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1、 地震对工程结构的破坏及力学在工2900字 地震对工程结构的破坏及力学在工程抗震方面的应用。陈志丹（地震科学系 0950121班 095012121）【摘要】地震的破坏主要包括对地质环境的破坏和人工结构的破坏。前者主要包括地表破坏、滑坡、崩塌、泥石流等等。后者主要包括各种房屋、构筑物和交通、电力等生命线工程的破坏。本文主要讨论地震对工程结构的破坏。通过对地震发生机制的分析，特别是对强地震动的讨论，大致阐述地震对工程结构的破坏。然后对几种典型的工程结构，如砌体结构、钢筋混凝土结构、框架结构，进行粗略的力学分析，得出其在地震中的受损情况。最后结合现代力学的发展阐述了力学在工程抗震方面的应用。【关键
2、词】地震波 强地震动 工程结构 工程抗震1、 地震发生机制。地震是在内动力地质作用下，使地壳岩石之间发生相互作用，当积累起来的地应力超过岩石的承受极限时，岩石脆弱的地方发生突然断裂和错动，使长期积累的能量突然释放出来，并以地震波的形式向四周传播，使地面发生震颤。地震是能量的突然释放，地面的震颤是地震波传播的结果。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为557千米秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.24.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，
3、是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。2、强地震动的影响。强地震动是对工程结构有显著影响乃至造成结构破坏的地震动。震害调查和研究表明，强地震动是地震成灾的根本原因之一。强地震动可以通过强震仪进行观测，观测的主要物理量为加速度，能记录地震发生时的地面运动时间过程及结构的地震反映时间过程，为工程地震和结构抗震研究提供基础资料。强地震动主要包括地震动强度、地震动频谱和地震持续时间。表征地震动强度的常用参数是最大峰值或其等效值，如加速度峰值、速度峰值、位移峰值。地震的反映往往不取决于地震动的单个尖锐峰值，但受多种等效峰值的影响，
4、如均方根加速度和有效峰值加速度。速度峰值反映了地震动中频分量的强度，常作为衡量地震动能量的物理量。位移峰值受地震动的低频分量的控制，与地下工程结构的地震反映与地震动位移密切相关。地震动频谱是组成地震动的各简谐振动的振幅和相位，反映了地震动的动力特性。若地震动的某个简谐分量频率和体系固有频谱相同，将引起共振，是造成结构破坏的主要原因。地震动的持续时间有长有短，在结构进入非线性阶段后，地震动持续时间的长短对结构的最终损伤程度又重要影响，持续时间越长，造成积累损伤的可能性越大。在工程抗震中，往往特别关注强地震动的持续时间的影响。3、 几种典型的工程结构。3.1、砌体结构。砌体结构是用砖砌体、石砌体或
5、砌块砌体建造的结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力，而很少受拉或受弯。砌体结构自重大、体积大，砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱，因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。砌体结构的抗震性能较差，容易出现墙体开裂、房屋局部倒塌或整体倒塌、建筑构件破坏等。3.2、钢筋混凝土剪力墙结构。剪力墙结构是指由钢筋混凝土现浇而成的墙体。剪力墙结构全部由剪力墙组成建筑物的骨架，能承受竖向荷载和风，地震等水平作用的结构。剪力墙结构承载能力高，刚度大，但对变形控制最严。当地震发生时，剪力墙结构中的一些的薄弱的连接结构先发生破坏，从而减轻了对剪力墙的
6、破坏，避免了房屋倒塌，成为了剪力墙结构的第一道防线。剪力墙的破坏方式主要有两种，分别是剪切破坏和弯曲破坏。在剪力墙结构中，剪力墙是承载和抗震的主要的构件。因此加强对剪力墙的正确施工尤为重要。3.3、框架结构。框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。框架结构自重轻，有利于抗震，节省材料；框架结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。但框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用
7、下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性。鉴于此，框架结构设计应遵循“强柱弱梁”的原则，即在地震发生时，以梁作为“牺牲品”去吸收地震的能量以保护柱子，提高建筑的支撑能力，提高抗震性能。4、力学在工程抗震中的应用。4.1、场地的选择、分析及合理施工。从原理上分析，在岩层中传播的地震波，本来有多种频率成分，其中在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期为地震动的卓越周期。在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大，而一些波群将被衰减甚至过滤掉。这样，地震波通过土层后，由于土层的过程特性与选择的放大作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有
8、周期。当建筑物的固有周期与地震动固有周期相近时，建筑物的振动会加大，相应的地震受灾程度也会加重。因此，在建设施工过程中，选择合理的建筑材质及正确施工尤为重要。4.2工程结构的抗震优化。通过对几种典型的建筑结构的分析，可以看到它们各自的局限性。但由于固体力学、材料力学等相关学科的不断发展，可以通过优化抗震设计，从而达到对工程的抗震优化。一般有以下几种措施：1、 选择有利的房屋外形。2、 选择合理的结构材料。3、 提高结构的抗震性能的措施。4、 加强结构整体性和控制结构性能。5、 减轻房屋自重及妥善处理非结构构件。【结语】任何建筑物的建成都要经历各种自然力的考验，特别如地震这类具有强大破坏力的自然
