工程地震与结构抗震(8)-地震的仪器监测

1、地震的仪器监测 一、地震仪器包括两大类：一、地震仪器包括两大类： (1) 地震仪地震仪：供地震工作者使用，目的在于确定地震震源：供地震工作者使用，目的在于确定地震震源的地点和力学特性、发震时间和地震大小，从而了解震的地点和力学特性、发震时间和地震大小，从而了解震源机制、地震波所经过的路线中的地球介质及地震源的源机制、地震波所经过的路线中的地球介质及地震源的特性和传播规律。特性和传播规律。 以观测世界性的地震或弱震为主，此外，研究内容还涉以观测世界性的地震或弱震为主，此外，研究内容还涉及地球的内部结构、监测核爆炸。开展的较早，约在及地球的内部结构、监测核爆炸。开展的较早，约在20世纪初形成系统。

2、世纪初形成系统。 2 (2) 强震仪或强震加速度仪：强震仪或强震加速度仪：供抗震工作者使用，供抗震工作者使用， 目的在于确定强地震时测点处的地震动和结构振动反应，目的在于确定强地震时测点处的地震动和结构振动反应，确定强地震时测点处的地震动和结构振动反应，以便了解确定强地震时测点处的地震动和结构振动反应，以便了解结构物的地震动输入特性，结构物的抗震特性，从而为抗结构物的地震动输入特性，结构物的抗震特性，从而为抗震设计提供数据。震设计提供数据。 二种仪器的性能不一样。二种仪器的性能不一样。3 (3) 候风地动仪候风地动仪验震器验震器 通常的仪器要求有较大的通常的仪器要求有较大的稳定程度稳定程度，以

3、免翻倒，然而减，以免翻倒，然而减小物体的稳定程度有时也有意义，这就需要减小支面和升高小物体的稳定程度有时也有意义，这就需要减小支面和升高重心。我国汉代科学家张衡重心。我国汉代科学家张衡(78-139)在公元在公元132年利用减小稳年利用减小稳定程度的原理制成了测定地震震源方向的灵敏仪器定程度的原理制成了测定地震震源方向的灵敏仪器候风候风地动仪。地动仪。 候风地动仪是用青铜铸成的，直径八尺，外壁上均匀分候风地动仪是用青铜铸成的，直径八尺，外壁上均匀分布着八条龙，龙嘴里含着小铜球，龙头各向一方。在龙头下布着八条龙，龙嘴里含着小铜球，龙头各向一方。在龙头下面的地上蹲着八个昂首张口的铜蛤蟆，龙嘴里含着

4、的小铜球面的地上蹲着八个昂首张口的铜蛤蟆，龙嘴里含着的小铜球落下时，能正好落到蛤蟆嘴里。落下时，能正好落到蛤蟆嘴里。 4 候风地动仪内部的中央有一根竖立的铜柱，叫做柱摆，原名都柱。候风地动仪内部的中央有一根竖立的铜柱，叫做柱摆，原名都柱。都柱的都柱的重心高重心高、支面小支面小，因此，因此稳定程度很小稳定程度很小，受到轻微的振动就容易倾斜。，受到轻微的振动就容易倾斜。当某地发生地震时，从震源区传来的震动使都柱的下部发生微小的移动，当某地发生地震时，从震源区传来的震动使都柱的下部发生微小的移动，都柱的上部由于惯性而倒向震源的方向。都柱倾倒时，推动这个方向的杠都柱的上部由于惯性而倒向震源的方向。都柱

5、倾倒时，推动这个方向的杠杆，使相连的龙嘴张开，于是龙嘴里的小铜球就落到它下面的蛤蟆嘴里。杆，使相连的龙嘴张开，于是龙嘴里的小铜球就落到它下面的蛤蟆嘴里。所以，看到哪个龙嘴里的小铜球下落，就知道哪个方向发生了地震。所以，看到哪个龙嘴里的小铜球下落，就知道哪个方向发生了地震。 张衡张衡在当时的首都洛阳曾准确地测到了甘肃发生的地震。候风地动仪是世界上在当时的首都洛阳曾准确地测到了甘肃发生的地震。候风地动仪是世界上最早的测量地震的仪器。最早的测量地震的仪器。5二、仪器构造（示意图）二、仪器构造（示意图） 6 地震仪一般必须记录振幅小到地震仪一般必须记录振幅小到10-9米的地震波，相米的地震波，相当于气

