抗震工程概论2010年

《抗震工程概论2010年》由会员分享，可在线阅读，更多相关《抗震工程概论2010年（191页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、抗震工程概论教案 第 1 讲 抗震工程概论 （201 0 年秋） 第 1 章 绪论 随着经济建设的迅速发展和社会财富的快速积累， 灾害的防治越来越受到重视。 灾害是 指那些由于自然的、 人为的或人与自然的原因， 对人类的生存和社会发展造成损害的各种现 象。 在国家自然科学基金委员会工程与材料学部的重大工程灾害与防治论证报告中给出了灾 害的一种更科学的定义： 灾害是指自然环境或工程系统演变过程中失去固有平衡或稳定时造 成人类赖以生存的基础破坏或功能失效的突发事件。 联合国成立了国际减灾十年委员会， 希 望通过国际间的合作与努力， 力求在十年中有效地降低和防治自然灾害。 国际减灾十年委员 会（19

2、902000）提供的资料表明：1963 年至 1992 年的三十年内，全球自然灾害的受灾总 人数 30.08 亿人，死亡总人数 36 万人，直接经济损失 3400 亿美元，其中地震引起的灾害占 很大的比例。 1.1 地震活动及其灾害 近十年来，我国每年平均灾害损失近 1600 亿元，相当于国民生产总值的 3.8，国民收 入的 30。这一比例是发达国家的十倍。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，20 世 纪全世界发生的七级以上的强震中，中国占 35，世界历史上一次地震中死亡人数最多的 地震发生在我国（1556 年明朝时陕西关中地震，死亡 83 万人） ，而现代死亡人数最多的两 次地震也发生在我

3、国（1920 年宁夏海原 8.5 级大地震，死亡 23 万多人；1976 年唐山 7.8 级 大地震，死亡 24 万多人，直接经济损失 97 亿元） 。我国的绝大部分地区都受到地震的威胁， 在全国 450 个城市中，位于地震区的占 74.5，28 个百万以上人口的大城市中有 85.7位 于地震区。 从二十世纪初到二十世纪八十年代， 我国大陆 7 级以上地震活动经历了四个活跃 期。每个活跃期持续 11 至 17 年，平均发生 15 次左右 7 级以上大地震。特别是在活跃期的 最后阶段更容易发生较大的地震。2 0 0 8 年5 月1 2 日发生的四川汶川8 级大地震，统计至9 月2 5 日1 2

4、时，死亡6 . 9 2 2 7 万人，伤3 7 . 4 6 4 3 万人，失踪1 . 7 9 2 3 万人。 2 0 1 0 年1 月1 2 日海地7 级大地震，死亡2 0 多万人。 世界范围三十年来的自然灾害经济损失统计资料表明， 国民生产总值增加一倍， 自然灾 害损失增加三倍，随着经济的增长，自然灾害损失呈几何级数增长。最近十年间自然灾害造 成的经济损失是六十年代的 9.13 倍。其中地震灾害造成了大量财产损失。仅 1994 年美国北 岭 6.8 级和 1995 年日本阪神7.2 级两个地震就造成共约 1300 亿美元的损失，超过了同期所 有其它自然灾害所引起的经济损失的总和（1020 亿

5、美元） 。 工程抗震研究和设计是减轻和防止地震灾害的重要基础。 1 抗震工程概论教案 第 1 讲 1.2 工程抗震的内容 刘恢先在为 “中国工程抗震研究四十年” 一书中写的序言中形象地阐述了工程抗震所包 含的内容和相互关系：工程抗震是一栋摩天大厦，有基础、支柱和各楼层，主要包含以下内 容： （1）大厦的基础：地震危险性预测，即地震区划地震区域划分。 基础研究工作（对抗震工程而言） 地震活动性区划（不同地区，未来一段时间内可能出现的最大地震的震级分布） 地震动区划（地震烈度区划，地震动参数区划） 地震灾害区划（包括地震引起各类震害的分布） （2）支撑大厦的四根柱子 手段和方法，进行工程抗震所必需

