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1、抗震工程学Aseismic Engineering,孙黄胜 86057590 ,抗震工程学,1 地震工程学概述 2 地震学基础知识 3 工程地震地震作用与灾害 4 结构地震反应分析 5 工程抗震与结构抗震设计 6 几个专题,1 地震工程学概述,1.1 地震灾害简述 1.2 地震工程学的研究内容 1.3 地震工程学的特点,back,1.1 地震灾害简述,地球与地震并存 地震灾害严重 地震灾害频仍 抗震防灾是有效的,back,地震是人类所面临的最严重的自然灾害之一,地震灾害严重,世界地震灾害严重 世界十大自然灾害（据联合国，1947-1980） 热带气旋（飓风、台风）、地震、洪涝、雷暴与龙卷风、雪
2、暴、火山爆发、热浪、雪崩、滑坡、潮汐与海啸 中国是受灾最严重的国家之一 灾重：地震 分布广 成灾比率高,back,地震灾害频仍,灾害日趋频繁 产生自然灾害的直接原因自然现象 产生自然灾害的结构原因 “社会”本身的弱点 灾情日趋严重 城市财富集中 生命线系统的脆弱 近年来的五大自然灾害 火山爆发、地震、风灾、陨石袭击、温室效应,back,地震动 地震地质背景、强震观测、地震动特性、地震动模拟、震害分析 工程结构地震反应 理论分析、抗震试验 抗震减灾理论 抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性分析、震害预测理论、防灾规划、灾害控制理论,1.2 地震工程学的研究内容,back,InputSyst
3、emOutput,1.3 地震工程学的特点,研究基础强震观测、震害经验与试验研究 研究重点地震作用、结构地震反应 研究热点结构非线性与复杂地震动输入 发展方向广泛应用概率论、控制论、规划论,back,2 地震学基础知识,2.1 地球内部构造 2.2 板块构造运动 2.3 地震成因和类型 2.4 几个有关名词 2.5 地震分布 2.6 地震观测与度量 2.7 地震波动理论,back,2.1 地球内部构造,内部构造 物理性质 比重、温度、压力、etc,back,2.2 板块构造运动,板块构造运动学说 六大板块 欧亚大陆板块 太平洋板块 美洲板块 非洲板块 印澳板块 南极板块,back,2.3 地震
4、成因和类型,地震成因 宏观背景板块构造运动 局部机制断层说（弹性回跳说、粘滑说） 地震类型 按成因（构造EQ、火山EQ、陷落EQ、诱发EQ） 按发震位置（板边EQ、板内EQ） 按震源深度（浅源EQ、中源EQ、深源EQ） 按地震序列（主震余震型、震群型、单发型）,主震余震型。主震非常突出，余震十分丰富；最大地震所释放的能量占全序列的90%以上；主震震级和最大余震相差0.72.4级。,震群型。有两个以上大小相近的主震，余震十分丰富；主要能量通过多次震级相近的地震释放，最大地震所释放的能量占全序列的90%以下；主震震级和最大余震相差0.7级以下。,单发型。有突出的主震，余震次数少、强度低；主震所释放
5、的能量占全序列的99.9%以上；主震震级和最大余震相差2.4级以上。,back,2.4 几个有关名词,震源,震中,震源深度,back,震源距,震中距,2.5 地震分布,世界地震带 环太平洋地震带 欧亚地震带 中国地震环境 地震构造运动背景 10个地震区 中国地震的基本特征,back,世界地震带,环太平洋地震带 欧亚地震带,2.6 地震观测与度量,back,地震观测 地震台网、地震仪 地震度量 震级、烈度、地面运动加速度,2.7 地震波动理论,地震波类型 体波（运动特点、对结构作用） 纵波（压缩波P波）（7-8km/s） 横波（剪切波S波）（4-5km/s） 面波（3.8km/s） 瑞雷波（R波
