地震工程复习模板.docx
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1、资料内容仅供您学习参考,如有不当或者侵权,请联系改正或者删除。l 地震工程学内容( 地震学与工程学的桥梁) : ( 1) 工程地震: 地震基本知识、 地面运动的特征、 地面运动的数值模拟、 地震危险性分析( 2) 结构抗震: 抗震基本方法、 抗震分析方法、 易损性分析、 抗震设计方法( 3) 社会服务: 人员伤亡估计、 经济损失估计、 地震保险l 震级: 对地震大小的度量( 准确的说是对一次地震释放应变能的度量) 。包括里氏震级ML( 0.8s内的面波振幅) , 面波震级MS( 浅源地震20s内的面波振幅) 、 体波震级Mb( 深源地震5s内的体波振幅) , 矩震级MW( 考虑断层错动) 。由
2、于地震波传播途径的差异, 同一地震在不同地点确定的震级常常不同, 差别常达0.5左右, 甚至超过1.0.l 震级饱和现象原因: 第一, 地壳的强度是有限的, 地壳内的应力分布是不均匀的, 一次断裂只是一小部分地壳, 一次释放的能量是有限的, 地层振动有限; 第二, 震级定义是根据某一频率内的能量, 这一能量不一定会随断裂长度的增加而一直增加。矩震级不会发生震级饱和现象。l 地震烈度: 指某一区域内地表和各类建筑物遭受一次地震影响的平均强弱程度。一次地震由于地点( 指某一区域) 的不同, 会出现多种不同的烈度, 可是震级只有一个。l 地震烈度表: 研究地震动强弱, 作为区分标准, 地震烈度的尺度
3、。只有日本是八度( 十度) , 其它国家为十二度。l 地震烈度的评定标准: 定性指标: 低烈度: 1-5人的感觉, 4-6器物反应; 高烈度: 6-10建筑物破坏程度, 10-12地面破坏。l 烈度影响因素: 在同一地震的影响下, 地震烈度不但取决于地震本身的大小, 同时还受震源处岩层错动的方向、 震源深度、 震中距离、 地震波的传播介质、 表土性质、 地下水埋藏深度, 以及建筑物的动力特性、 建筑材料、 设计标准、 施工质量和维护情况等许许多多条件的综合影响。l 烈度的性质( 产生质疑原因) : ( 1) 多指标的综合性( 2) 分等级的宏观性( 模糊性) ( 3) 以后果表示原因的间接性关
4、键: ( 1) 抗震设计( 验算) 用不用烈度( 2) 构造措施, 要按烈度采用( 3) 强度、 变形的计算依据反应谱( 能够按烈度确定, 也能够直接确定, 但需要确保两者协调) l 等震线( 烈度分布图) : 同一次地震影响下破坏程度( 或烈度) 相同的各点的连线。一般情况下, 地震烈度随震中距离的增加而递减。一般等震线是封闭的, 县内地区的烈度等于或高于一定烈度, 线外地区的烈度低于此烈度。有烈度资料的地点愈多, 分布愈密, 等震线的轮廓愈明确、 可靠。l 等震线图的特征: 假设震源为一个点, 地震波辐射没有方向性, 传播介质均一, 且各观测点的环境条件相同, 则各等震线是应该管绕震中的一
5、系列同心圆, 但实际并非如此。( 1) 震源有一定的长度和方向, 地震波的辐射也有方向性。因此, 等震线常呈椭圆形, 其长轴方向与发震断裂的走向相同。近场等震线表现较为明显。( 2) 地形、 松散沉积物的分布受区域构造线控制。沿构造线方向地震波的衰减率常小于垂直方向。随震中距离的增大, 等震线长轴逐渐转向地区的主构造线方向, 且与区域的山川、 水系的走向大致一致( 远离震中时, 方向与区域构造线一致) 。l 烈度异常: 在某烈度区内会有少数地点其烈度高于或低于烈度区的烈度。l 烈度异常影响因素: 地形地貌条件、 场地土质条件、 地下水埋藏深度、 当地房屋抗震性能差异l 烈度衰减关系( 烈度影响
6、场) : 在一定震级条件下烈度随距离变化的规律。( 观察条件好数据多等震线不规则) l 烈度衰减关系作用: ( 1) 估计一次地震的影响范围、 破坏范围、 损失与伤亡分布。( 2) 表示地震动的衰减特征。( 3) 研究区域震源机制、 地壳介质、 区域发震构造( 深浅、 倾斜的分析) 。l 综合等震线图: 将一个大区域历次地震的等震线资料综合在一张图上, 显示各地区遭遇过的最大烈度的图。她表示各地有地震记载以来所遭遇的最大地震烈度, 分区所构成的轮廓显示了强地震造成破坏的空间分布。l 综合等震线图用途: 可为人们认识强烈地震的空间分布特征、 地震活动的强度( 特别是强弱的上限) 与地质构造条件的