6、的手段 地震震害调查（总结抗震经验，了解结构动力性能，指导结构模型化） 振动实验（结构动力性能，全过程试验） 强震观测（研究地震动特性，地震危险性分析包括结构的地震反应特性）已建立 了初步规模的观测网点和数据处理系统，例如 SMART1，SMART2 等；正在建设的中 国数字地震观测网络。 动力学（结构动力学、土动力学、波动理论、随机振动等） （3）大厦的楼层 抗震工程包含的内容 一层：地震小区划/工程场地安全性评定（安评） 二层：一般的抗震设计规范（例如，GB50012001） 三层：特种结构的抗震设计（超高层（300m） 、核反应堆、大坝、大跨桥梁） 四层：抗震加固（结构使用一定周期后，或

7、根据新规范或标准提高抗震等级，震后加固） 抗震工程： 利用工程手段解决地震灾害的一门学科， 也是研究地震对工程的影响及防护 的学科。 1.3 教学内容 工程的地震环境包括地震学基础知识，地震波动理论，地震地面运动（主要是强震地 面运动） 。 结构抗震地震作用下的结构性能（主要通过震害调查和试验了解） 地震反应计算 （反应谱法、 动力时程方法、 静力弹塑性 (Push-over)分析方法） 抗震设计理论和方法（抗震结构体系，抗震设计要点） 结构减震基础隔震、耗能减震、结构被动控制和结构主动控制。 2 抗震工程概论教案 第 1 讲 参考书目： 沈聚敏，周锡元，高小旺、刘晶波，抗震工程学，中国建筑工

8、业出版社，2001 年 胡聿贤：地震工程学( 第二版) ，地震出版社，2 0 0 6 年 胡聿贤主编：地震安全性评价技术教程，地震出版社，1999 年 龚思礼主编：建筑抗震设计手册（第二版） ，中国建筑工业出版社，2002 年 期刊目录： Earthquake Engineering and Structural Dynamics Response Spectrum 地震工程与工程振动 建筑结构学报 土木工程学报 3 抗震工程概论教案 第 1 讲 第一部分： 工程的地震环境 ? 工程的地震环境Earthquake Environments ? 地震环境主要是地震动问题强震地面运动（Strong

9、 ground motion） ? 强震对人或工程可能造成损害、破坏的地震 4 抗震工程概论教案 第 1 讲 第 2 章 地震学基础知识 2.1 与地震震源有关的术语 震源（Hypocenter，Source，Focus，Center） ：地壳深处岩石发生断裂、错动的地方，即一次 地震时应变能释放区。 震中（Epicenter，Epifocus） ：震源在地表的投影点。 R 场地 h：震源深度 r：震源距 震中震中距 震源 图 2.1 震源、震中示意图 断层：地震形成的地壳岩石中的大断裂面（可达到几十几百公里长） 。 地震时破裂开始于断层面上的一个点或一个局部，然后向四周扩展。 实际上震源不是

10、一个点，而是具有相当尺度（大小）的破裂面，与地震的大小有关。地 震学在研究中采用三种震源模型（理论模型） ： 点源：中小震（M6） ，断层长度：几十到几百公里； 面源：中大震（M6） ，断层长度：几十到几百公里。 对一次地震震源（的位置） （Hypocenter）认为是断层上首先破裂的那个点（的位置） 。 能量中心：能量释放中心，一般是断层破裂面的几何中心。 小震：震源能量中心。 大震：震源和能量中心不重合。 能量中心 断层破裂后长度几百公里 竖向1530公里 震源 图 2.2 断层、能量中心示意图 5 抗震工程概论教案 第 1 讲 地震的三要素： 发震时间时间 发震地点空间：震中位置（经度，

11、纬度）震源深度 地震大小强度 对已发生的地震，实际的震中、震源位置的确定会有几公里到几十公里的误差，极个别 的可能存在百公里的误差。 一个地震由下列参数定义：时间、空间、强度、简称时、空、强三要素。对一个已发生 地震的确定需要给出三要素，在地震预报中预报一个地震也需要确定这三个要素。 根据震源深度的划分，地震可以分为： 浅源地震（shallow focus earthquake） ：震源深度，h 后才P波波速。 图 会出现。其中为震中距，h为震源深度，cR和cP分别为Rayleigh和 3.8 体波的入射角与震中距和震源深度h的关系 h 震源 7 抗震工程概论教案 第 2 讲 在弹性半空间。

