地震学基础-强地振动及其观测.ppt

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1、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。,5.1 强震观测,强震观测是利用强震仪记录地震发生时的地面运动时间过程及工程结构的地震反应时间过程，为工程地震学、结构抗震研究和应用提供地震动与结构反应的观测数据。强震观测是地震工程学研究的基础，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。,5.1.1 强震仪,强震仪是记录

2、强地震动时间过程的专用仪器，其基本原理与地震仪相同，但记录的地震动物理量多为加速度（少数为速度），仪器的频带较宽、即可记录多个频率成分的地震动，其运行方式为待震触发。,强震仪的结构,强震仪由拾振器（传感器）和记录系统组成，一般采用互相正交的三分向拾振器，可记录两个水平方向和一个竖直方向的地震动。记录系统由记录装置、时标系统、传输系统和电源系统等组成。几乎所有的强震仪都具有自动触发控制功能，当地震动幅值达到设定的阈值时才开始记录，拾振器拾取的地震信号通过电路送给电流计（或磁带、存储器等）记录下来；时间系统为强震仪提供准确的发震时刻和时间标记。传输系统将地震动时程数据、时间等有关信息按照设定的方式

3、向记录处理中心传输。,强震仪的分类,强震仪按记录方式分为：笔记录式强震仪 电流计记录式强震仪 光直记式强震仪 模拟磁带强震仪 数字磁带强震仪 固态存储式数字强震仪按记录的物理量分为：强震加速度仪 强震速度仪,强震仪的主要性能指标,灵敏度 以单位加速度（或速度）的记录幅值表示。不同强震仪的灵敏度含义不同，电流计记录和光直记式强震仪灵敏度为 mm/g，磁带记录式和数字式强震仪的灵敏度为V/g；mm为记录信号的幅值，V为记录信号的电压，g为重力加速度。量程 强震仪可能达到的物理量测量的上、下极限值。现代强震仪能完整记录0.00012g的加速度值，模数转换器的二进制位数（bit）为12位以上。,频率响

4、应 强震仪对正弦信号的稳态响应特性。频率响应包括幅频特性和相频特性。在输入幅值不变的情况下，强震仪记录幅值随振动频率的变化称为幅频特性，幅频特性平直表示记录到的地震动放大倍数相同；记录的相位随振动频率的变化称为相频特性，表示记录相对原始地震动的相位差。仪器测量频率范围规定为强震仪幅频特性上、下限频率下降3dB的带宽。现代强震仪记录地震动的周期范围至少为0.0420秒。,动态范围 仪器在容许的失真条件下，能记录到的地震动范围，与量程的含义类似，用分贝（dB）表示：dB=20*lg(测量的上限/测量的下限 电流计记录式强震仪和光直记式强震仪的动态范围一般为40dB,模拟磁带强震仪的动态范围可达50

5、dB，数字磁带强震仪的动态范围可大于100dB，固态存储式强震仪的动态范围在低采样率时可大于120dB。触发方式 有机械触发、带通閾值触发、差值与比值触发、定时触发、手动触发等不同方式。,记录介质 主要有胶片、感光纸、磁带、存储器、U盘和硬盘。静态耗电 强震仪等待地震时消耗的电流。采样率 对拾振器输出电压每秒钟采样的次数，数字强震仪的采样率一般有50sps、100sps、200sps、400sps四档供选择，现代强震仪的采样间隔至少为0.01秒；时间精度 强震仪内部时钟与世界标准时间的相对误差，现代强震仪的时标精度可达510-7秒。数据存储 现代强震仪预存储时间可达5秒，防止“丢头”；有足够容

6、量的电源，可自动充电；可自动传输数据。,5.1.2 强震台网和强震台阵,自1933年美国在加州的长滩地震中取得了第一条地震加速度记录之后，强震观测迅速发展。日本于1951年底组建“强震加速度计委员会”，此后由气象厅、各大学研究机构和企业联合开展了全国的强震观测。目前世界上约有四十多个国家开展强震观测工作，设置了规模不等的观测台网，用于强震观测的仪器超过2万台。美国现设置有5000台强震仪，并正在实施一个布设6000台强震仪的新计划；美国加州规定所有超过6层的建筑物必须在地下室、顶层和中间层各设置一台强震仪。日本有强震动观测仪器近5000台。中国大陆地区目前有强震仪约2000台，台湾地区布设了7

