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1、工程結(jié)構(gòu)抗震橋 梁 抗 震土木工程學(xué)院 橋梁結(jié)構(gòu)教研室主講老師:董旭辦公地點(diǎn):土木樓 C207室Mobile-mail:QQ:149013293本課程的要求及考察方式考察方式:閉卷考試。其中卷面成績(jī)占70%,平時(shí)成績(jī)占30%。要求:1 認(rèn)真聽(tīng)講、及時(shí)做筆記。2 保證全部出勤。3 認(rèn)真完成作業(yè)。4 積極回答課上提出的問(wèn)題。本課程教材及參考書(shū)教材:橋梁抗震,葉愛(ài)君編著,人民交通出版社參考書(shū):橋梁抗震范立礎(chǔ)編著. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則,JTG/T B02-01-2008城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,CJJ 166-2011鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,GB 5
2、011-2006目 錄第一章 地震概述第二章 橋梁震害第三章 橋梁抗震概論第四章 橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析第五章 橋梁延性抗震設(shè)計(jì)第六章 橋梁減隔震設(shè)計(jì)唐山地震 1976年7月28日北京時(shí)間03時(shí)42分53.8秒,在中國(guó)河北省唐山、豐南一帶(東經(jīng)118.2,北緯39.6)發(fā)生了強(qiáng)度里氏7.8級(jí)(矩震級(jí)7.5級(jí)),震中烈度度,震源深度23千米的地震。地震持續(xù)約12秒。 有感范圍廣達(dá)14個(gè)省、市、自治區(qū),其中北京市和天津市受到嚴(yán)重波及。強(qiáng)震產(chǎn)生的能量相當(dāng)于400顆廣島原子彈爆炸。整個(gè)唐山市頃刻間夷為平地,全市交通、通訊、供水、供電中斷。唐山地震沒(méi)有小規(guī)模前震,而且發(fā)生于凌晨人們熟睡之時(shí),使得絕大部分人
3、毫無(wú)防備,造成24.2萬(wàn)人死亡,重傷16.4萬(wàn)人,名列20世紀(jì)世界地震史死亡人數(shù)第一。唐山市位于河北省東部鰥 汶川地震1、汶川大地震概況 2008年5月12 日下午2點(diǎn)28 分突發(fā)而至的四川汶川里氏8級(jí)強(qiáng)烈地震撼動(dòng)了大半個(gè)中國(guó),甚至遠(yuǎn)在泰國(guó)的曼谷也有強(qiáng)烈的震感。 汶川地震在中國(guó)慘痛的地震災(zāi)害史上又留下了更為慘痛的記錄,是新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的一次地震。汶川地震震級(jí)大、余震強(qiáng)烈持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),截止8月11 日12 時(shí)的不完全統(tǒng)計(jì),地震已造成69225人遇難,374640人受傷,失蹤17924人。許多城鎮(zhèn)已夷為平地,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1萬(wàn)億人民幣,災(zāi)區(qū)重建資金尚需1萬(wàn)億人
4、民幣以上,造成的心靈創(chuàng)傷難以慰平或永生無(wú)法擺脫震災(zāi)帶來(lái)的悲痛。汶川8.0 級(jí)地震烈度分布震中地震烈度及居民地分布汶川8.0 級(jí)地震度區(qū)以上面積合計(jì)440442 平方公里.度區(qū):面積約2419 平方公里;度區(qū):面積約3144 平方公里;度區(qū):面積約7738 平方公里;度區(qū):面積約27786 平方公里;度區(qū):面積約84449 平方公里;度區(qū):面積約314906 平方公里.汶川地震震中分布圖汶川地震是印度板塊向亞洲板塊俯沖,造成青藏高原快速隆升。高原物質(zhì)向東緩慢流動(dòng),在高原東緣沿龍門(mén)山構(gòu)造帶向東擠壓,遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強(qiáng)阻擋,造成構(gòu)造應(yīng)力能量的長(zhǎng)期積累,最終在龍門(mén)山北川-映秀地區(qū)突然釋放。