7、关系和各地区地震影响场特征等提供重要信息, 直接表示了有记载以来地震灾害分布的总体图像, 对于国土规划, 建设布局、 制定减轻自然灾害对策等都有重要的参考价值。其历史记载的取舍原则为”留大舍小”。l 地震烈度的物理标准: 地震烈度和地震动参数之间的关系。PGA、 PGV等。l 地震动( 强震) 观测的意义: ( 1) 为震后快速评估和抗震救灾服务( 2) 为抗震设防服务( 3) 为地震学基础研究服务l 强震观测对现代地震工程学发展的意义: ( 1) 定性的认识极其重要, 如抗震中的概念设计, 但如果缺少量的概念, 就很粗糙。只有在定性和定量两个方面均有一定认识后, 才能从经验性的认识上升为科学
8、的解释。( 2) 地震中不断发现的新现象促使了新规律、 新理论的发现, 成为不断推动地震工程研究发展的重要推动力。( 3) 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, 从而加深人们对于地震和抗震客观规律的认识。l 地震动观测对抗震理论的贡献: ( 1) 为抗震理论进入反应谱阶段提供了必要数据( 静力理论阶段、 反应谱理论阶段、 基于性能的抗震设计理论) ( 2) 为研究地震动的特征提供定量数据( 3) 了解结构地震反应、 进行结构试验l 台阵的目的: 研究不同地震作用, 根据不同的需求, 搭建不同形式的台阵。l 台网的目的: 研究地震动的空间分布。设置强度高、 频度大的地震
9、区。l 台阵分类: ( 1) 震源机制台阵( 研究震源机制与地震动之间的相互关系, 布设在震源或断层附近) 、 ( 2) 传播效应台阵( 研究地震波传播和衰减规律, 布阵与发震断层垂直) 、 ( 3) 局部效应台阵( 研究周围局部场地范围内地震动的特征和各种特殊的场地因素对地震动的影响, 改进和验证自由场理论分析模型) 、 ( 4) 场地影响台阵( 研究不同地点地质和地形对于地震动的影响) 、 ( 5) 大坝观测台阵( 主要振型、 整体性能、 自由场地的观测) 、 ( 6) 建筑物观测台阵( 研究地震作用下的结构反应) l 台阵布置考虑因素: ( 1) 地震发生地地震构造、 频度、 活动趋势及
10、强度。( 2) 人口密度和未来地震可能造成的人员伤亡情况。( 3) 区域经济发展和未来地震可能造成的损伤.( 4) 具有典型性和重要性的场地和建筑物( 5) 兼顾交通、 背景噪声、 通讯、 电力供给、 安全l 中国数字强震动观测台网: ( 1) 建设了较高密度的数字强震动固定台网( 2) 建设了城市地震烈度速报台网( 3) 布设了12个强震动观测专用台阵( 4) 配置了一个由200台套观测设备的强震动流动观测系统( 5) 建立了观测台站场地资料数据库( 6) 建立了国家强震动台网管理系统。l 基线漂移原因: ( 1) 模拟记录仪: 记录纸相对记录器的横向不规则运动形成强震加速度记录中的噪音。初
11、始速度、 初始位移和实际的零基线位置都未知。( 2) 数字记录仪: 仪器的不准确反应、 电磁噪声、 传感器的物质疲劳、 背景噪声和地震动过程中观测仪器的基座产生不可恢复的位移等。l 零线校正: 数字滤波器做双向滤波, 截止频率可经过事前噪声记录与地震记录的傅里叶谱分析确定。用最小二乘法调整零线以消除现行趋势。l 地震动为什么主要观测加速度: ( 1) 根据牛二定律, 加速度与体系的质量相乘直接与侧力有关( 2) 已知加速度能够经过积分得到速度和位移, 但一只速度或位移却得经过微分得到加速度, 而数值微分会放大误差, 而数值积分则不会, 因此观测加速度能够在数据处理是经过累次积分压制误差。l 地
12、震动三要素: ( 1) 幅值: 最大PGA、 PGV、 PGD, 有效值EDA, 均方根值等( 2) 频谱特征: 傅氏谱、 功率谱、 时频分析和反应谱等( 3) 持续时间: 括号持时、 一致持时、 卓越持时。l PGA( 峰值加速度, 与惯性力有关, 代表地震动对结构的破坏作用) 、 PGV( 峰值速度, 与能量有关) 、 PGD( 峰值位移, 与变形有关) l 地震动峰值的统计平均变化规律: ( 1) 同样断层距处, 地震动幅值随着震级的增大而增大, 在大震级段加速度幅值会产生饱和现象。( 2) 同震级, 地震动幅值随着距离的增大而减小, 大地震在近场也会产生饱和现象。( 3) 土层场地,
