地震工程学讲义

第一章绪论§1、1地震与地震动地震是一种自然现象，每年平均发生500万次左右的地震，绝大多数很小，不可以用灵敏仪器测量的约占99%；可以感觉到地为1%，其中，5级以上的强烈地震约1000次左右，能造成严重破坏的大地震（7%），平均每年大约发生18次。地震给人类带来灾难，给人类社会造成不同程度的伤亡事故及经济损失。如在20世纪，前80年（1900—1980）全球因地震造成的死亡人数高达105万人，平均每年死亡1.3万人。1990年伊朗鲁德巴尔地震造成5万多人丧生。1995年日本阪神地震紧急损失高达960亿美元就是例证。为了抗御与减轻地震灾害，有必要进行建筑工程结构的抗震分析与抗震设计。1、1、1地震类型与成因对于构造地震，可以从宏观背景和局部机制两个层次上揭示其具体成因。宏观背景：地球的构造：R=6371Km约6400Km包括：地壳、地幔与地核。地壳有各种不均匀的岩石组成，出地面的沉积层外，陆地下面的地壳主要为：上不是花岗岩层，下部为玄武岩层；海洋下面的地壳一般只有玄武岩层，革除厚薄不一。世界上大部分地震都发生在这一薄薄的地壳内。地幔主要有质地坚硬的橄榄眼组成，它具有粘弹性，由于地球内部放射性物质不断释放能量，从地下20Km~700Km，地球内部温度有大约600℃~2000℃，在这一范围内的地幔中存在着厚约几百公里的软流层，物质对流，地球内部的压力也不均衡，900Mpa~370000Mpa，地幔内部物质在热状态和不均衡压力作用下缓慢的运动着，即可能为地壳运动的根源。地核是地球的核心部分，分为外核（厚2100Km）和内核，其主要构成物质是镍和铁。据推测，外和可能处于液态而内核可能是固态。通常认为，地球最外层是有一些巨大的板块组成，（六大板块和若干小板块），六大板块即欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。板块向下延伸的深度大约为70~100Km，由于地幔物质的对流，板块也相互运动，板块的构造运动，是构成地震产生的根本原因。地震诱发地震：主要用于人工爆破、矿山开采及工程活动（如兴建水库）所引发的地震，一般不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成严重的地震灾害。天然地震构造地震：由地壳构造运动所产生，次数多，占地震发生总数约90%，释放的能量大，影响范围广，造成的危害严重。火山地震：由火山爆发所引起。陷落地震：由于地下空洞突然坍塌而引起。强度低，影响范围小。地震工程研究的主要对象是构造地震。局部机制：地球板块在运动过程中，板块之间的相互作用力会是地壳中的岩层发生变形，当这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处岩体就会发生突然断裂或错动，从而引起地震。由于岩层的破裂往往不是演一个平面发展，而是形成有一系列裂缝组成的破碎地带，沿整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡，因此，再一次强力地震（即主震）之后，岩层的变形还有不断的零星调整，从而形成一系列余震。地震往往发生在地应力比较集中，构造比较脆弱的地段，即原有断层的断点或转折点处，不同断层的交汇处。震源：地球内部断层错动并引起周围介质震动的部位。震中：震源正上方的地面位置。震中距：地面某处至震中的水平距离。浅源地震（70Km）85%中源地震（70~300Km）12%深源地震（300Km）3%1、1、2地震波地震波：地震引起的震动以波的形势从震源向各个方向传播并释放能量。体波：在地球内部传播的波。面波：沿地球表面传播的波。纵波（P波）：介质质点震动的方向与波的前进方向一致。（压缩波或疏密波、初级波）横波（S波）：介质质点震动方向与波的前进方向垂直。（剪切波或次级波）纵波：一般周期较短振幅较小，在地面上引起上下颠覆运动。横波：一般周期较长振幅较大，引起地面水平方向的运动。面波瑞雷波（R波）：传播时，质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内做逆向的椭圆运动，（产生类似于海浪的周期性运动），它是形成地面晃动的主要原因。乐夫、乐甫波（L波）：传播时，质点在与波的前进方向垂直的水平方向运动，在地面上表现为蛇形运动。这两种波的振幅均随距地表深度的增加而减小。