5、汶川地震災(zāi)害1、地質(zhì)破壞扭曲的鐵軌擠壓抬升地裂縫地面裂紋噴沙口噴沙冒水唐家山堰塞湖 2、房屋破壞X破裂 房屋倒塌 3、 道路破壞水平錯(cuò)斷路 塌路面變形第一章 地震概述 地震是指因地球內(nèi)部緩慢積累的能量突然釋放而引起的地球表層的振動(dòng) 。 地震是一種自然現(xiàn)象,地球上每天都在發(fā)生地震,一年約有500萬(wàn)次。其中約5萬(wàn)次人們可以感覺(jué)到;能造成破壞的約有1000次;7級(jí)以上的大地震平均一年有十幾次。目前記錄到的世界上最大地震是8.9級(jí),發(fā)生于1960年5月22日的智利地震。 什么是地震?一、地球的構(gòu)造地球是一個(gè)外形略呈梨形的橢球體,平均半徑約6400km。地球的內(nèi)部構(gòu)造,與雞蛋十分相似,由地表至核心可分為
6、性質(zhì)不同的三層。最外一層是相當(dāng)薄的地殼,稱為地殼(qiao),只占地球體積的0.5%;平均厚度30km。其下為地幔,厚約2900km,約占地球總體積的83.3%;地殼與地幔的分界面稱為莫霍面,它是一個(gè)地震波傳播速度急劇變化的不連續(xù)面;最里面的部分叫做地核,半徑約3500km。1.1 地震的初步知識(shí)地殼表層由很不均勻的巖石組成,它的厚度也不是均勻的,高山或高原處厚度可達(dá)6080km,如我國(guó)青藏高原;而在深海底只有58km,如大西洋海底;海陸地殼的平均厚度約為33km。世界上絕大多數(shù)的地震都發(fā)生在地殼這一層內(nèi)。一般認(rèn)為,地幔由質(zhì)地非常堅(jiān)硬、比重較大的黑色橄欖巖組成。從莫霍面以下約4070km 內(nèi)的
7、地幔上部是剛性的巖石層,它與地殼共同組成所謂的巖石圈。由于巖石圈的剛性和脆性,當(dāng)巖層所受的拉力或壓力大于巖石強(qiáng)度時(shí),巖層發(fā)生斷裂,造成節(jié)理或斷層。節(jié)理(Joint)是斷裂面兩側(cè)并沒(méi)有相對(duì)位置移動(dòng)或僅有輕微位移的斷裂面,幾乎廣泛地出現(xiàn)于所有巖層中。若斷裂面兩側(cè)的巖塊沿?cái)嗔衙驽e(cuò)動(dòng),發(fā)生顯著的位置移動(dòng),便稱為斷層(Fault)。斷層的規(guī)模變化很大,小的只有幾米,大的可至數(shù)百公里。觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn),在巖石圈以下存在著一個(gè)厚約幾百公里的地震波低速層,稱為軟流圈。巖石圈與軟流圈合稱為上地幔,上地幔之下的地幔部分稱為下地幔。形成低速層的原因是該處巖石處于部分熔融狀態(tài),以致當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^(guò)此層時(shí)波速降低,其中剪切波的
8、衰減特別明顯。地核是地球的核心,體積占整個(gè)地球的16.2%,但總質(zhì)量卻占到整個(gè)地球的31.5%。根據(jù)地震波傳播的分析,地核分為外地核、過(guò)渡層和內(nèi)核三個(gè)層次。外核可能處于液態(tài),過(guò)渡層處于由液態(tài)向固態(tài)過(guò)渡的狀態(tài),而內(nèi)核可能是固態(tài)。據(jù)推測(cè),地核主要由鐵、鎳等物質(zhì)組成,內(nèi)核的壓力高達(dá)360 萬(wàn)個(gè)大氣壓力,溫度高達(dá)400050000C。二、地震術(shù)語(yǔ)(1)震源:地球內(nèi)部發(fā)生地震的地方稱為震源。震源是地震能量的釋放中心,理論上可以將震源看作一個(gè)點(diǎn),而實(shí)際上是一個(gè)區(qū)。(2)震源深度:將震源看作一個(gè)點(diǎn),該點(diǎn)到地面的垂直距離稱為震源深度。(3)震源距:從震源到觀測(cè)點(diǎn)的距離稱為震源距。(4)震中:震源在地面的投影稱
9、為震中。震中附近的區(qū)域稱為震中區(qū)(5)震中距:在地面上,從震中到觀測(cè)點(diǎn)沿大圓 弧測(cè)量的距離稱為震中距。區(qū)別于震源距(6)震級(jí):表示地震能量大小的等級(jí)標(biāo)度。(7)地震波:地震引起的振動(dòng)以彈性波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量。這種傳播地震能量的彈性波稱為地震波。(8)主震:在某地區(qū)的某段時(shí)間內(nèi),與其前后相比,地震顯著頻繁發(fā)生,其中規(guī)模最大、釋放地震能量最多者稱為主震。(9)前震:發(fā)生在主震以前的地震。(10)余震:發(fā)生在生震以后的地震。三、地震分類地震可分為天然地震和人為地震兩大類。人為地震,主要指人工爆破、礦山開(kāi)采、深井抽液或注液和工程活動(dòng)(如興建水庫(kù))所誘發(fā)的地震。人為地震一般都不太強(qiáng)烈