6、体分子的大小。这些相对运动过去是借助机械方当于气体分子的大小。这些相对运动过去是借助机械方法放大，比如，借助一系列相连的法放大，比如，借助一系列相连的机械杠杆或者光杠杆机械杠杆或者光杠杆（从远处将光点投影到记录面上）放大它的运动。（从远处将光点投影到记录面上）放大它的运动。 在现代地震仪中，摆与框架之间的相对运动会产生在现代地震仪中，摆与框架之间的相对运动会产生一个一个电信号电信号，这个电信号被放大几千倍甚至几万倍，然，这个电信号被放大几千倍甚至几万倍，然后驱动电针记录到敏感的记录纸上。地震仪摆的电信号后驱动电针记录到敏感的记录纸上。地震仪摆的电信号也能被记录在磁带上或以数字的形式储存在计算机

7、中。也能被记录在磁带上或以数字的形式储存在计算机中。 7现代地震仪原理现代地震仪原理 8 中国第一台现代地震观测仪器中国第一台现代地震观测仪器 李善邦研制的测震仪李善邦研制的测震仪 1943北碚北碚 9传感器汇总传感器汇总 slj三分量加速度计三分量加速度计sw大位移计大位移计2000-1拾振器拾振器 10地震仪器地震仪器 11 苏州市数字地震台网子台站，仪器设备为苏州市数字地震台网子台站，仪器设备为“TDE324C地震数据采集地震数据采集器器及及TDS单台地震处理系统单台地震处理系统”, 可监测苏州市域内可监测苏州市域内1.5级以上地震信息。级以上地震信息。 仪器房仪器房 地震数据采集器、地

8、震数据采集器、不间断电源不间断电源地震计地震计 12测震仪器测震仪器 STS-1甚宽频带仪器:频带宽度为360 s - 8.5 Hz STS-2宽频带仪器:频带宽度为120 s -40 Hz GS-13短周期仪器:1 s -30 Hz 记录的波形数据通过卫星实时传输到国家测震台网中心。 13 仪器的工作原理可以由一个单自由度体系的运动方程仪器的工作原理可以由一个单自由度体系的运动方程表示：表示：式中设式中设xg(t)为地面运动，为地面运动， x(t)为拾振器摆相对于地的位移为拾振器摆相对于地的位移（速度、加速度）（速度、加速度），即仪器记录。，即仪器记录。)1()()()()(txmtkxtx

9、ctxmg 14(1)式可简化为：式可简化为： 式中：式中： 称为摆的自振频率称为摆的自振频率 称为体系的阻尼比称为体系的阻尼比.)2(22gxxxx mk/kmcmc2215 地震仪和强震仪的地震仪和强震仪的差别差别，在原理上，就在于，在原理上，就在于自振频率自振频率和阻尼比这两个系数的选择不同和阻尼比这两个系数的选择不同。 当这两个系数的大小选择不相同时，（当这两个系数的大小选择不相同时，（2）式左端三项）式左端三项中的某一项可以远大于其它两项，从而使仪器记录摆的中的某一项可以远大于其它两项，从而使仪器记录摆的相对位移、速度或加速度与地面运动加速度成正比，则相对位移、速度或加速度与地面运动

10、加速度成正比，则仪器记录到摆的相对位移就分别为地面运动的仪器记录到摆的相对位移就分别为地面运动的加速度、加速度、速度和位移速度和位移。16令地面运动为：令地面运动为：)3(sintXxggg)1212(tan)1212(tan1sin 4)1 (1 )12(tansin4)1 ()(22212212222222122222utuueuXuutuuuXtxtggg则方程则方程(2)的解为的解为(第一项相当于强迫振动，第二项固有振动对第一项相当于强迫振动，第二项固有振动对于一定的于一定的u和和，可以忽略自振影响，可以忽略自振影响)：17/gu )1212(tan)1212(tan1sin 4)1

11、(1 )12(tansin4)1 ()(22212212222222122222utuueuXuutuuuXtxtggg其中其中情形情形1情形情形2情形情形312 1/2gu12 1/2gu1 1u18)1/2(tansin) 12(1242111222uguugutXx情形情形1 1/gutXxggsin与地面位移振动差一个符号，与地面位移振动差一个符号，地震仪，阻尼中等。地震仪，阻尼中等。12 2当当19)12(tansin) 12(21214222uutuuuXxgg情形情形2 1/gu)sin(1sinsin22222tXdtdtXtuXxggggggg与地面加速度成正比，与地面加速度成正比，加速度仪，阻尼中等。加速度仪，阻尼中等。12 2当当20