6、） 乐夫波（L波） 地震波动理论,back,3 工程地震（地震作用）,3.1 地震动观测 3.2 震级与烈度 3.3 地震地面运动特性 3.4 地震地面运动模拟 3.5 地震灾害,back,3.1 地震动观测,地震动观测仪器 强震观测台网 强震观测的现状 强震观测记录的作用,back,地震动观测仪器,两种仪器地震仪与强震仪,拾震器,放大器,记录器,二者不同点,二者共同点 运动方程用拾震器的位移表示地面运动,back,强震观测台网,地震动衰减台阵,布设方式：线状布设在发震断层辐射线上 目的：地震动衰减规律、地震传播效应 举例：美国加州,布设方式：布设在某区域内（上百公里） 目的：巨大地区的地震动
7、资料、场地影响 举例：美国阿拉斯加,布设方式：布设在潜在发震断层附近 目的：近场地震动、震源机制 举例：美国圣安德列斯断层台阵,back,布设方式：布设在建筑物不同高度处 目的：结构地震反应 举例：北京饭店、天津医院,布设方式：布设在几十至几百米 目的：地震动的空间相关性 举例：台湾SMART-1、 SMART-2,布设方式：布设在地表及地下几十-200米处 目的：地震动随深度的变化、土结相互作用 举例：日本,区域地震动台阵,断层地震动台阵,结构地震动台阵,地震动差动台阵,地下地震动台阵,强震观测的现状,始于1932年美国 1933年获得首次记录（美国长滩地震） 60年代以前，以结构为主 60
8、年代以后，加强了地表和近地表地震动的观测 1985年，全世界供布设7000台，日美各3000台 全世界已取得可用记录达上万条 世界最大峰值加速度记录2.3g（加拿大） 中国最大地震动记录0.54g（云南）,back,强震观测记录的作用,是地震工程学赖以发展的数据基础 是研究地震动特性的数据基础 是推动地震作用理论发展的重要因素 几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震作用理论的变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析 是结构地震反应分析的输入形式 是推动结构抗震理论进入反应谱阶段和向动力阶段过渡的重要因素,back,3.2 震级与烈度,震级 烈度,back,地震震级,含义一次地震释放能
9、量大小的度量。 多种震级定义 存在问题及未来方向,back,地震烈度,定义 评价指标 地震烈度表 性质 理解分歧 影响因素及规律 关于取消烈度,back,地震对地表及工程结构影响的强弱程度,人的感觉 物体反应 结构破坏 自然现象,多指标的综合性 分等级的宏观性 以后果表示原因的间接性,侧重点差异 地震学：地震破坏后果 抗震：地震作用强弱 烈度与地震动参数关系,烈度影响因素及规律,烈度影响因素 震源M 传播途径与震中距R 场地条件S 其它 烈度衰减规律 震级与震中烈度的衰减关系 I0=f(M,h) ex. M=0.58I0+1.5 烈度衰减关系 I=f(I0,R,S) 圆形等震线 椭圆形等震线,
10、back,震源位错引起的地基变形 震源体释放的振动能量 破裂传播方向多普勒效应,地质构造的不均匀性 传播距离的远近 方位,场地土基岩低，软土高 断层发震高，非发震？ 局部地形鞭梢效应,关于取消烈度,争论与原因 烈度具有多指标的综合性，与单一地震动参数本身就不具有良好对应关系 依照烈度进行抗震设计，在反应谱理论中容易引起概念上的混淆 烈度是分等级的，地震作用成倍数关系 烈度具有以后果表示原因的间接性，是“危害性”而非“危险性”，抗震设防则恰恰以后者为依据,back,烈度作为地震破坏程度的一个度量是合适的，但却不适宜于衡量地震作用。,我国的做法 取消烈度作为抗震设防依据，采用地震分区作为抗震设防依
11、据，设计时直接采用地震动参数,3.3 地震地面运动特性,back,幅值特性 频谱特性 持时特性 空间相关性,幅值特性,back,幅值某种物理量（如加速度、速度、位移中的任何一种）的最大值或某种意义下的等代值,多种定义 峰值 有效峰值 持续加速度 等反应谱有效加速度 概率有效峰值 静力等效加速度,简要评价,等效简谐振幅 平均振幅 Arias强度 均方根加速度 谱强度,多种幅值定义,back,频谱特性,三种谱表述方法 简要评价,back,三种谱表述方法,傅立叶谱 功率谱 反应谱,back,傅立叶谱,傅立叶变换,back,反应谱,单自由度弹性体系的地震反应 反应谱的定义 反应谱的性质 反应谱的种类