10、,僅有個(gè)別情況(如水庫(kù)地震)會(huì)造成較大破壞。2013年2月12日,朝鮮成功進(jìn)行第三次核試驗(yàn)。當(dāng)日北京時(shí)間10時(shí)57分在朝鮮發(fā)生了一次有感地震,震級(jí)4.9級(jí),震源深度0米;韓國(guó)媒體稱系人造地震,震級(jí)為5.1級(jí)。吉林長(zhǎng)白山居民稱感到1分鐘左右的晃動(dòng)。1959年新建廣東河源新豐江水庫(kù),1962年發(fā)生最大震級(jí)為6.1級(jí)的地震,壩區(qū)和河源縣城部分房屋遭受損壞。水庫(kù)蓄水后改變了地面的應(yīng)力狀態(tài),庫(kù)水滲透到已有的斷層里,起到潤(rùn)滑和腐蝕作用,促使斷層產(chǎn)生新的滑動(dòng)。并不是所有的水庫(kù)蓄水后都會(huì)發(fā)生水庫(kù)地震,只有當(dāng)庫(kù)區(qū)存在活動(dòng)斷裂、巖性剛硬等條件,才有誘發(fā)地震的可能性。天然地震可以有以下幾種不同的分類方法:(1) 按
11、成因分類(2) 按震源深度分類(3) 按震級(jí)分類(4) 按震中距分類(一)按成因分類主要有火山地震、陷落地震和構(gòu)造地震。由于火山活動(dòng)而引起的地震叫火山地震。由于地下巖洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震。構(gòu)造地震則是地球內(nèi)部巖層構(gòu)造活動(dòng)在某些階段發(fā)生急劇變化時(shí)引起的。構(gòu)造地震與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。這種地震往往發(fā)生在地應(yīng)力比較集中、構(gòu)造比較脆弱的地段,即原有斷層的端點(diǎn)或轉(zhuǎn)折處、不同斷層的交匯處。天然地震中,構(gòu)造地震發(fā)生的次數(shù)最多(約為全球地震總數(shù)的90%),涉及的范圍最廣,釋放的能量最大,造成的危害也最大,是地震工程研究的主要對(duì)象。 由于火山作用,如巖漿活動(dòng)、氣體爆炸等引起的地震稱為火山地震,這類地震
12、只占全世界地震的7%左右。 1914年日本櫻島火山爆發(fā),產(chǎn)生的震動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)6.7級(jí)地震。 (二)按震源深度分類可分為淺源地震、中源地震和深源地震三類。淺源地震是指震源深度小于60km 的地震。淺源地震造成的危害最大。我國(guó)發(fā)生的地震,絕大多數(shù)是淺源地震,震源深度在1020km。中源地震是指震源深度在60300km 之間的地震。我國(guó)中源地震主要分布在臺(tái)灣省東部沿海、西藏雅魯藏布江以南地區(qū)和新疆帕米爾附近,其震源深度在100200km 之間。深源地震則是指震源深度大于300km 的地震。我國(guó)深源地震集中分布在黑龍江、吉林兩省交界處的牡丹江- 延吉一線以東地區(qū),震源深度在40600km 之間。目前世
13、界上觀測(cè)到的地震中,最大震源深度約為720km。當(dāng)震源深度超過(guò)100km 時(shí),通常不會(huì)在地面上造成震害。 破壞性地震主要屬于構(gòu)造地震。據(jù)統(tǒng)計(jì),構(gòu)造地震約占世界地震總數(shù)的90%以上。 92%的地震發(fā)生在地殼中, 其余發(fā)生在地幔上部 。(三)按震級(jí)分類可分為微震、有感地震、中強(qiáng)地震和強(qiáng)震四類。微震是指震級(jí)小于2 級(jí)的地震。微震人們感覺(jué)不到,只有儀器才能記錄到。有感地震是指震級(jí)在25 級(jí)之間的地震。有感地震一般人可以感覺(jué)到。中強(qiáng)地震是指震級(jí)大于5 級(jí)、小于7 級(jí)的地震。中強(qiáng)地震能造成不同程度的破壞。強(qiáng)震是指震級(jí)大于7級(jí)的地震。強(qiáng)震往往具有巨大的破壞性。(四)按震中距分類可分為地方震、近震和遠(yuǎn)震三類。
