地震工程学4(地震动)-翟永梅

同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第四章第四章地地震震动动翟翟永永梅梅同同济济大大学学土木工程学院土木工程学院上上海海防防灾灾救救灾灾研研究究所所地震工程学地震工程学同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第四章地震动„地震动的量测„地震动的特性„影响地震动特性的因素„地震动的衰减关系„地震动的经验估计方法（人造地震波法）„地震动的理论合成方法„地震动的半经验估计方法2同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention4.1地震动的量测‹测量仪器‹强震观测现状‹强震观测的意义‹强震观测现有资料‹数字强震仪3同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention44.1地震动的量测„„测量仪器测量仪器‹地震仪与强震仪‹地震仪：记位移、弱震、远震、研究震源过程和地球内部构造，为地震学家应用。‹强震仪：记加速度、强震、近震，研究强地面运动，为地震工程学家应用。拾震器拾震器放大器放大器记录器记录器同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention地震动、结构振动特性宽、高低频场地结构全过程加速度低快自动触发强震抗震工作者强震仪震源、介质、传播规律窄、低频基岩到时差初相位移高慢连续弱震地震工作者地震仪目的通频带设置地点记录内容记录量放大倍数记录速度运转方式地震强弱使用者仪器54.1地震动的量测地震仪与强震仪的对比同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention64.1地震动的量测地震动的测量仪器及其原理同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention4.1地震动的量测„地震动的测量仪器及其原理地震仪与强震仪的工作原理可以由下述单自由度体系的运动方程来表示：guuuu&&&&&−=++20002ωωε0ε，、ω0分别为体系的阻尼比和摆的自振频率，地震仪与强震仪在原理上差别，就是这两个系数的不同。适当选择这两个系数可以使方程左端三项中的某一项远大于其他两项，从而使仪器记录摆的相对位移分别代表地面运动的位移、速度与加速度。0ε同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention84.1地震动的量测„地震动的测量仪器及其原理guku1=guku&&2=0εgωω0gωω0（1）记录地震动位移：当中等；方程左边第二、第三项可忽略不计，即摆的运动与地面运动位移成正比，相应的仪器为地震仪。（3）记录地震动加速度，当中等。方程左边第一、第二项可忽略不计，即摆的运动与地面运动加速度成正比，相应的仪器为强震仪。0ε同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状••地震动衰减台阵地震动衰减台阵布设方式布设方式：线状布设在发震断层辐射线上目的目的：地震动衰减规律、地震传播效应举例举例：美国加州布设方式布设方式：布设在某区域内（上百公里）目的目的：巨大地区的地震动资料、场地影响举例举例：美国阿拉斯加布设方式布设方式：布设在潜在发震断层附近目的目的：近场地震动、震源机制举例举例：美国圣安德列斯断层台阵布设方式布设方式：布设在建筑物不同高度处目的目的：结构地震反应举例举例：北京饭店、天津医院布设方式布设方式：布设在几十至几百米目的目的：地震动的空间相关性举例举例：台湾SMART-1、SMART-2布设方式：布设在地表及地下几十-200米处目的：地震动随深度的变化、土结相互作用举例：日本布设方式布设方式：布设在地表及地下几十-200米处目的目的：地震动随深度的变化、土结相互作用举例举例：日本••区域地震动台阵区域地震动台阵••断层地震动台阵断层地震动台阵••结构地震动台阵结构地震动台阵••地震动差动台阵地震动差动台阵••地下地震动台阵地下地震动台阵94.1地震动的量测同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状•始于1932年美国•1933年获得首次记录（美国长滩地震）•60年代以前，以结构为主•60年代以后，加强了地表和近地表地震动的观测•1985年，全世界供布设7000台，日美各3000台•全世界已取得可用记录达上万条•世界最大峰值加速度记录2.3g（加拿大）•中国最大地震动记录957.8gal（汶川）104.1地震动的量测同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状114.1地震动的量测¾美国全国5000台以上USGS台网约1000台，加州4000台以上TriNet，实时监测台80台，拨号台100台¾日本全国5000台以上，台站间距25kmK-net有线遥测强震台网1000台1999年台湾地震后，增设2000台的新计划¾台湾1500台以上（数字强震仪）集集大地震获取记录1万条以上¾伊朗1000台以上；墨西哥430台（1995）¾阿根廷、加拿大、智利、印度、意大利、希腊、新西兰、尼加拉瓜、秘鲁、波多黎各、（前）苏、委内瑞拉等同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状124.1地震动的量测我国的强震观测同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention2002-2007年投入数亿元大规模扩建我国数字强震台网•增设2000台强震仪，其中自由场固定台1160个，使8个国家一级重点监视区达到每600km2一台强震仪(台距约25km)，13个二级重点监视区达到每1800km2一台强震仪(台距约42km)。