哈工大地震工程工程地震部分第五章強(qiáng)地震動(dòng)工程特征和地震動(dòng)的衰減課件

EngineeringSeismology(3)MainCharacteristicsandAttenuationofGroundMotion強(qiáng)地震動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，只能選擇其主要的特征，地震動(dòng)三要素：幅值(amplitude)，最大值PGA、PGV、PGD，有效值EPA、EPV，均方根值A(chǔ)rms、Vrms、Drms，SI等；頻譜特征：富氏譜(Fourierspectrum)、反應(yīng)譜(responsespectrum)和功率譜(powerspectrum)等；持續(xù)時(shí)間(duration)，絕對(duì)持時(shí)(0.05g或0.1g)、相對(duì)持時(shí)(5%-95%)等。地震動(dòng)幅值的統(tǒng)計(jì)平均變化規(guī)律

同樣距離處，地震動(dòng)幅值隨著震級(jí)的增大而增大，在大震級(jí)段加速度幅值會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。

同震級(jí)，地震動(dòng)幅值隨著距離的增大而減小，大地震在近場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。土層場(chǎng)地，尤其是軟弱場(chǎng)地上，地震動(dòng)幅值一般比基巖場(chǎng)地上大。在震中區(qū)或地震斷裂附近，基巖場(chǎng)地上的地震動(dòng)幅值有可能比土層場(chǎng)地上大。

Thestrongestearthquakemotionsthathavebeenrecordedtodatehavepeakaccelerationsbetween1gand3g,where1g(=980cm/sec2)istheaccelerationoftheEarth'sgravityfield,althoughrecordswithsuchlargepeakvaluesarerare.Itislessclearwhatthresholdofgroundmotionneedstobeexceededtobeconsidered“strongmotion”.Probablyalogicalleveltochoosewouldbeabout10cm/sec2,astheolderstrong-motioninstruments(accelerographs)thattraditionallydefinedthefieldarenotabletoresolvegroundaccelerationswithamplitudessmallerthanthis.Moderndigitalaccelerographsaremuchmoresensitive,abletoresolvepeakaccelerationsto0.1cm/sec2orsmaller.Peopleatrestareabletofeelmotionsassmallas1cm/sec2.Inmoderatemagnitudeearthquakes,damagetostructuresthatarenotdesignedforearthquakeresistanceappearsataccelerationsofabout100cm/sec2.最大增量速度（IV）、最大增量位移（ID）

增量速度：加速度脈沖下的面積，實(shí)際上代表速度變化的增量，它與質(zhì)量的乘積代表結(jié)構(gòu)的動(dòng)量或者相當(dāng)于地震左右的沖量作用增量位移：速度脈沖下的面積

可用來(lái)刻畫近斷層區(qū)域的地震動(dòng)破壞勢(shì)

RMSA、RMSV、RMSD均方根加速度、均方根速度和均方根位移定義為:其中：x(t)為地震動(dòng)的加速度、速度或位移，Td為地震動(dòng)的持時(shí)。對(duì)于量度地震動(dòng)的能量方面更為有效一些

AI阿里亞斯（Arias）烈度地震動(dòng)反應(yīng)譜(responsespectrum)單自由度彈性系統(tǒng)在地震動(dòng)作用下最大反應(yīng)的絕對(duì)值與體系的自振特征(自振周期或頻率和阻尼比)之間的函數(shù)關(guān)系