14、地方震是指離觀測(cè)點(diǎn)的震中距小于100km 的地震。近震是指離觀測(cè)點(diǎn)的震中距小于1000km 的地震。遠(yuǎn)震是指離觀測(cè)點(diǎn)的震中距大于1000km 的地震。四、地震成因 地震是指因地球內(nèi)部緩慢積累的能量突然釋放而引起的地球表層的振動(dòng) 。 對(duì)于地應(yīng)力的產(chǎn)生,較為公認(rèn)的是板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為,地球表面的巖石層不是一塊整體,而是由六大板塊和若干小塊組成,這六大板塊是歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印澳板塊和南極板塊。由于地幔軟流層的對(duì)流,帶動(dòng)著軟流層上的這些板塊異常緩慢而持久地相互運(yùn)動(dòng)著。但板塊的邊界是相互制約的,因而板塊之間處于拉伸、擠壓和剪切狀態(tài),從而產(chǎn)生了地應(yīng)力。地球上的主要地震帶就
15、在這些大板塊的交界地區(qū)。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)被稱為“地學(xué)革命”的板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō),建立在大陸漂移和海底擴(kuò)張說(shuō)的基礎(chǔ)上。早在1912 年,德國(guó)氣象學(xué)家魏格納(Wegener)就提出了大陸漂移假說(shuō),但由于受科學(xué)觀測(cè)資料不足的限制,在當(dāng)時(shí)沒(méi)有為多數(shù)人所接受。1962 年,美國(guó)地質(zhì)學(xué)家赫斯(Hess)依據(jù)深海鉆探、海洋地質(zhì)和海底地貌等方面的研究成果,提出了海底擴(kuò)張假說(shuō)。至1968 年,通過(guò)多位學(xué)者先后發(fā)表的研究成果,板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)大體上趨于完整。1969 年正式形成了板塊構(gòu)造這一名稱。(a) 大陸漂移假說(shuō)1912 年1 月6 日,魏格納在法蘭克福地質(zhì)學(xué)會(huì)上做了題為“大陸與海洋的起源”的演講,首次提出了大陸漂移的假說(shuō)
16、。1915 年,在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究的基礎(chǔ)上,魏格納的代表作海陸的起源問(wèn)世了,在這本書(shū)里,魏格納正式闡述了大陸漂移假說(shuō)的觀點(diǎn)。大陸漂移假說(shuō)的基本觀點(diǎn)認(rèn)為:大約在3 億年前,全球只有一塊“超級(jí)大陸”稱為“泛大陸”,后來(lái)這塊“超級(jí)大陸”分裂為若干塊大陸,經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月的移動(dòng),終于形成了今天的大陸位置關(guān)系。(b)海底擴(kuò)張說(shuō)之前的資料都來(lái)自于大陸地殼,而對(duì)于覆蓋地表70%的海洋地殼卻一無(wú)所知。從20 世紀(jì)50 年代伊始,二戰(zhàn)中開(kāi)發(fā)的新技術(shù)廣泛用于海洋觀測(cè),比如采用聲納裝置觀測(cè)海底地形,利用海洋磁場(chǎng)儀探測(cè)海底磁場(chǎng)異常情況等。1962 年,美國(guó)的海斯(Hess)在他的論文洋底盆地的歷史中提出了“海底擴(kuò)張說(shuō)”。
17、其主要觀點(diǎn)為:(1)地殼下方有地幔,地幔的熱能熔融上部地幔的物質(zhì)形成“巖漿”,巖漿自大洋中脊流出形成新的海洋地殼,新的地殼向兩側(cè)推擠,海洋地殼因而向兩側(cè)擴(kuò)張;(2)老的海洋地殼則在另一端沒(méi)入地幔再度熔融成地幔的一部分。(c)板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)在大陸漂移和海底擴(kuò)張說(shuō)的基礎(chǔ)上,20 世紀(jì)60 年代提出了板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。其主要觀點(diǎn)為: 地球表面覆蓋著不變形且堅(jiān)固的板塊,板塊的物質(zhì)組成是巖石圈,具剛性,它包括地殼和上地幔頂部,厚約70100km。巖石圈下面是具塑性可流變物質(zhì)構(gòu)成的地幔軟流圈,厚度約幾百公里。全球巖石圈由于受到地幔的上升流和下降流及其牽引作用而分裂成若干似板塊的巨大塊體,稱為板塊。這些板塊以每年