另在首都圈设310台自由场固定台，速报烈度，台站密度达到每50km2一台强震仪(台距约7km)。还包括12个专门的密集台阵和200台流动观测仪器4.1地震动的量测„强震观测的现状13同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状144.1地震动的量测地区台数首都圈130四川中西部至滇东地区240滇西北地区90滇西南地区62甘东南至甘、青、川交界地区130宁夏北部至宁、蒙交界地区60新疆南天山西段地区60珠江三角洲28合计800一级强震监控区（8个）同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测的现状154.1地震动的量测地区台数山西中部、晋陕豫交界至西安地区30冀鲁豫交界地区15辽西至辽蒙交界地区14辽东半岛沈阳至大连、山东半岛潍坊至烟台32内蒙呼和浩特至包头地区15东北长春至哈尔滨地区12苏鲁皖浙沪地区50闽东南及闽粤赣地区20桂东南、粤西南至琼东北地区22祁连山中西段及青甘交界地区20青海格尔木及其以北三湖地区10新疆北天山中段地区30新疆南天山中段地区30合计300二级强震监控区（13个）同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测记录的作用•是地震工程学赖以发展的数据基础•是研究地震动特性的数据基础•是推动地震力理论发展的重要因素„几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震力理论的变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析•是结构地震反应分析的输入形式•是推动结构抗震理论进入反应谱阶段和向动力阶段过渡的重要因素164.1地震动的量测同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测记录的作用¾可以提供定量的数据¾可以测量地震破坏作用的全过程¾能够分别研究并测量导致建筑物破坏的各种因素¾不但为地震烈度和工程抗震措施提供定量数据和理论依据，同时又检验从抗震研究实践中总结出来的认识、理论和办法是否符合实际，从而加深人们对于抗震客观规律的认识，成为不断推动地震工程研究发展的重要手段174.1地震动的量测同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„强震观测记录的作用¾地震工程之所以能成为一门定量的科学是和强震观测的成果分不开的¾根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正应用于工程设计。¾地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的184.1地震动的量测没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代地震工程学的发展同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention„数字强震仪•1、模拟式强震仪的缺点1）丢失现象2）记录长周期和极大加速度的能力不足3）记录分析中的预处理：数字化预处理•2、对新型强震仪的要求1）周期范围：0.05～20sec2）振幅范围：0.0001～2.0g3）精确到时：精度1/100sec•3、数字强震仪：优点：不丢失；振幅变化很大，精度高；周期范围宽；预处理简单4.1地震动的量测19同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention太阳能电池~220VGPS天线三分量加速度计固态强震记录仪调制解调器电话线避雷器强震遥测中心地震动便携计算机UPS电源电源避雷器数字强震台站框图4.1地震动的量测20同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention‹地震动的一般特性‹幅值‹频谱‹持时4.2地震动的特性21同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention‹地震动的一般特性¾加速度高频成分丰富，位移长周期成分丰富；¾持时几秒～几十秒；¾最大加速度只偶尔出现一、二次，有的则频繁出现；¾主周期长或短。4.2地震动的特性22同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention‹地震动的一般特性4.2地震动的特性23同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention4.2地震动的特性‡幅值(amplitude)，最大值PGA、PGV、PGD，有效值EPA、EPV，均方根值Arms、Vrms、Drms，SI等；‡频谱特征：富氏谱(Fourierspectrum)、反应谱(responsespectrum)和功率谱(powerspectrum)；‡持续