地震工程学讲义

绪论地震与地震动地震是一种自然现象，每年平均发生500万次左右的地震，绝大多数很小，不可以用灵敏仪器测量的约占99%；可以感觉到地为1%，其中，5级以上的强烈地震约1000次左右，能造成严重破坏的大地震（>7%），平均每年大约发生18次。地震给人类带来灾难，给人类社会造成不同程度的伤亡事故及经济损失。如在20世纪，前80年（1900—1980）全球因地震造成的死亡人数高达105万人，平均每年死亡1.3万人。1990年伊朗鲁德巴尔地震造成5万多人丧生。1995年日本阪神地震紧急损失高达960亿美元就是例证。为了抗御与减轻地震灾害，有必要进行建筑工程结构的抗震分析与抗震设计。1、1、1地震类型与成因地震地震诱发地震：主要用于人工爆破、矿山开采及工程活动（如兴建水库）所引发的地震，一般不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成严重的地震灾害。天然地震构造地震：由地壳构造运动所产生，次数多，占地震发生总数约90%，释放的能量大，影响范围广，造成的危害严重。火山地震：由火山爆发所引起。陷落地震：由于地下空洞突然坍塌而引起。强度低，影响范围小。地震工程研究的主要对象是构造地震。对于构造地震，可以从宏观背景和局部机制两个层次上揭示其具体成因。宏观背景：地球的构造：R=6371Km约6400Km包括：地壳、地幔与地核。地壳有各种不均匀的岩石组成，出地面的沉积层外，陆地下面的地壳主要为：上不是花岗岩层，下部为玄武岩层；海洋下面的地壳一般只有玄武岩层，革除厚薄不一。世界上大部分地震都发生在这一薄薄的地壳内。地幔主要有质地坚硬的橄榄眼组成，它具有粘弹性，由于地球内部放射性物质不断释放能量，从地下20Km~700Km，地球内部温度有大约600℃~2000℃，在这一范围内的地幔中存在着厚约几百公里的软流层，物质对流，地球内部的压力也不均衡，900Mpa~370000Mpa，地幔内部物质在热状态和不均衡压力作用下缓慢的运动着，即可能为地壳运动的根源。地核是地球的核心部分，分为外核（厚2100Km）和内核，其主要构成物质是镍和铁。据推测，外和可能处于液态而内核可能是固态。通常认为，地球最外层是有一些巨大的板块组成，（六大板块和若干小板块），六大板块即欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。板块向下延伸的深度大约为70~100Km，由于地幔物质的对流，板块也相互运动，板块的构造运动，是构成地震产生的根本原因。局部机制：地球板块在运动过程中，板块之间的相互作用力会是地壳中的岩层发生变形，当这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处岩体就会发生突然断裂或错动，从而引起地震。由于岩层的破裂往往不是演一个平面发展，而是形成有一系列裂缝组成的破碎地带，沿整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡，因此，再一次强力地震（即主震）之后，岩层的变形还有不断的零星调整，从而形成一系列余震。地震往往发生在地应力比较集中，构造比较脆弱的地段，即原有断层的断点或转折点处，不同断层的交汇处。震源：地球内部断层错动并引起周围介质震动的部位。震中：震源正上方的地面位置。震中距：地面某处至震中的水平距离。浅源地震（<70Km）85%中源地震（70~300Km）12%深源地震（>300Km）3%1、1、2地震波地震波：地震引起的震动以波的形势从震源向各个方向传播并释放能量。体波：在地球内部传播的波。面波：沿地球表面传播的波。纵波（P波）：介质质点震动的方向与波的前进方向一致。（压缩波或疏密波、初级波）横波（S波）：介质质点震动方向与波的前进方向垂直。（剪切波或次级波）纵波：一般周期较短振幅较小，在地面上引起上下颠覆运动。横波：一般周期较长振幅较大，引起地面水平方向的运动。面波面波瑞雷波（R波）：传播时，质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内做逆向的椭圆运动，（产生类似于海浪的周期性运动），它是形成地面晃动的主要原因。乐夫、乐甫波（L波）：传播时，质点在与波的前进方向垂直的水平方向运动，在地面上表现为蛇形运动。这两种波的振幅均随距地表深度的增加而减小。面波振幅大、周期长，比体波衰减慢，可以传播到很远的地方。乙类建筑按设防烈度进行抗震计算，但在抗震构造措施上提高一度考虑。丙类建筑按设防烈度进行抗震计算及抗震构造。丁类建筑按设防烈度进行抗震计算，但其抗震构造措施可适当降低要求（为6度时不降），抗震设防烈度为6度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。抗震设计的总体要求一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：概念设计：由于地震的随机性，加之建筑物的动力特性、所在场地、材料及结构内力的不确定性，地震时造成破坏的程度很难预测，为保证结构具有足够的抗震可靠度，再惊醒抗震设计时，必须综合考虑多种因素的影响，着重从建筑物的总体上进行抗震设计，则称为概念设计。概念设计要考虑以下因素：场地条件和场地土的稳定性；建筑平、立面布置及外形尺寸；抗震结构体系的选取，抗侧力结构布置及结构质量的分布；非结构构件与主体结构的关系及二者之间的锚位；材料与施工等。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性，加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。先讨论抗震概念设计的问题。建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为：注意场地选择，把握建筑体型，利用结构延性，设置多道防线，重视非结构因素。1、5、1注意场地选择大量震害实例证实：建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响。地震区的建筑宜选择有利地段，避开不利地段，不再危险地段进行工程建设，各类地段划分见P11表1-3。当确实需要在不利或危险地段建筑工程时，应遵循建筑抗震设计的有关要求，经性详细的场地评价并采取必要的抗震措施。1、5、2把握建筑体型建筑物平、立面布置的基本原则是：对称、规则、质量与刚度变化均匀。1、结构对称，有利于减轻结构的地震扭转效应。2、形状规则的建筑物，当地震时结构各部分的震动易于协调一致，应力集中现象较少，因而有利于抗震。3、质量与刚度变化均匀有两方面的意义：①结构平面方向，应尽量使结构刚度中心与质量中心相一致，否则，扭转效应将使远离刚度中心的构件产生较严重的震害；②结构立面，验结构高度方向，结构质量与刚度不宜有悬殊的变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小。③结构刚度有突然削弱的薄弱层，在地震中会造成变形集中，从而加速结构的倒塌破坏过程。而结构上部刚度较小时，会形成地震反应的“鞭梢效应”，即变形在结构顶部集中的现象。平面及竖向不规则的类型，见P12表1-4、表1-5。1、5、3利用结构延性在利用结构弹性性能的同时，利用结构弹塑性阶段2性能抵御强烈地震，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震时输入结构的能量。如图：对应于∆045面积的地震输入量弹性结构要求：至少具有Pe的抗力才可保证结构不变。弹塑性要求：具有抗力Py且允许结构达到变形∆p：面积A=B结构所吸收的能量一致，即结构可以承受同样的地震作用：Py<Pe图中：0-1-4时脆性材料的变形过程结构：在4点破坏。0-1-2-3是延性材料的变形过程结构：在3点破坏。由此可见：脆性结构尽管康力很大，但吸收地震能力不强，延性有利于抗御结构倒塌的发