面波振幅大、周期长，比体波衰减慢，可以传播到很远的地方。地震波的传播速度，以纵波（体波）最快，横波次之，面波最慢。所以，在地震发生的中心地区人们的感觉是，县上下颠簸，后左右摇晃。当横波或面波到达时，地面震动最为猛烈，产生的破坏作用也大，在离震中较远的地方，由于地震波在传播过程中逐渐衰减，地面震动减弱，破坏作用逐渐减轻。1、1、3地震动地震动：由地震波传播所引发起的地面振动，震中区附近的地震动称为近场地震动，一般通过记录地面运动的加速度来了解地震动的特性。（不规则性）§1、2地震震级与地震烈度1、2、1地震震级地震震级：地震震级是表示地震本身大小的尺度，目前通常用里氏震级表示，其定义首先由里克特（Richter）于1935年给出。即M=lgA其中M—里氏地震等级，1935年英国CharlesRichter博士提出的。A—用标准地震仪（周期为0.85，阻尼系数为0.8，放大倍数为2800在距震中100Km处纪录的以“µm”（微米=10-6m）为单位的最大水平地面位移。例：A=1mm=100µm，M=3震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍lgE=1.5M+11.8E—地震能。（单位尔格org，1org=10-7J）微震M2人们感觉不到有感地震M=2~4人们有所感觉破坏性地震M≥5会引起地面工程结构的破坏强烈地震M7（大地震）M8特大地震1960年5月22日发生在治理的8.9级地震，是记录到的世界最大的地震。1、2、2地震烈度地震烈度：地震烈度与峰值加速度、速度和持续时间有关，是指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度。地震动的三要素峰值（最大振幅）：可以定量反映地震动的强度特性。频谱：可以揭示地震动的周期分布特征。持续时间：可以考察地震动循环作用程度的强弱。地震烈度表：为评定地震烈度而建立起来的标准，它是以描述震害客观现象为主的，即根据建筑物的损坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具动作反映等方面进行区分。日本采用0~7度分成8等的烈度表，少数国家如欧洲一些国家用10度划分的地震烈度表外，绝大多数国家采用分成12度的地震烈度表。（见附录A）莫卡利烈度（MM）1902年提出后经伍德（Wood）和纽曼（Neumann）于1913年修正，并由里查特（Richter）于1958年进一步校正，最大烈度与地震大小或震级的关系很模糊，几乎不存在什么关系。等烈度线（等震线）：一次地震中，在其所波及的地区内，用烈度表可以对每一地点评估出一个烈度，烈度相同点的外包线叫等震线。（多数近似呈椭圆形）震中烈度：震中区的烈度，一般说来它是地震大小和震源深度两者的函数，但是，对人民生命财产影响最大的发生最多的地震震源，深度一般在10~30Km，所以，我们可以近似的认为震源深度不变，M=1+⅔I0I0—震中烈度。1、2、3基本烈度与地震区划基本烈度：一个地区在一定时期（我国取50年）内在一般场地条件下按一定的概率（我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度。他是一个地区进行抗震设防的依据（抗震设防烈度）。地震区划：依据地质构造资料，历史地震规律，强震观测资料，采用地震危险性分析办法，可以计算出每一地区在未来一定时限内关于某一烈度（或地震动加速度值）的超越概率，从而，可以将国土划分为不同基本烈度所覆盖的区域，这一工作称为地震区划。设计地震动参数：抗震设计用的地震加速度（速度、位移）时程曲线，加速度反映谱和峰值加速度。§1、3地震灾害概况1、3、1中国地震背景全球地震主要集中在两个大的地表构造系范围内。其一是环太平洋地震构造系，集中了全世界地震总数的75%；其二是位于北纬20°~50°只见的大陆地震构造系，集中了全球大陆地震的90%，见P6图1-7。我国位于世界两大地震构造系的交汇区域，历史上就是地震频发的国家之一。1、3、2地震的破环作用表现为三种形式：地表破坏、建筑物破坏、次生灾害。1、地表破坏及其影响表现：地裂缝、地面下沉、喷水冒沙、滑坡等。地裂缝：构造性地裂缝：是地层断裂带在地表的反应，其走向与地下断裂带一致。重力式地裂缝：由于地表土质不允机手地貌影响所形成，其规模较前者较为小。