18、1cm 到10cm 的速度在移動(dòng)。板塊運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造,稱為板塊構(gòu)造。 全球主要有六大板塊,即歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印度板塊和南極板塊。其中除太平洋板塊幾乎全為海洋外,其余五個(gè)板塊既包括大陸又包括海洋。此外,在板塊中還可以分出若干次一級(jí)的小板塊,如把美洲大板塊分為南、北美洲兩個(gè)板塊,菲律賓、阿拉伯半島、土耳其等也作為獨(dú)立的小板塊,則全球約有十四個(gè)板塊。1.2 地震震級(jí)與烈度一、地震震級(jí)震級(jí)是衡量地震能量大小的等級(jí)標(biāo)度。常用的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有里氏震級(jí)、面波震級(jí)和矩震級(jí)。里氏震級(jí)是里克特(C. F. Richter)于1935 年提出,也稱為地方震級(jí),定義為:在離震中100km 處用伍
19、德-安德生式標(biāo)準(zhǔn)地震儀(擺的自振周期為0.8s,阻尼系數(shù)為0.8,放大倍數(shù)為 2800 倍)所記錄到的最大水平位移(即振幅A,以微米計(jì))的常用對(duì)數(shù)值。其表達(dá)式為由于地震發(fā)生時(shí)不可能正好在100km處記錄,而且使用的儀器也不盡相同,所以一般需要根據(jù)震中距和使用的儀器對(duì)實(shí)測(cè)的震級(jí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。震?jí)的大小直接與震源釋放的能量有關(guān)。震級(jí)M 與地震釋放能量E(單位為“爾格”)之間有如下關(guān)系:依此計(jì)算,震級(jí)每差一級(jí),地震釋放的能量就相差32 倍之多。據(jù)測(cè)算,一個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)的TNT 炸彈爆炸產(chǎn)生的能量大約為51020 爾格,而一次7 級(jí)地震釋放的能量與四千萬(wàn)噸級(jí)的TNT 炸彈爆炸釋放的能量相當(dāng)。二、地震烈度
20、地震烈度是用來(lái)衡量地震破壞作用大小的一個(gè)指標(biāo),它表示某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受某一次地震影響的強(qiáng)弱程度。對(duì)于一次地震來(lái)說(shuō),震級(jí)只有一個(gè),烈度則隨著地點(diǎn)的變化,而有若干個(gè)。一般說(shuō)來(lái),距震中越遠(yuǎn),地震影響越小,烈度越低;反之,距震中越近,地震影響越大,烈度越高。震中的烈度最高。但是,在某一烈度區(qū)里,有時(shí)會(huì)因局部場(chǎng)地的地形、地質(zhì)條件等的影響,出現(xiàn)局部烈度較高或較低的“烈度異常區(qū)”。地震烈度值是根據(jù)人的感覺(jué)、器物的反應(yīng)以及地面、建筑物的破壞程度等宏觀現(xiàn)象,以地震烈度表為標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)定的。目前除日本采用從0 到7 的8 個(gè)等級(jí)劃分外,我國(guó)和世界絕大多數(shù)國(guó)家采用112 等級(jí)劃分的地震烈度表。地震烈度的評(píng)
21、定具有粗略、綜合、主觀判斷的特點(diǎn),缺乏具體的物理量作為依據(jù)。不過(guò),它不僅是區(qū)分地震區(qū)遭受地震影響的標(biāo)度,而且對(duì)于處理歷史地震資料、研究地震活動(dòng)等方面有重要作用。三、震級(jí)與震中烈度的關(guān)系地震震級(jí)與地震烈度是完全不同的兩個(gè)概念,這兩者的關(guān)系可用炸彈爆炸來(lái)比喻。震級(jí)好比炸彈的裝藥量,烈度則是炸彈爆炸時(shí)所造成的破壞程度。盡管如此,從數(shù)學(xué)上震中烈度卻可以表示為震級(jí)和震源深度的函數(shù)。在環(huán)境條件基本相同的情況下,震級(jí)越大,震源深度越淺,則震中烈度越高。對(duì)于發(fā)生頻度最高的淺源地震來(lái)說(shuō)根據(jù)我國(guó)的地震資料,可以由下面經(jīng)驗(yàn)公式估定震中烈度I0 與震級(jí)M 之間的關(guān)系:(1)5.0-5.4級(jí)地震,震中烈度多為六度,其面