13、特别是软弱场地上, 地震动幅值一般比基岩场地上大。( 4) 在震中区或地震断裂附近, 基岩场地上的地震动幅值有可能比土层场地上大。l EDA( 有效设计加速度) : 相当于9Hz低通滤波后加速度的峰值。l 傅里叶谱: 表示了地面运动振幅与频率或周期额关系, 也就是说对于给定的加速度图, 能够确定出相应振幅的频率。l 功率谱( 功率密度函数) : 用来估计输入地震动的统计特性, 并用随机振动理论计算随机响应。l 括号持时: 以对工程结构有影响的最小地震动幅值为阈值, 把地震动幅值首次和最后一次达到该阈值的两个时刻之间的时段取为地震动持续时间。l 一致持时: 以占峰值的给定比例为阈值, 把地震动幅
14、值首次和最后一次达到该阈值的两个时刻之间的时段取为地震持续时间。l 卓越持时: 超过Arias烈度一定比例的时间区间的累积值。l 谱烈度: 从能量的角度表征地震动潜在破坏势的参数, Sv反映了弹性单自由度体系的能量需要, 但谱烈度一个明显的缺点就是它没有考虑持时的影响, 而持时对结构的累积损伤是很重要的。l 增量速度: 加速度脉冲下的面积, 实际上代表速度变化的增量, 它与质量的乘积代表结构的动量或者相当于地震作用的冲量作用。l 增量位移: 速度脉冲下的面积。l 反应谱: 单自由度体系弹性系统对地震动反应的最大值的绝对值和体系的自振特征( 自振周期或频率与阻尼比) 之间的函数关系。反应谱是地震
15、动特性而非结构特性。加速度反应谱值在1以内, 速度反应谱值可达100以上, 位移反应谱值在50以内, 即速度位移加速度。只能反映出分布随频率的变化, 不能反映随时间的变化( 时频分析) 。l 反应谱影响因素: 场地条件、 震级、 距离。土质越软, 震级越大, 距离越远, 反应谱峰值逐渐右移。( 类场地小震级是, 反应谱值很大) l 地震动衰减关系: 描述地震动随震级和距离变化的关系。是最简单的预测地震动的经验关系。l 地震动衰减的原因: 地震的能量是一定的, 但地震波的波前以球形扩散, 是能量分散、 减小, 波在场地介质中传播, 在传播过程中, 场地介质消耗能量。l 地震动衰减关系的统计拟合方
16、法: 统计+拟合。由于数据的分布不可避免地存在病态, 自变量之间总要有一定的相关性, 在数据不很丰富时, 一次个别地震中的数据占比例过大、 一个场地的记录占比例过大等, 都要有些办法处理。如加权拟合( 加权最小二乘法) 等。l 缺乏强震记录地区的地震动衰减关系: ( 1) 使用宏观烈度分析或者使用数值分析方法评定该地区的地震震源和地震波传播(衰减)特性, 与已经提出经验的和理论的强运动衰减关系的世界其它地区加以比较。( 2) 辨别所考虑地区的构造环境类型和发生的地震震源的断裂形式( 即, 板缘、 板内、 浅地壳、 俯冲消减带、 走滑等) 。从地震震源与所考虑地区最相似的地理地区选择若干衰减关系
17、式。( 3) 若需要, 根据该地区中有限的强地面运动数据进行比较, 调整选择的衰减关系式, 评价和/或理论计算l 近几次大地震中强地震动表现的新特征: ( 1) 这些地震动主要特征的变化相当复杂, 受许多因素的影响。( 2) 震害经常显示出比用简单经验模型预测的大得多的不规律性, 与地震震源过程、 从震源到场地的地震波的传播和场地反应等方面有关。( 3) 近断层的方向性效应、 上盘效应、 地壳波导效应、 盆地边缘反应效应等都对地震动有重要影响, 又都牵涉到更复杂的震源机制、 传播途径和场地条件的影响中的基础理论问题。l 近断层地震动: 在近断层区域地震动幅值分布受断裂的几何形态影响很强烈。对于
18、竖直的走滑断裂, 破裂方向性效应对于给定的至断裂最近距离处地震动引起很强的空间变化。对于倾滑断裂, 有两个主要的效应: 破裂方向性效应和上盘效应。破裂方向性效应是由于破裂传播和幅射模式效应引起的。上盘效应主要是由断裂对上盘场地的更近引起的。l 方向性效应: 在断层近场地区, 影响地震动特征的一个重要因素是断层的破裂方向。根据场地与断层的相对位置, 方向性效应能够分为向前效应( forward) 、 向后效应( reverse) 和中性效应( neutral) 。如果断层的破裂方向朝向场地或破裂方向与震源( hypocenter) 和场地连线的夹角较小的话, 场地的效应称为向前方向性效应, 一般
