荷载与结构设计方法（6）

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1、第4章 地 震 作 用,返回总目录,地震的有关知识 地 震 作 用 多质点体系的地震作用 习题与思考题,本章内容,一、地震的产生和类型 地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌(陷落地震)、大陨石冲击地面(陨石冲击地震)等。 人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水

2、库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震,地震的有关知识,为了减轻或避免地震带来的损失，就需要对地震有较深入的了解，研究如何防止或减少建(构)筑物由于地震而造成的破坏。本节先就地震的有关基本知识进行简要介绍。 一、地震的产生和类型 地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌(陷落地震)、大陨石冲击地面(陨石冲击地震)等

3、。 人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。 二、地震成因 引起构造地震的成因与地球的构造和地质运动有关，地球的构造如图4.1所示。,地震的有关知识,图4.1 地球的构造,地壳是由各种结构不均匀、厚薄不一的岩层组成。地球上绝大部分地震都发生在这一层薄薄的地壳内。 地幔主要是由两部分构成：外部主要是 4070km 厚的结构较均匀的质地坚硬的橄榄石岩层，内部是厚度约几百公里呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。 到目前为止，所观测到的地震深度最深为700km，即地震仅发生于地球表面部分地壳内和地幔外部。

4、由地质勘探可知，地表以下越深，温度越高。经推算，地壳以下地幔外部的温度大于1000，在这样的高温下，地幔的物质变得具有流动性，又由于地幔越往地球内部温度越高，构成地幔热对流，引起地壳岩层的地质运动。除地幔热对流外，地球的公转和自转、月球和太阳的引力影响等，也会引起地质运动，但目前普遍认为地幔热对流是引起地质运动的主要原因。地球内部在运动过程中，孕育了巨大的能量，能量的释放在地壳岩层中产生强大的地应力，使原本水平状的岩层在地应力作用下发生变形。当地应力只能使岩层产生弯曲而未丧失其连续完整性时，岩层仅仅能够发生褶皱；当地应力引起的变形超过某处岩层的本身极限应变时，岩层就发生突然断裂和猛烈错动，而承

5、受应变的岩层在其自身的弹性应力作用下发生回跳，弹回到新的平衡位置。在回弹过程中，岩层中原先积累的应变能全部释放，并以弹性波的形式传到地面，从而使地面随之产生强烈振动，形成地震，如图4.2所示，这就是地震成因之一的断层说。,地震的有关知识,二、地震成因 板块学说则认为，地壳和地幔外部厚70100km的岩石层，是由欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块等大大小小的板块组成，类似一个破裂后仍连在一起的蛋壳，板块下面是呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。软流层的热对流推动软流层上的板块做刚体运动，从而使各板块互相挤压、碰撞，致使其边缘附近岩石层脆性破裂而引发地震。板块学说更易于解释

6、地球上的主要地震带主要分布在板块的交界地区的原因，据统计，全球85%左右的地震发生在板块边缘及附近，仅有15%左右发生在板块内部。,地震的有关知识,岩层原始状态 (b) 褶皱变形 (c) 断裂错动 图4.2 构造运动与地震形成示意图,图 4.3 所示的是有关地震的几个术语。震源即发震点，是指岩层断裂处。震源正上方的地面地点称为震中。震中至震源的距离为震源深度。地面某处到震中的距离称为震中距。,地震的有关知识,图4.3 地震术语示意图,地震按震源的深浅分，可分为浅源地震(震源深度小于60 km)、中源地震(震源深度为60300 km)和深源地震(震源深度大于300 km)。破坏性地震一般是浅源地

7、震，发生的数量也最多，约占世界地震总数的85%。当震源深度超过100 km时，地震释放的能量在传播到地面的过程中大部分被损失掉，故通常不会在地面造成震害。我国发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一般为550 km。如1976年的唐山地震的震源深度为12 km。,三、地震分布 地震虽然是一种随机现象，但从对已发生地震分布的统计中仍可得到其呈现某种规律性。由图4.4可见地球上的地震主要分布在环太平洋带(活动最强，约全球地震总数的75%左右发生于此)，阿尔比斯-喜马拉雅带，大西洋中脊和印度洋中脊(约全球地震总数的22%左右发生于此)上。总的来说，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的

8、古板块边缘等构造活动带。图4.5展示了19952001年全球4级以上地震震中分布图。,地震的有关知识,我国地处世界两大地震带的交汇处，因此地震发生频繁，且强度较大。我国的地震分布如图4.6所示，其中台湾地区东部是我国地震活动最强、频率最高的地区。,地震的有关知识,图4.6 我国的强震级地震带及地震活动最强、频率最高的地区分布图,四、地震波、震级及地震烈度 1. 地震波 地震时，将引起周围介质运动，并以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的体波和只限于在地面附近传播的面波。 体波中包含两种形式的波，即纵波(P波)和横波(S波)。 纵波是由

9、震源向外传播的疏密波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故纵波又被称为压缩波或疏密波。其特点是周期较短，振幅较小，波速快。在地壳内的速度一般为2001400m/s(图4.7(a)。 纵波的传播速度可按下列公式计算： (4-1) 式中，E介质弹性模量； 介质密度； 介质的泊松比。 纵波引起地面垂直方向振动。,地震的有关知识,横波是由震源向外传播的剪切波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。横波又被称为剪切波，其特点是周期较长，振幅较大，波速慢，在地壳内的速度一般为100800m/s (图4.7(b)。 横波的传播速度可按下列公式计