22、積小于500 平方公里。(2)5.5-5.9級(jí)地震,震中烈度多為七度,其面積不超過(guò)200 平方公里;六度區(qū)面積也只有數(shù)百平方公里。(3)6.0-6.4級(jí)地震,震中烈度多數(shù)為八度,其面積幾十平 方公里;七度區(qū)不超過(guò)200平方公里,六度區(qū)數(shù)百平方 公里,如震中烈度為七度,與5.5-5.9級(jí)地震結(jié)果相同。(4)6.5-6.9地震,震中烈度一半為八度,與6.0-6.4級(jí)地震 一樣;另一半為九度,面積小于100平方公里,八度區(qū) 不超過(guò)500平方公里,七度區(qū)在1500平方公里以內(nèi)。1.3 地震波與地震動(dòng)一、地震波斷層在瞬間破裂錯(cuò)動(dòng)(地震)時(shí),引起劇烈的振動(dòng),這種 振動(dòng)以彈性波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋
23、放能量。傳播地震能量的彈性波就稱為地震波。地震波分為在地球內(nèi)部傳播的“體波”和在地面附近傳播的“面波”。體波具有兩種形式的波,即縱波(P 波)和橫波(S 波)??v波(壓縮波或P波)在傳播過(guò)程中,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向一致,質(zhì)點(diǎn)間的彈性相對(duì)位移疏密相間,所以也稱為壓縮波或疏密波。如在空氣中傳播的聲波就是一種縱波。由于任何一種介質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài))都可以承受不同程度的壓縮與拉伸變形,所以縱波可以在所有介質(zhì)中傳播。這是縱波的一個(gè)重要特性??v波的周期較短,振幅較小,波速快。橫波(剪切波或S波)傳遞時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向垂直。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。因?yàn)闄M波的傳播過(guò)程是介質(zhì)質(zhì)
24、點(diǎn)不斷受剪切變形的過(guò)程,液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)不能承受剪切作用,不能傳播橫波。由于橫波的這個(gè)特征,所以又稱為剪切波。橫波的周期較長(zhǎng),振幅較大。縱波的傳播速度比橫波的傳播速度要快,當(dāng)某地發(fā)生地震時(shí),在地震儀上首先記錄到的地震波是縱波,隨后才記錄到橫波。為此,通常也稱縱波為“初波”或,稱橫波為“次波”。面波是體波經(jīng)地層界面多次反射、折射所形成的次生波。面波包括兩種形式的波,即瑞利波(Rayleigth 波)和樂(lè)甫波(Love 波)。瑞利波傳播時(shí),質(zhì)點(diǎn)在與地面垂直的平面內(nèi)沿波的前進(jìn)方向做橢圓反時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)。瑞利波的特點(diǎn)是振幅大,在地表以豎向運(yùn)動(dòng)為主。樂(lè)甫波傳播時(shí),類似蛇行運(yùn)動(dòng),質(zhì)點(diǎn)在地平面內(nèi)做與波前進(jìn)方向相
25、垂直的運(yùn)動(dòng)。一般地說(shuō),與體波相比,面波的周期長(zhǎng),振幅大,速度慢,衰減慢,能傳到較遠(yuǎn)的地方。在距離震中近的地方,面波成分較少,隨著震中距離的增加,面波的成分也增加??v波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上下顛簸,橫波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平搖動(dòng),而面波則使結(jié)構(gòu)既產(chǎn)生上下顛動(dòng)又產(chǎn)生水平搖動(dòng),一般是在橫波和面波都到達(dá)時(shí)振動(dòng)最為劇烈。由橫波和面波產(chǎn)生的水平振動(dòng)是招致結(jié)構(gòu)地震破壞的重要因素。在震中區(qū),由縱波產(chǎn)生的豎向振動(dòng)所造成的破壞也不容忽視。地震波小結(jié)地震波是地震發(fā)生時(shí)由震源地方的巖石破裂產(chǎn)生的彈性波。地震波分為體波和面波。體波橫波(S波)縱波(P波)面波瑞利波樂(lè)甫波橫波特點(diǎn):周期長(zhǎng)、振幅大、 波速慢,100-800m/s縱波特點(diǎn):周