19、所说的”方向性效应”是指向前方向性效应, 因为向前方向性效应产生的地震动对工程结构来说更为不利。如果断层的破裂方向背离场地或破裂方向与震源和场地连线的夹角较小的话, 称为向后方向性效应。如果场地与震源的连线几乎垂直于断层的破裂方向, 称为中性效应。断层破裂速度在传播介质中几乎等于介质剪切波速, 使得断层产生的能量以非常短的时间到达场地, 这样, 在场地的地震动中将产生一个大的速度脉冲( 一般发生在地震动的开始阶段) 。断裂上剪切位错的幅射模式使这个地震动的大脉冲朝向垂直于断裂方向, 引起垂直于断层分量的峰值速度比平行于断层分量的峰值速度要大。( 表示了从断裂辐射的大量地震能量的累积效应) l
20、上盘效应: 一个倾斜断裂上盘的场地在总体上比下盘上最近距离相同的场地更靠近断裂面。这引起了上盘短周期地震动比下盘相同最近距离处更大。上盘地震引起的振动比一般地震的大1.3-1.4倍。( 同样的距离( 断层距、 震中距、 震源距) , 上盘的地震动会比下盘地震动更加强烈。) l 地壳波导效应: 在近距离处( 约50千米以内) , 最大的地震动由自震源到场地向上传播的地震波引起。然而随着离震源的距离增加, 直达波减弱, 从震源下部边界来的下行波的反射达到临界角度并形成内反射。在这些界面处, 特别是莫霍面, 弹性模量的强烈反差使这些临界反射具有很大的幅值。这些临界反射在大约50千米处到达, 使得直到
21、100千米或以上的距离处地震动衰减率减弱。( 在一定震中距范围内, 震源产生的地震动到达莫霍面, 反射回来的波和体波叠加, 使50-100千米范围内的地震动衰减率减小。) l 沉积盆地对抢地震动的影响: 包括对强地震动的幅值、 频率成分和持时的影响。( 1) 盆地中新沉积物比边界基岩低得多的波速产生软土的放大作用。( 2) 盆地碗状几何形状, 在盆地中特定地点能够把地震波聚焦。( 3) 盆地的边缘效应, 速度和深度的梯度变化很大, 当地震体波沿盆地边缘进入, 像水波纹一样在盆地中重复反射, 产生陷入盆地的面波。l 人造地震动和数值模拟地震动产生的原因: ( 1) 应用时程分析法时, 要选择适当
22、的地震动作为输入。由于受地震观测的客观条件的限制, 取得的强震加速度记录”缺少”, 不能满足工程中的多方面要求。( 2) 在随机振动理论中, 满足同一集系的地震动次数常常过少。l 地震动合成方法: 格林函数法( 解析: 弹性动力学等理论, 经验: 小震代替解析结果) 、 随机法( 随机点源法: 震源被描述成一个点, 随机有限断层法: 震源被描述成若干个子断层面) 、 基于相位差谱的方法、 与有限元方法结合。数值方法: 三角级数法。l 相位差谱: 指将相位谱在频率轴上等间距离散化后两个相邻相位角的差, 相位差随频率变化的函数称为相位差谱。决定地震动的非平稳性。分布与加速度包络函数形状相似, 近似
23、呈现为正态分布。特点: 考虑了相位差因素及分布特点。工程中常见此方法。l 三角级数法的优缺点: 优点: 实现方便, 适应性强。缺点: ( 1) 在迭代的过程中, 可能会出现个别控制点的反应谱不收敛于目标谱的情况, 特别是当反应谱的控制点较多时容易出现。( 2) 时常看到合成的地震波虽然满足了目标谱的要求, 可是波形极差。例如: 出现”大尖”或是”平台型峰值”, 或者出现时间强度包线明显截头的情况。( 3) 人造地震波与真实地震波主要在基本特征上有相当的差距: 频率性征和强度性征。l 地震动对结构的破坏类型: 场地失效、 场地的地震动作用l 地基失效: 一般指造成建筑破坏的直接原因是由于场地和地
24、基稳定性引起的。场地和地基的破坏作用大致有地面破裂、 滑坡、 坍塌等。一般是经过场地选择和地基处理来减轻地震灾害。l 场地的地震动作用: 由于强烈地面运动引起地面设施振动而产生的破坏作用。减轻它所产生的地震灾害的主要途径是合理的进行抗震、 减震设计和措施。l 建筑地段的选择原则: ( 1) 选择有利地段( 2) 避开不利地段, 当无法避开时, 应采取适当的抗震措施( 3) 不在危险地段建设l 局部突出地形的影响: ( 1) 高突地形距离基准面的高度愈大, 高处的反应愈大( 2) 离陡坎和边坡顶部边缘的距离大, 反应相对减小( 3) 在同样地形条件下, 土质结构的反应比岩质结构大( 4) 边坡愈
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