7、00多个强震台。,1962年以广东新丰江水库地震的监测为契机，中国开始了强震观测工作。此后地震局、各行业和高等院校陆续布设强震观测台网。台湾的强震台网建设始于1972年。1980年中国数字强震动台网建成，强震观测覆盖大陆30个省、自治区和直辖市。目前，中国数字强震动台网是在21个国家地震重点监视防御区内建设的具有遥测功能的数字强震台网，其中包括8个一级重点监视防御区，台网密度平均每600平方公里一台；13个二级重点监视防御区，台网密度达到平均每1800平方公里一台；五个大城市（北京、天津、兰州、乌鲁木齐和昆明）的烈度速报台网设速报子台370个，子台平均密度可达每50平方公里一台。台网由国家强震

8、动台网中心、各区域台网部和省强震动台网部三级构成。速报台网子台设置在：（1）人口密集区；（2）活断层带或地震活跃区；（3）高层建筑附近；（4）重要工程建筑附近；（5）生命线工程附近；（6）不同类型场地。,中国数字强震动观测台网,中国台湾花莲强震台阵,观测台站的布设完全取决于研究目的，设置为强震台阵。为研究地震动衰减特性，仪器应在垂直和平行发震断层的方向布设，称为跨断层台阵或地震动衰减台阵；研究山丘或盆地对地震动影响，强震仪应布设在穿过场地（含基岩和土层在内）的测线上，称为局部场地影响台阵；研究地震动从基岩到土层的传播规律，需要在深井下与地面同时观测，称为三维台阵；研究场地引起地震动空间分布变化

9、，含地震动相干性特征采用差动台阵；研究地基与结构相互作用采用土-结构相互作用台阵，研究结构地震反应采用结构台阵；此外，还有针对某专项研究（如砂土液化）的特殊台阵等。,5.1.3 强震数据处理,对强震观测记录数字化、进行仪器校正、误差校正、常规分析计算并输出结果等的数据处理过程。强震仪记录的数据是三分量的地震动时程，应有完整的振动波形、零线和时标。原始记录在这三方面都可能存在误差，原因在于：仪器失真、数字化误差和数字积分误差,5.2 强地震动特性和参数,不同强震加速度记录的振幅、频率成分和持续时间（合称强地震动三要素）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，

10、是工程地震研究的目标。,脉冲型：一般得自震源附近的基岩或坚硬土层场地，大震近场尤其明显，一般某个方向分量大于另一个分量。余震的近场地震动往往是短周期脉冲。,帕克菲尔德强震记录,日本气象厅在阪神地震神户市中央区台站取得的记录，水平分量峰值为820 cm/s2，持续时间并不长，但幅值大、周期长。此次地震给神户市房屋和高架桥、港口设施等工程结构造成严重破坏。,日本神户强震记录,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，这是典型的软土场地强震记录（长周期型）。长周期型，主要受软土场地的影响，地震动频率低，持时长,墨西哥城强震记录,中国的强震记录,目前记录到的最大地震动

11、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和垂直加速度峰值的比较可以看出，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

12、加速度峰值与水平峰值相当，甚至超过水平分量。,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,5.2.1 地震动强度,加速度峰值是地震动加速度时程中最大幅值的绝对值，记为为PGA或 amax；单位为cm/s/s（亦称gal），或m/s/s，或重力加速度g。是地震工程中最常用的地震动参数。,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具。,5.