26、期短,振幅小, 波速快,200-1400m/s面波比體波衰減慢、振幅大、周期長(zhǎng)、傳播遠(yuǎn)。建筑物破壞主要由面波造成雜波P波開(kāi)始S波開(kāi)始面波開(kāi)始二、地震動(dòng)地震動(dòng),也稱地震地面運(yùn)動(dòng),是指由震源釋放出來(lái)的地震波引起的地表附近土層的振動(dòng)。地震動(dòng)是引起橋梁震害的外因,對(duì)結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)與靜力荷載相當(dāng),但兩者存在以下幾個(gè)本質(zhì)差別:1)靜力荷載以力的形式出現(xiàn),而地震動(dòng)是以運(yùn)動(dòng)方式出現(xiàn)。2)靜力荷載與時(shí)間無(wú)關(guān),而地震動(dòng)是迅速變化的隨機(jī)振動(dòng),地震動(dòng)的這一特點(diǎn),導(dǎo)致了抗震設(shè)計(jì)對(duì)地震作用峰值的關(guān)注。3)常用荷載大多是豎向的,而地震動(dòng)則是水平、豎向、甚至扭轉(zhuǎn)同時(shí)作用的。與靜力荷載相比,地震動(dòng)具有更大的不確定性,抗震設(shè)計(jì)不
27、能完全依靠強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。橋梁抗震設(shè)計(jì)不能照搬常規(guī)靜力荷載設(shè)計(jì)思路。地震動(dòng)可以通過(guò)儀器記錄下來(lái)。對(duì)結(jié)構(gòu)抗震而言,關(guān)心的是強(qiáng)震動(dòng)地面運(yùn)動(dòng)記錄。只有強(qiáng)震動(dòng)才能危及結(jié)構(gòu)安全。記錄強(qiáng)震動(dòng)的儀器為強(qiáng)震加速度儀,簡(jiǎn)稱強(qiáng)震儀,它能夠記錄測(cè)點(diǎn)處三個(gè)互相垂直的地震動(dòng)加速度分量(兩個(gè)水平向分量加上一個(gè)豎向分量)。下圖所示為著名的埃爾森特羅三分量(東西、南北、 上下)地震波加速度記錄。地震動(dòng)的顯著特點(diǎn)是其 時(shí)程函數(shù)(即加速度、速度、位移的時(shí)間函數(shù))的 不規(guī)則性。地震工程研究的對(duì)象主要有三個(gè):地震動(dòng)、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。若把這三者看作一個(gè)系統(tǒng),則地震動(dòng)是系統(tǒng)的輸入部分,結(jié)構(gòu)反應(yīng)則是系統(tǒng)的輸出部分。強(qiáng)震動(dòng)記錄是地震工程的重要
28、資料。在地震動(dòng)的特性中,對(duì)工程抗震有重要意義的量是地震動(dòng)的幅值(最大振幅或叫峰值)、頻譜(波形)和持續(xù)時(shí)間(簡(jiǎn)稱持時(shí)),常被稱為地震波三要素。影響地震動(dòng)特性的因素包括震源、傳播介質(zhì)與途徑和局部場(chǎng)地條件這三類。其中,局部場(chǎng)地條件對(duì)頻譜形狀的影響最早被各國(guó)規(guī)范所接受,我國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范把場(chǎng)地土劃分為四類,采用了形狀隨場(chǎng)地土變化的反應(yīng)譜。但對(duì)于震源、傳播介質(zhì)與途徑的影響,目前難以精確估計(jì)。1.4 地震分布一、世界地震分布(1)環(huán)太平洋地震帶:該帶沿著南、北美洲西岸,經(jīng)堪察加半島、千島群島、日本列島,至我國(guó)的臺(tái)灣省和菲律賓群島一直到新西蘭,集中了全世界80%以上的地震(2)歐亞地震帶:大致從印尼西
29、部、緬甸經(jīng)我國(guó)橫斷山脈、喜馬拉雅山地區(qū),經(jīng)中亞細(xì)亞到地中海,又稱喜馬拉雅地中海地震帶。二、中國(guó)地震的特點(diǎn)中國(guó)部分地區(qū)位于歐亞地震帶上,大部分地區(qū)夾在這兩大地震帶之間,是一個(gè)多地震的國(guó)家。中國(guó)占全世界陸地面積7% ,卻承受了全球33%的陸地強(qiáng)震?;咎攸c(diǎn)是:震源淺、烈度高、分布廣、傷亡大。20世紀(jì)以來(lái),中國(guó)共發(fā)生6級(jí)以上地震共約 800次,遇難人口約60萬(wàn)人,占全球同期死亡人數(shù)的53% 。中國(guó)幾乎所有的省份都發(fā)生過(guò)6級(jí)以上的破壞性地震,根據(jù)國(guó)家地震局2001 年版全國(guó)地震區(qū)劃圖統(tǒng)計(jì)計(jì)算,烈度等于或大于7度的面積達(dá)403萬(wàn)平方公里,占國(guó)土總面積的近40%。全國(guó)有近半數(shù)的城市位于7度或7度以上的地震