9、力。在考虑到它时必须要更多地顾及抗震结构，提高建筑物的抗震能力。力学作为一种自然科学，其发展对于推动建筑行业的改进具有重要意义，使得我们在有限的资金范围之内，能最大限度的发挥建筑物的功能。其任务是研究作用在结构或构件上力的平衡关系，构件的承载能力及材料的力学性能，为保证结构或构件安全可靠及经济合理提供理论基础和计算方法。力学靠科学的力量将建筑的安全性和经济性有效的结合起来，为人们提供更稳定，更安定的居住环境。【参考文献】叶俊林 黄定华 张俊霞. 1994. 地质学概论 北京：地质出版社张敏政. 2010. 地震科学基础M. 河北：防灾科技学院试用教材黄卫. 2008. 房屋抗震知识读本M. 北
10、京：中国建筑工业出版社李国强 李杰 苏小卒. 2009. 建筑结构抗震设计M. 北京：中国建筑工业出版社李爱群 高振世. 2004. 工程结构抗震设计M. 北京：中国建筑工业出版社杜太生. 2003. 砌体结构M. 北京：科学出版社杨林霞 丁小军. 2007. 混凝土结构设计原理和学生指南M. 北京：机械工业出版社张曦. 2006. 建筑力学M. 中国建筑工业出版社第二篇：地下结构工程抗震的研究现状及其分析方法 7300字地下结构工程抗震的研究现状及其分析方法 摘要随着地下工程的大量兴建和地震自然灾害的频发，地下结构工程的震害问题越来越受到人们的重视。文章根据地下结构工程抗震的研究背景，对国内
11、外在隧道及地下工程抗震减震研究分析方面的成果进行了归纳总结，指出了各自存在的优势及局限性。最后简单阐述了地下结构抗震反应的特点，结构破坏的主要特征及提高结构抗震的措施，并提出了自身对今后该领域研究发展方向的看法与思考。关键字：地下结构，抗震，现状研究，分析方法1 研究背景地震是自然界一种常见的自然灾害。过去，由于地下结构数量和规模的限制，其震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。因此人们普遍认为地下结构有较好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破坏，故地下结构的抗震研究长期未得到重视。然而，随着地下空间的开发和地下结构建设规模的不断扩大，地下结构也相继出现了
12、各种震害。1923 年日本关东7. 9 级大地震，震区内116 座铁路隧道，有82 座受到破坏；1952 年美国加州克恩郡7.6 级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重，1978 年日本伊豆尾岛发生7.0 级地震，震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列破坏。特别是1995 年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构遭受最严重破坏的首例。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震设计和研究的重视。我国地处地震带之间，地震活动频繁。1999 年9 月21 日，我国台湾省台中地区发生了里氏7 . 3 级
13、地震，台中地区57 座山岭隧道有49 座受到不同程度的损坏；200 8 年汶川特大地震中，根据四川省交通厅公路规划勘察设计研究院的调查统计，四川地区共有56 条隧道受到不同程度的损坏，损坏程度如图所示：1图1 地震中公路隧道受损评估统计结果根据国内外学者大量的研究结果，地下结构震害类型及原因可归纳为以下四类2-3: 第一类是由断层所引起，造成地层的错动和位移，致使地下结构遭到严重破坏。第二类是由地震引起的土壤振动，使地层产生位移和地震力，作用在结构上，使结构产生应力和变形。第三类是由结构本身的特性( 如结构强度，材料性质) 导致其在地震力作用下的破坏。最后一类是由地震引起的其他不稳定因素( 砂
14、土液化、软化震陷等) 造成的对地下结构的破坏。由于对地下结构地震作用机理了解还不深入，通过理论分析和数值计算进行抗震设计尚无成熟方法，因而，依据以往经验采取适当抗震措施，仍是进行地下结构抗震设计的主要手段。相比于地上结构的抗震研究，地下结构的抗震研究仍处于起步阶段，很多研究方法及理论还不是很成熟。2 地下结构工程抗震分析方法的发展地下结构工程抗震分析的方法是基于地面建筑结构的抗震理论发展而来的， 20世纪50年代以前， 国内外地下结构的抗震设计大多以日本大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构的地震作用力。60年代初， 前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构， 以此求解均匀介质中关于单
15、连通和多连通域中的应力应变状态， 得出了地下结构地震作用的精确解和近似解4， 即拟静力法。60年代末， 美国对地下结构抗震问题进行了深入的研究， 他们提出了地下结构并不抵御惯性力， 而要具有吸收强加变形的延性， 同时不散失其承受静荷载能力等新的设计思想， 并提出了相应的抗震设计标准。70年代， 日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验等手段， 建立了数学模型， 并结合波的多重反射理论， 提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法， 使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。80年代美国在洛杉矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。80年代末90年代初， JPW
16、olf和CMSong又提出了递推衍射法5。3 地下结构工程抗震分析方法的研究现状对地下结构的抗震分析， 就是对土与地下结构相互作用的动力分析。目前地下结构抗震分析的主要研究方法有： 原型观测、模型实验和理论分析。3.1 原型观测原型观测是通过地下结构在震后的变形破坏特征和实测的动力特性了解其地震响应特点。主要包括震害调查和地震量测。震害调查是在地震结束后开始的，体现的是最真实的“原型试验”结果，一直受到人们的重视，关于这方面的资料也在不断增加。但是由于受到观测时间、手段和条件的限制，很难对地震过程中的动力响应进行量测。而地震量测可以得到震害调查所无法获知的地下结构在地震时的动力响应过程。日本学者在该方面做了大量的工作，也得到了一些初步认识6-7
