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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
2、仪 强震仪是记录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
3、据 时间等有关信息按照设定的方 式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 0001 2g的加 速度值 模数
4、转换器的二进制位数 bit 为12位 以上 频率响应 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 04 20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 5 1 1 1 电流计记录
5、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50dB 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
6、仪的时标精度可达5 10 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
7、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700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
8、 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
9、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 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 振动动波形 零线线和时标时标 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 固态数字仪 原始记录 盒式数字
10、磁带 仪 原始记录 感光相纸 原始记录 胶片 负片 原始记录 数据回放格式转换数字化采样 数字化 记录校正 计算速度 位移 产品数据入库 计算反应谱 傅立叶谱 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 是工程地震研究的目标 宽频带型 是常见的地震动时程 一般得自中等距离的坚硬土层场地 没有突出 的优势分量或频率 埃尔森特罗强震记录 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
11、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
12、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 2 2 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
13、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 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DI
14、S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
15、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1 2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
16、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 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