30、區(qū)。 20世紀(jì)死亡 20萬(wàn)人以上的大地震全球共兩次,都發(fā)生在中國(guó)。一次是1920 年寧夏海原8.5級(jí)大地震,死亡23.6萬(wàn)余人;另一次是1976年河北唐山7.8級(jí)地震,死亡24 萬(wàn)余人。中國(guó)地震震中分布圖所示的震級(jí)大于4級(jí)的大大小小密密麻麻的震中位置,讓人觸目驚心。中國(guó)地震震中分布圖從圖中可見(jiàn),我國(guó)地震主要分布在:1、東南部的臺(tái)灣和福建廣東沿海;2、華北太行山沿線和京津唐地區(qū);3、青藏高原和四川、云南西部;4、西北的新疆、甘肅和寧夏。強(qiáng)震分布:西多東少。中國(guó)大陸地區(qū),絕大多數(shù)強(qiáng)震主要分布在東經(jīng)107 度以西的中國(guó)西部廣大地區(qū),而東部地區(qū)則很少。中國(guó)歷史上造成了慘痛生命損失的強(qiáng)烈地震如下表所示:
31、27 2010.4.14 青海玉樹(shù) M7.1級(jí) 2220 地震災(zāi)害死亡人數(shù)最多,最容易引起社會(huì)恐慌。三、地震災(zāi)害地震具有突發(fā)性和毀滅性。地震災(zāi)害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,即直接災(zāi)害和次生災(zāi)害。1、直接災(zāi)害:由地震的直接作用,如地震波引起的強(qiáng)烈振動(dòng)、地震斷層的錯(cuò)動(dòng)等,所造成的災(zāi)害。主要表現(xiàn)在一下三個(gè)方面1)地表破壞 強(qiáng)烈地震時(shí),往往產(chǎn)生地形地貌的變化(如地裂縫、滑坡、軟土沉陷等)和沙土液化,從而使建造在其上面的建筑物、構(gòu)筑物收到破壞。(1)地裂縫:主要有構(gòu)造地裂縫和重力地裂縫。(2)滑坡、塌方:在陡峻的山區(qū)、坡地、河岸和黃土坎地區(qū)等,強(qiáng)烈地震時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)陡崖失穩(wěn)引起的崩塌、山石滾落、陡坡滑移等現(xiàn)象,導(dǎo)
32、致公路阻塞,交通中斷沖毀房屋和橋梁,堵塞河流,造成上游水位上漲,淹沒(méi)大量土地。(3)噴水冒砂:在地下水位較高、砂層埋藏較淺的平原及沿海地區(qū),地震的強(qiáng)烈振動(dòng)使地下水壓力急劇增高,會(huì)使飽和的砂土或粉土層液化,地下水夾帶著砂土顆粒,經(jīng)地裂縫或其它通道噴出地面,形成噴水冒砂現(xiàn)象。(4)地面下陷:在強(qiáng)烈地震作用下,地面的震陷多半發(fā)生在松軟而壓縮性高的土層中,如大面積回填土、孔隙比大的粘性土和非粘性土。地震使土顆粒間的摩接力大大降低或使鏈狀結(jié)構(gòu)破壞,土層變密實(shí),造成地面下沉。此外,在巖溶洞和采空(采掘的地下坑道)地區(qū)也可能發(fā)生震陷。2)建筑物的破壞 在強(qiáng)烈地震作用下,各類建筑物發(fā)生嚴(yán)重破壞,是造成生命財(cái)產(chǎn)
33、重大損失的主要原因。按建筑物破壞的形態(tài)和直接原因,可分以下幾類:(1)結(jié)構(gòu)喪失整體性而造成的破壞 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的共同工作主要由各構(gòu)件之間的連接及各構(gòu)件之間的支撐來(lái)保證。在強(qiáng)烈地作用下,構(gòu)件連接不牢,節(jié)點(diǎn)破壞,支承長(zhǎng)度不夠和支撐失效等都會(huì)使結(jié)構(gòu)喪失整體性而造成破壞。(2)承重結(jié)構(gòu)承載力不足或變形過(guò)大而造成的破壞 地震時(shí),地面運(yùn)動(dòng)引起建筑物或構(gòu)筑物振動(dòng),從而產(chǎn)生慣性力,使建筑物或構(gòu)筑物的內(nèi)力和變形增大較多,而且往往改變其受力方式,導(dǎo)致建筑物或構(gòu)筑物的承載力不足或變形過(guò)大而遭受破壞。如墻體開(kāi)裂,鋼筋混凝土柱剪斷或混凝土被壓酥裂,房屋倒塌,磚煙囪折斷和錯(cuò)位等。(3)地基失效引起的破壞 強(qiáng)烈地震時(shí),地裂縫、滑坡、震陷和地基土液化等,可使地基開(kāi)裂、滑動(dòng)、不均勻沉降等,從而喪失穩(wěn)定性,降低或喪失承載力,造成建筑物整體傾斜、拉裂以至倒塌而破壞。3)生命線工程破壞2、次生災(zāi)害地震的次生災(zāi)害是指地震間接產(chǎn)生的災(zāi)害,如地震誘發(fā)的火災(zāi)、水災(zāi)、有毒物質(zhì)污染、海嘯、泥石流等。由次生災(zāi)害造成的損失有時(shí)比地震
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