震断层为倾斜断层时，断层附近具有相同断层距的上盘地震动相对下盘强度更强。,109,传播介质的影响,地震波在地壳介质中的几何扩散和介质非弹性阻尼使地震动能量减少，随着震源距的增加地震动幅值呈减小趋势，且高频成分衰减迅速。地震波在地下界面反射和折射，形成P波和S波的转换和面波，改变地震波的强度和
46、传播方向。复杂的传播介质使地震波的强度、频谱和持续时间都将发生很大变化。,110,局部场地的影响,场地的土层构造对地震动特性有重要影响。软弱土层会放大地震动的低频成分，如1985年墨西哥地震中，距震中约400公里的墨西哥城软土场地的地震动强度远高于岩石场地的强度，造成许多10层左右的楼房倒塌或严重破坏；相反，坚硬场地会放大地震动的高频成分，危及刚性建筑。上述现象称为场地的选频放大作用。土层的阻尼使地震动幅值减小，砂土液化将使地震动卓越周期显著加长。震害和研究还表明，地表地形起伏、地下介质特性的横向变化也对地震动有非常大的影响，如高耸山脊的地震动一般较强，地震波在盆地内的往复传播会加大地震动强度
47、和持续时间，后者称为盆地效应。,111,强地震动衰减,表征地震动参数随震级、距离、场地等因素变化的经验统计关系，可由简单关系式拟合强震观测资料确定。,112,我国地震动衰减关系研究,113,地震动衰减关系研究中的主要问题,美国西部强震观测资料：峰值取值、场地条件、面波震级差别、距离 地震烈度资料：我国与美国的地震烈度数据不匹配 地震动参数衰减模型的选取 回归分析方法：加权回归法和两步回归技术 衰减关系的不确定性,114,强地震动预测,强地震动研究的目的：为工程建设和抗震设防提供设防地震动或设计地震动。 提供的内容： 地震动强度（如加速度峰值） 地震反应谱（如抗震设计反应谱） 地震动时程（用于结
48、构反应时程分析）,115,强地震动预测,方法1： 地震危险性分析：预测某一特定的工程场址，评定在工程有效使用期内遭遇一定地震动强度的危险性。它实质上是中长期地震预报向工程抗震设防方面的延伸与拓展。评定方法可分为确定性方法和概率方法两种。,116,强地震动预测,地震危险性分析方法 ： 1. 确定性方法： 确定性的地震危险性分析要考虑对具体场址有影响的周边地震、地震环境，并依据以下两条原则判断场址可能遭遇的最大地震：其一，历史上发生过的地震将来还可能再次发生(历史重演原则)；其二，在同样的地质构造条件下可能发生同样强度的地震（构造外推原则）。显然，这两条基本原则的合理性是值得怀疑的，至少，它并没有
49、被充分的历史地震资料所证实；然而，这是在缺乏足够的历史地震资料的情况下，人们不得不采用的基本假定。,117,强地震动预测,地震危险性分析方法 ： 1. 确定性方法：在确定场址周边可能发生的最大地震之后，即可利用地震动衰减关系估计场址可能遭受的最大地震动参数或地震烈度。确定性方法得出的地震动参数或地震烈度通常是相对高的，乃至超出在当前技术、经济水平下的设防能力，故其使用受到很大限制；只有必须抗御最大可能地震的特殊重大工程，才可考虑采用这种确定性的结果 。,118,强地震动预测,地震危险性分析方法 ： 2.概率方法 ：早期采用的概率方法是十分简单的，只需对场址曾经遭遇的地震烈度进行统计分析，得出不同地震烈度发生的频度曲线，据此确定对应不同重现周期的地震烈度，亦可将地震烈度转换为地震动参数，供不同工程结构选择设计地震动参考。显然，这种方法合理可行的前提是场址区必须拥有足够多的历史地震资料，且地震的发生遵从周期重复的规律。遗憾的是，前一个条件很难满足，后一个条件也并未得到科学观测的证实 。,119,强地震动预测,