13、2.2 地震动频谱,埃尔森特罗记录反应谱,埃森特罗地震记录南北分量的绝对加速度ACC、相对速度VEL和相对位移DIS反应谱,绝对加速度ACC,相对速度VEL,相对位移DIS,傅立叶谱,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。,傅立叶谱 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(见图)。图5.2.2-3 时间序列函数的傅立叶分解示意 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

14、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。,P68，缺失的两段文字！,由图可见，埃尔森特罗地震动时程包含了从0赫兹到10赫兹以上的很多谐振分量，其中12赫兹左右频段范围内振动的幅值最大，可称为卓越频段；对应最大幅值的频率称为卓越频率。,埃森特罗地震动时程及其傅立叶幅值谱,功率谱,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

15、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。,5.2.3 地震动持续时间,地震动时间过程的持续时间有长有短，在结构地震反应进入非线性阶段后，地震动持续时间的长短对结构的最终损伤程度有影响；持续时间越长，造成累积损伤的可能性越大。工程中关心的是具有较高幅值的强地震动持续时间。,能量持时,En(t)地震动能量函数a(t)加速度时间过程To 地震动总持续时间,5.2.4 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。,震源对地震动的影响

16、,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。,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

17、。,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和持续时间，后者称为盆地效应。,5.3 强地震动衰减,表征地震动参数随震级、距

18、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。,图5.3-1 加速度峰值衰减曲线,为反映近场高频地震动随震级增加趋于饱和的现象，可在衰减关系中增加震级M的平方项，且令该项的系数为负数；这样，随震级加大，地震动参数幅值减少也越大，不同震级的衰减曲线彼此靠得越近，反映出大震高频地震动随震级增加的饱和现象。图为加速度衰减曲线的示例，图中虚线衰减关系反映了近场地震动随距离的饱和现象，但未反映随震级的饱和想象，实线则反映了前述两种地震动饱和现象。,5.4 强地震动预测,强地震动研究的最终目的之一是为工程建设和抗震防灾提供设防地震动或设计地震动。估计不同地点未来可能遭遇的地震动称为

19、强地震动预测。在地震动三要素（强度、频谱和持续时间）中，人们首先需要的是地震动强度（如加速度峰值）和地震反应谱。这些参数可由地震危险性分析或利用地震区划图确定现代复杂、重要工程的抗震设计应进行结构地震反应时程分析，此时则需要输入地震动时间过程。地震动时程的预测是一件更为复杂的工作。预测地震动时程有不同方法。,1、利用实测强地震动记录,若工程场地的地震背景（可能遭遇的地震震级、距离和场地条件）与实测强震记录对应的震级、距离和场地条件相同或相似，则可直接取该强震记录作为设计地震动时程。显然，由于强震发生的罕遇性和强震观测设施有限，我国出现这种情况的机会并不多。一般情况下，可以利用现有的强震观测记录

20、但需对其进行适当调整。,2、生成人造地震动,基于随机振动方法生成预期的人造地震动时程是目前使用较多的方法。该法的基本步骤是：首先依据工程场地的反应谱或功率谱确定傅里叶幅值谱；而后生成随机傅里叶相位谱（各频率分量的相位取02间的随机数）；将幅值谱与相位谱作傅里叶逆变换则可得到人造地震动时间过程。由于可生成多个随机相位谱，故可获得相应的多条地震动时程。,3、计算理论地震图,建立震源模型和传播介质模型，则可通过数字地震学方法计算任一点的理论地震图（地震动时程）。,4、小震合成大震,将小震震源视为点源，可利用小震地震动记录作为经验格林函数合成大震地震动。这一方法是1978年由哈兹策尔（S.H.Hatz

21、ell）首先提出的。小震记录包含了震源和传播介质的复杂真实信息，利用小震记录又可免去计算理论格林函数之烦，这一方法是很有创意的方法。运用此法需确定用多少个小震合成预期的大震，其基本原则是小震地震矩的总和应等于大震地震矩，且应满足大小地震在时间、长度上的比例定律。小震通常可取当地以往地震的前震或余震，故只有在有观测记录的地区才能采用此法。,学号 姓名地震体波有哪两种基本类型？瑞利波和勒夫波的质点运动分别发生在空间什么平面内？地震波波速取决于哪些因素？3 什么是地震走时？4 地震三要素是什么？强地震动三要素是什么？地震中造成人工结构破坏的两类原因是什么？生命线工程包括哪些基础设施？7 什么是地震烈度的双重内涵？8 地震反应谱是基于什么结构的地震反应得出的？,