10、算： (4-2) 式中，G介质剪切模量。其余同前。 横波引起地面水平方向振动。,地震的有关知识,(a) 纵波(压缩波) (b) 横波(剪切波),当取 =0.25时， 。 由此可知，纵波的传播速度比横波的传播速度要快。亦就是发生地震时，在地震仪上首先记录到的地震波是纵波也被称为“初波”(Primary Wave)或P波，随后记录到的才是横波也被称为“次波”(Secondary Wave)或S波。 横波只能在固体中传播，这是因为流体不能承受剪应力。纵波在固体和液体内部都能传播，由于地球的层状构造特点，当体波经过地球的各层界面时，会发生反射和折射。当投射到地面时，又产生两种仅沿地面传播的次生波面波，

11、即瑞雷波(R波)和洛甫波(L波)。瑞雷波传播时，质点在波的传播方向与地表面法向组成的平面(xz平面)内(图4.8(a)作与波前进方向相反的椭圆形运动，故此波呈现滚动形式，由于其随距地面深度增加其振幅急剧减小，导致地下建筑物较地上建筑物受地震影响较小；洛甫波传播时，将使质点在地平面(xy平面)内做与波的前进方向相垂直的水平方向( y方向)(图4.8(b)，即在地面上做蛇形运动，其也随距地面深度增加而振幅急剧衰减。与体波相比，面波波速慢，周期长，振幅大，衰减慢，能传播到很远的地方。,地震的有关知识,地震的有关知识,图4.8 面波质点振动,图4.9 地震波记录图,地震波的传播速度，以纵波最快，横波次

12、之，面波最慢。纵波使建筑物产生上下颠簸，横波使建筑物产生水平摇晃，而面波使建筑物既产生上下颠动又产生水平晃动，振动方向复杂。当横波和面波都到达时振动最为强烈(图4.9)。一般情况下，面波的能量比体波大，造成建筑物和地表的破坏主要以面波为主。,2.震级 震级是表征地震强弱的量度，通常用字母M表示，它与地震所释放的能量有关。但由于人们所能观测到的只是传播到地表的振动，即地震仪记录到的地震波，因此仅能用振幅大小来衡量地震的等级。 按震级大小可把地震划分为以下几类。 (1) 弱震震级小于3级。如果震源不是很浅，这种地震人们一般不易觉察。 (2) 有感震震级等于或大于3级、小于或等于4.5级。这种地震人

13、们能够感觉到，但一般不会造成破坏。 (3) 中强震震级大于4.5级、小于6级。属于可造成破坏的地震，但破坏轻重还与震源深度、震中距等多种因素有关。 (4) 强震震级等于或大于6级。其中震级大于等于8级的又称为巨大地震。,地震的有关知识,3.地震烈度 地震烈度是指某地区地面遭受一次地震影响的强弱程度。地震震级与地震烈度是两个不同的概念。一次地震，只有一个震级，如同炸弹的装药量是一定的，但烈度对于不同地点却不同，即对于不同地点的影响是不同的，震中距越大，地震影响越小，烈度越低；震中距越小，地震影响越大，烈度越高。震中区的烈度称为震中烈度，震中烈度往往最高。如同炸弹爆炸中心附近破坏力大，而距爆炸中心

14、越远，破坏力越小。震级越大，确定地点上的烈度也越大。 地震烈度是根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象等地震造成的后果进行分类的。目前我国和世界上绝大多数国家都采用12等级划分。,地震的有关知识,4.震级和地震烈度的关系 定性的讲震级越大，确定地点上的烈度也越大；定量的关系只在特定条件下存在大致的对应关系，根据我国的地震资料，对于多发性的浅源地震(震源深度在1030km)，可建立起震中烈度I0与震级M之间近似关系见表4-3。 对应公式为： (4-5) 对于非震中区，利用烈度随震中距衰减的函数关系，可建立的公式为： (4-6),地震的有关知识,一、地震烈度区划与基本烈度 工程抗震为

15、对已有工程进行抗震加固和对新建工程进行抗震设防，我们必须预测某地地震发生的强度大小，一般采用的方法是基于概率统计的地震预测。即将随机发生的地震，根据区域性地质构造、地震活动性和历史地震资料，划分潜在震源区，分析震源地震活动性，确定地震衰减规律，利用概率方法评价该地区未来一定期限内遭受不同强度地震影响的可能性，给出用概率形式表达的地震烈度区划或其他地震动参数，作为抗震设防的依据。 经国务院批准已由国家地震局和建设部于1992年6月颁布实施的中国地震烈度区划图(1990)就是基于这种方法编制的。该图用基本烈度表示各地方存在地震的危险性和危害程度。基本烈度是指：50年期限内，一般场地条件下，可能遭受超越概率为10%的烈度值。该区划图把全国划分为基本烈度不同的5个地区，建筑抗震设计规范(GB 500112001)规定，一般情况下可采用地震烈度区划图上给出的基本烈度作为建筑抗震设计中的抗震设防烈度。 震害经验表明：同一地区不同场地上的建筑物震害程度有着明显差异，局部场地条件对地震动特性和地震破坏效应存在较大影响。建筑抗震设计规范(GB 500112001)规定对做过地震小区划的地区，可采用抗震主管部门批准使用的设防烈度和设计地震动参数。地震小区划就是在大区划(地震烈度区划)的基础上，考虑局部范围的地震地质背景、土质条件、地形地貌，