12、反应谱的影响因素及规律,back,单自由度弹性体系的地震反应,单自由度弹性体系 运动微分方程 受力分析 恢复力虎克定律 阻尼力瑞雷阻尼 惯性力牛顿第二定律 方程建立达朗贝尔原理 运动微分方程的解答,back,运动微分方程的解答,通解（自由振动）,back,特解（强迫振动，Duhamel积分）,输入过程的离散化,back,dT,T,最大反应及简化,-相对位移反应谱,-拟速度反应谱,-拟加速度反应谱,反应谱的定义,单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线,back,Sa(e, T1) Sv(e, T1) Sd(e, T1),xg(t),Duhamel 积分,s
13、(t)= f(xg, e, T1),Max,e T1,e Ti,Sa(e, Ti) Sv(e, Ti) Sd(e, Ti),Duhamel 积分,s(t)= f(xg, e, Ti),Max,T,Sy,T1,Ti,Response spectra of Taft wave,反应谱的性质,结构反应特点 低频（长周期）系统（=10Hz） SaPGA 反应谱性质 反应谱由中频段的放大区和两端的极限区三部分构成 伪谱的性质 Sa=wSv=w2Sd,back,T,高频,中频,低频,动力放大系数 Ba=Sa/PGA Bv=Sv/PGV Bd=Sd/PGD,El Centro （1940）Taft （195
14、2）Artificial,反应谱的影响因素及规律,地震动方面 震级 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移 震中距 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移 场地 场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移 结构方面 阻尼比 阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑 结构周期 三段特性,back,持时特性,一般特征 多种定义 简要评价,back,地震动的空间相关性,问题的由来 相关性类别 相关性描述 简要评价,back,问题的由来,建筑结构 扭转问题 大底盘 深基础 生命线工程 扭转问题 大跨度 空间伸展,back,相关性类别,同一地点多维地震动分量之间的相关性 水平与水平 竖向与水平
15、 不同地点地震动的相关性空间相关性 不同地理位置之间地震动的相关性 同一地理位置不同深度处地震动的相关性,back,相关性描述,信号角度 相关函数矩阵 工程应用角度 幅值特性 频谱特性 持时特性,back,3.4 地震地面运动模拟,问题的提出 地震动随机模型 地震波反演技术,back,3.5 地震灾害,地表破坏 结构物破坏 几个震害实例,back,4 结构地震反应分析,4.1 结构地震反应分析方法的发展 4.2 抗震结构模型化 4.3 地震动输入 4.4 结构地震反应分析方法,back,back,4.2 抗震结构模型化,地震中的结构行为 抗震结构动力分析模型 结构构件动力性能及其模型化 结构阻
16、尼特性及其模型化,back,抗震结构动力分析模型,层模型 层间剪切模型 层间弯曲模型 层间剪弯模型 刚片模型 杆系模型 平面杆系模型 空间杆系模型 有限元模型,几点说明 分析目的与模型 结构行为与模型 线性结构 非线性结构,结构构件动力性能及其模型化,试验 混凝土构件 梁 柱 节点 抗震墙 钢构件 梁 柱 砌体构件,几点说明 分析目的与模型 结构行为与模型 线性结构 非线性结构,back,1楼顶位移时程2支座位移时程3支座滞回曲线,4 建筑抗震设计原则和基本要求,4.1 建筑抗震设防目标与标准 4.2 概念设计与基本要求,back,4.1 建筑抗震设防目标与标准,抗震设防及其思想 设防依据 设防目标及其实现 建筑类别与设防标准,