当地裂缝穿过建筑物时，会造成结构开裂直至倒塌。地面下沉：多发生在软土分布地区和矿业采空区，引起建筑物破坏及倒塌。喷水冒沙：地下水位较高的地区，地震波的作用使地下水急剧增高，地下水经地裂烽火其他通道喷出地面。当地表土层含有沙层或粉土层时，会造成沙土液化甚至出现喷水冒沙现象。液化可以造成建筑物亲卸货倒塌，埋地管网大面积破坏。2、建筑物破坏静力破坏：因地表破坏引起的（地基失效引起的破坏）。动力破坏：由于地震地面运动的动力作用引起的。①承重结构或载力不足或变形过大而造成的破坏。（抗剪、抗弯、抗震等强度不足）例如，墙体裂缝，钢砼构件开裂或酥裂，房屋倒塌，砖烟囱折断和错位，等。②结构丧失整体性而造成的破坏结构构件发生强度破坏前后，结构物一般进入弹塑性变形阶段。在这一阶段，结构物在强烈震动作用下会因为延性不足、节点连接实效、主要承重物件失稳等原因而丧失整体形，从而造成局部或整个结构的倒塌。P7表1-1、表1-23、次生灾害如：水灾、火灾、毒气污染、滑坡、泥石流、海啸等。§1、4工程抗震设防1、4、1抗震设防的目的和要求工程抗震设防的目的：在一定的经济条件下，最大限度的限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全。建筑抗震设计的基本准则：小震不坏，中震壳修，大震不倒。根据对我国的几个主要地震区的地震危险性分析结果，认为我国地震烈度的概率分布上基本符合极值Ⅲ型分布。其地震烈度的概率密度函数区县的基本形状如图1-6，其具体形状参数取决于设定的分析年限和具体地点。当设计基准期为50年时，曲线峰值所对应的烈度即众值烈度的超越概率为63.2%，基本烈度的超越概率为10%，罕遇地震的超越概率为2%。通过对我国45个城镇的地震危险性分析结果的统计分析得到：基本烈度较多遇烈度越高1.55度，而较罕遇烈度约低1度。对应于前述设计准则，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）明确提出了三水准的抗震设防要求：（我国采用6度起设防的方针，设防面积约占国土面积的60%）第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不会损坏或不许修理仍可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理仍可继续使用。第二水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不知倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。1、4、2抗震设计方法采用简化的两阶段设计方法。第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。（保证了第一水准的承载力要求和变形要求）第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变性。（保证结构满足第三水准的抗震设防要求）第二水准要求的实现主要靠抗震构造措施。1、4、3建筑物重要性分类与设防标准根据建筑物使用功能的重要性，按期受地震破坏时产生的后果，将建筑分为四类：（P10）甲类建筑：乙类建筑：丙类建筑：丁类建筑：设防标准：甲类建筑在6～8度区按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，当为9度区时，应作专门研究。乙类建筑按设防烈度进行抗震计算，但在抗震构造措施上提高一度考虑。丙类建筑按设防烈度进行抗震计算及抗震构造。丁类建筑按设防烈度进行抗震计算，但其抗震构造措施可适当降低要求（为6度时不降），抗震设防烈度为6度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。§1、5抗震设计的总体要求一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：概念设计：由于地震的随机性，加之建筑物的动力特性、所在场地、材料及结构内力的不确定性，地震时造成破坏的程度很难预测，为保证结构具有足够的抗震可靠度，再惊醒抗震设计时，必须综合考虑多种因素的影响，着重从建筑物的总体上进行抗震设计，则称为概念设计。概念设计要考虑以下