12、R0.5g时，av/1.0，甚至竖向值可能超过水平值， 例如 还与工程场地的性质等都 有关 的ap大于软土场地的ap； 场地的ap。 丰富。土层滤波，容易滤去高频 分量 、地面运动的频谱 根据地面运动振幅的大小，很难全面解释震害现象。例如，1962 年墨西哥地震，墨 西哥 ， 通称为频谱。 地震工程中常用的频谱有三 种： 氏谱（Fourier Spectrum）研究分析中常用，特别是理论研究中； 多。 1）付氏谱（Fourier Spectrum） 行波都可以表示成一组简谐波的叠加， ah Imperial Valley EQ（1979，M=6.6） ，av=1.74g ，ah=0.72g。

13、地震动峰值加速度的大小不但与地震的大小以及震中距有关， 系，例如： 近场：基岩上 远场：正好相反，即基岩上的ap小于软土 原因：近场，地震动的高频分量丰富；远场，低频分量 ，而加速度受高频分量影响较大。 2 仅 市离震中 280Km，地震动峰值加速度仅为 0.05g，却造成非常严重的震害（墨西哥市坐 落于深厚软土沉积湖之上） 。而在许多小震级地震中发现，震中区地震动加速度可达 0.5g 或 更大，而基本上无震害发生。这说明除地震动振幅外，还有其它对结构破坏起重要作用的因 素，地震动的频谱特性是另外一个重要因素。 凡是表示一次振动中幅值与频率的关系曲线 付 反应谱（Response Spectr

14、um）抗震工程中广泛应用； 功率谱（Power Spectrum）结构随机振动分析中使用较 （ 前面讲到地震波动时知道任一 x c x ti)( 1 deU c tu =)( 2 )( 当x=xi时，行波解为该点的振动，简谐波成为简谐振动，即任意一个振动都可以表示成一组 简谐振动的叠加。 5 抗震工程概论教案 第 4 讲 同理，对于任一给定的地震动时程 a(t)，总可以把它看作是许多不同频率的简谐振动的 组合 变换的基本思想是用周期函数的组合表示非周期的复杂函数， 对于一个复杂的地震 动过 。 付氏 程 a(t)，可以按付氏变换表示成不同频率的简谐振动的组合 deAta ti =)( 1 )(

15、 2 而 A()即为a(t)的付氏谱。 为付氏变换对，由付氏变换的性质可知A()与a(t)一一对应。 dtetaA ti = )()( 以上给出的两个公式即 一般情况下，A()是复函数，可以表示成 )( )()( i eAA= |A()|A()的模，称为a(t)的幅值谱，是实函数； 。 2）反应谱（Response Spectrum） 来的， 它通过单质点体系的反应来描述地震动的特性。 ()A()的相角，称为a(t)的相位谱，也是实函数 （ 反应谱的概念是1940年前后提出 u M k y u(t) u+ug ug 图5.7 单质点体系及位移 单质点体系的质量和刚度分别为M和K，自振频率为，阻

16、尼比为，在支撑处受到 地震 位移。 g ? ? ? 设 动加速度时程a(t)的作用，记 u(t)结构相对位移； ug(t)地面位移； u(t)+ ug(t)结构绝对 单质点体系的运动方程为 M)()()()(tuMtKutuCtu=+ 阻尼系数C=2M。 学中单质点体系反应分析中的Duhamel积分法，或其它时域逐步积 分法 由此可以定义相对位移反应谱Sd，相对速度反应谱Sv和绝对加速度反应谱Sa如下： 可以采用结构动力 ，根据给定的地面运动加速度时程a(t)求得结构的相对位移u(t)、相对速度 )(tu?和绝对 加速度)()(tutu等。 g ? ? ?+ 6 抗震工程概论教案 第 4 讲 max )(),(tuS=相对位移反应谱； d max )(),(tuSv?=