地震工程學講義

緒論地震與地震動地震是一種自然現象，每年平均發(fā)生500萬次左右的地震，絕大多數很小，不可以用靈敏儀器測量的約占99%；可以感覺到地為1%，其中，5級以上的強烈地震約1000次左右，能造成嚴重破壞的大地震（>7%），平均每年大約發(fā)生18次。地震給人類帶來災難，給人類社會造成不同程度的傷亡事故及經濟損失。如在20世紀，前80年（1900—1980）全球因地震造成的死亡人數高達105萬人，平均每年死亡1.3萬人。1990年伊朗魯德巴爾地震造成5萬多人喪生。1995年日本阪神地震緊急損失高達960億美元就是例證。為了抗御與減輕地震災害，有必要進行建筑工程結構的抗震分析與抗震設計。1、1、1地震類型與成因地震地震誘發(fā)地震：主要用于人工爆破、礦山開采及工程活動（如興建水庫）所引發(fā)的地震，一般不太強烈，僅有個別情況（如水庫地震）會造成嚴重的地震災害。天然地震構造地震：由地殼構造運動所產生，次數多，占地震發(fā)生總數約90%，釋放的能量大，影響范圍廣，造成的危害嚴重?；鹕降卣穑河苫鹕奖l(fā)所引起。陷落地震：由于地下空洞突然坍塌而引起。強度低，影響范圍小。地震工程研究的主要對象是構造地震。對于構造地震，可以從宏觀背景和局部機制兩個層次上揭示其具體成因。宏觀背景：地球的構造：R=6371Km約6400Km包括：地殼、地幔與地核。地殼有各種不均勻的巖石組成，出地面的沉積層外，陸地下面的地殼主要為：上不是花崗巖層，下部為玄武巖層；海洋下面的地殼一般只有玄武巖層，革除厚薄不一。世界上大部分地震都發(fā)生在這一薄薄的地殼內。地幔主要有質地堅硬的橄欖眼組成，它具有粘彈性，由于地球內部放射性物質不斷釋放能量，從地下20Km~700Km，地球內部溫度有大約600℃~2000℃，在這一范圍內的地幔中存在著厚約幾百公里的軟流層，物質對流，地球內部的壓力也不均衡，900Mpa~370000Mpa，地幔內部物質在熱狀態(tài)和不均衡壓力作用下緩慢的運動著，即可能為地殼運動的根源。地核是地球的核心部分，分為外核（厚2100Km）和內核，其主要構成物質是鎳和鐵。據推測，外和可能處于液態(tài)而內核可能是固態(tài)。通常認為，地球最外層是有一些巨大的板塊組成，（六大板塊和若干小板塊），六大板塊即歐亞板塊、美洲板塊、非洲板塊、太平洋板塊、澳洲板塊和南極板塊。板塊向下延伸的深度大約為70~100Km，由于地幔物質的對流，板塊也相互運動，板塊的構造運動，是構成地震產生的根本原因。局部機制：地球板塊在運動過程中，板塊之間的相互作用力會是地殼中的巖層發(fā)生變形，當這種變形積聚到超過巖石所能承受的程度時，該處巖體就會發(fā)生突然斷裂或錯動，從而引起地震。由于巖層的破裂往往不是演一個平面發(fā)展，而是形成有一系列裂縫組成的破碎地帶，沿整個破碎地帶的巖層不可能同時達到平衡，因此，再一次強力地震（即主震）之后，巖層的變形還有不斷的零星調整，從而形成一系列余震。地震往往發(fā)生在地應力比較集中，構造比較脆弱的地段，即原有斷層的斷點或轉折點處，不同斷層的交匯處。震源：地球內部斷層錯動并引起周圍介質震動的部位。震中：震源正上方的地面位置。震中距：地面某處至震中的水平距離。淺源地震（<70Km）85%中源地震（70~300Km）12%深源地震（>300Km）3%1、1、2地震波地震波：地震引起的震動以波的形勢從震源向各個方向傳播并釋放能量。體波：在地球內部傳播的波。面波：沿地球表面?zhèn)鞑サ牟??？v波（P波）：介質質點震動的方向與波的前進方向一致。（壓縮波或疏密波、初級波）橫波（S波）：介質質點震動方向與波的前進方向垂直。（剪切波或次級波）縱波：一般周期較短振幅較小，在地面上引起上下顛覆運動。橫波：一般周期較長振幅較大，引起地面水平方向的運動。面波面波瑞雷波（R波）：傳播時，質點在波的前進方向與地表法向組成的平面內做逆向的橢圓運動，（產生類似于海浪的周期性運動），它是形成地面晃動的主要原因。樂夫、樂甫波（L波）：傳播時，質點在與波的前進方向垂直的水平方向運動，在地面上表現為蛇形運動。這兩種波的振幅均隨距地表深度的增加而減小。面波振幅大、周期長，比體波衰減慢，可以傳播到很遠的地方。乙類建筑按設防烈度進行抗震計算，但在抗震構造措施上提高一度考慮。丙類建筑按設防烈度進行抗震計算及抗震構造。丁類建筑按設防烈度進行抗震計算，但其抗震構造措施可適當降低要求（為6度時不降），抗震設防烈度為6度時，除另有規(guī)定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算?？拐鹪O計的總體要求一般說來，建筑抗震設計包括三個層次的內容與要求：概念設計：由于地震的隨機性，加之建筑物的動力特性、所在場地、材料及結構內力的不確定性，地震時造成破壞的程度很難預測，為保證結構具有足夠的抗震可靠度，再驚醒抗震設計時，必須綜合考慮多種因素的影響，著重從建筑物的總體上進行抗震設計，則稱為概念設計。概念設計要考慮以下因素：場地條件和場地土的穩(wěn)定性；建筑平、立面布置及外形尺寸；抗震結構體系的選取，抗側力結構布置及結構質量的分布；非結構構件與主體結構的關系及二者之間的錨位；材料與施工等。概念設計在總體上把握抗震設計的基本原則；抗震計算為建筑抗震設計提供定量手段；構造措施則可以在保證結構整體性，加強局部薄弱環(huán)節(jié)等意義上保證抗震計算結果的有效性。先討論抗震概念設計的問題。建筑抗震設計在總體上要求把握的基本原則可以概括為：注意場地選擇，把握建筑體型，利用結構延性，設置多道防線，重視非結構因素。1、5、1注意場地選擇大量震害實例證實：建筑場地的地質條件與地形地貌對建筑物震害有顯著影響。地震區(qū)的建筑宜選擇有利地段，避開不利地段，不再危險地段進行工程建設，各類地段劃分見P11表1-3。當確實需要在不利或危險地段建筑工程時，應遵循建筑抗震設計的有關要求，經性詳細的場地評價并采取必要的抗震措施。1、5、2把握建筑體型建筑物平、立面布置的基本原則是：對稱、規(guī)則、質量與剛度變化均勻。1、結構對稱，有利于減輕結構的地震扭轉效應。2、形狀規(guī)則的建筑物，當地震時結構各部分的震動易于協調一致，應力集中現象較少，因而有利于抗震。3、質量與剛度變化均勻有兩方面的意義：①結構平面方向，應盡量使結構剛度中心與質量中心相一致，否則，扭轉效應將使遠離剛度中心的構件產生較嚴重的震害；②結構立面，驗結構高度方向，結構質量與剛度不宜有懸殊的變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小。③結構剛度有突然削弱的薄弱層，在地震中會造成變形集中，從而加速結構的倒塌破壞過程。而結構上部剛度較小時，會形成地震反應的“鞭梢效應”，即變形在結構頂部集中的現象。平面及豎向不規(guī)則的類型，見P12表1-4、表1-5。1、5、3利用結構延性在利用結構彈性性能的同時，利用結構彈塑性階段2性能抵御強烈地震，通過結構一定限度內的塑性變形來消耗地震時輸入結構的能量。如圖：對應于?045面積的地震輸入量彈性結構要求：至少具有Pe的抗力才可保證結構不變。彈塑性要求：具有抗力Py且允許結構達到變形?p：面積A=B結構所吸收的能量一致，即結構可以承受同樣的地震作用：Py<Pe圖中：0-1-4時脆性材料的變形過程結構：在4點破壞。0-1-2-3是延性材料的變形過程結構：在3點破壞。由此可見：脆性結構盡管康力很大，但吸收地震能力不強，延性有利于抗御結構倒塌的發(fā)