（日）大崎順彥著，呂敏申、謝禮立譯，地震動(dòng)的譜分析入門，地震出版社，1980反應(yīng)譜的算法Responsespectradescribepeaktime-domainresponseofasuiteofsingle-degreeoffreedomoscillatorstotheseismicexcitation.Responsespectraplayanimportantroleinthedevelopmentofengineeringdesigns.Thepseudo-relativevelocity,PSV,isobtainedfromSdbyPSV=(2π/To)Sd.Thepseudo-relativeacceleration,PSA,isobtainedfromSdbyPSA=(2π/To)2Sd.Ingeneral,PSA≈SaandPSV≈Sv,althoughthesedifferentspectracanhavedifferentasymptoticpropertiesathighandlowfrequencies.Thespectraareusuallycomputedforarangeofdamping,fromh=0%(undamped)toh=20%ofcritical.Thisrangeisusedbecausemostmanmadestructuresaresimilarlylightlydamped.Adampingofh=5%isthemostlikelytobereported.擬反應(yīng)譜（pseudoresponsespectrum）三聯(lián)反應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜(normalresponsespectrum)動(dòng)力放大系數(shù)、和標(biāo)準(zhǔn)化形式的設(shè)計(jì)譜（規(guī)范）將阻尼比為5％的加速度反應(yīng)譜在周期0.1―0.5秒之間平均為一常值Sa，將阻尼比為5%的速度反應(yīng)譜在周期1秒附近平均為一常值Sv，則有效峰值加速度、有效峰值速度的定義如下：EPA=Sa/2.5,EPV=Sv/2.5這樣定義的有效峰值與真實(shí)峰值相關(guān)，但一般來(lái)說(shuō)，并不等于、甚至不比例于真實(shí)的峰值。常數(shù)2.5是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其物理意義相當(dāng)于大量地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的平均放大倍數(shù)。峰值加速度與地震動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力無(wú)法直接聯(lián)系，而有效峰值加速度則彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)，DurationDefinitionbracketduration（relativeorabsolute）EnergydurationEngineeringdurationEffecttoseismicresponseofstructuresThesimplestoftheseispeakacceleration,whichiseasilyobtainedfromtheaccelerogram.Afterrecordsaredigitized,itiscommontoobtainseveraladditionalparameters.Timedomainparametersoftenincludepeakvelocityandpeakdisplacement.Durationofthestrongshakingisgenerallyconsideredimportant,butthereisnotauniquedefinitionofduration.Onesimpleapproachistomeasuretheintervalbetweenthetimeswhenthepeakaccelerationfirstandlastexceedssomethreshold,usually0.05g.Thealternativeapproachnamelytodefinetheamountoftimeinwhich90%oftheintegraloftheacceleration-squaredtakesplace.Thesetwodefinitionsleadtooppositeresultsasdistanceincreases.Atlargedistancesthepeakgroundmotionsdecreasesothattheintervaldurationgoestozeroeventhoughthegroundwasmoving.Ontheotherhand,theenergybecomesdispersed,resultinginanincreaseinthetimeintervaloverwhich90%ofthetotalenergyintheseismogramarrives.Inthefrequencydomain,theFourieramplitudespectrumandaclassofspectraknownasresponsespectraaregenerallydetermined.其它參數(shù)位移延性能量（輸入能量、滯回能量）討論

如何用地震動(dòng)的參數(shù)合理的表征地震動(dòng)的潛在破壞勢(shì)（或?qū)Y(jié)構(gòu)的破壞能力）？

評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)是什么？地震動(dòng)的衰減

(GMattenuation)最簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)地震動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，其中震源的影響用震級(jí)表示，地震波從震源到場(chǎng)地的傳播影響用距離來(lái)描寫，場(chǎng)地的影響用場(chǎng)地分類來(lái)描寫；將距離項(xiàng)分解為幾何擴(kuò)散和非彈性衰減兩項(xiàng)。預(yù)測(cè)地震動(dòng)的三種方法？？？Thepeakaccelerationandotherpeakparameterscanbedescribedbya.groundmotionpredictionequation.asafunctionoftheearthquakemagnitude,distancefromthefaulttothesite,generalsiteconditionparameter,andsometimesotherparameters.Peakaccelerationisacommonlyemployedparameterfortheseregressions,butpeakvelocity,peakdisplacement,spectralamplitudes,anddurationhavealsobeenmodeledinthismanner.Naturallythegroundmotionpredictionequationsdonotexactlydescribepeaksofpastearthquakegroundmotions.地震動(dòng)衰減關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)地震數(shù)據(jù)，M或M0，類型臺(tái)站數(shù)據(jù)，距離，場(chǎng)地條件地震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和常規(guī)數(shù)據(jù)處理的成果地震動(dòng)衰減關(guān)系的統(tǒng)計(jì)擬合方法

在確定衰減關(guān)系的系數(shù)時(shí)，最常用的統(tǒng)計(jì)分析方法是最小二乘法。由于數(shù)據(jù)的分布不可避免地存在病態(tài)，自變量之間總要有一定的相關(guān)性，在數(shù)據(jù)不很豐富時(shí)，一次個(gè)別地震中的數(shù)據(jù)占比例過(guò)大、一個(gè)場(chǎng)地的記錄占比例過(guò)大等，都要有些辦法處理。如加權(quán)最小二乘法、穩(wěn)健回歸法、一致加權(quán)最小二乘法。Boore和Joyner（1981）提出了兩步法，既將震級(jí)項(xiàng)和距離項(xiàng)分兩步統(tǒng)計(jì)，以減少兩者間的相關(guān)性對(duì)歸結(jié)果的影響。

相對(duì)持時(shí)，隨距離的增加而增大Becausegroundmotionpredictionequationsareakeycomponentofprobabilisticseismichazardanalyses,itisclearthattheirdevelopmentwillbeanimportantpartofseismologicalresearchforsometimetocome.Until1999,forlargemagnitudesandshortdistancestheestimatesfromtheseequationswerebasedmoreonextrapolationthanonextensiveamountsofdata.In1999,thereweretwosignificantearthquakesthatcontributedveryimportantdataatshortdistances.OnewastheIzmit,Turkeyearthquake(August17,1999,Mw=7.6).Inthisearthquake,Andersonetal.(2000a)findthatthepeakaccelerationsonrockatnear-faultdistancesweresignificantlybelowfourdifferentgroundmotionpredictionequations.TheotherwastheChi-Chi,Taiwan,earthquake(September21,1999,Mw=7.6).PeakaccelerationsfromthisearthquakeweresignificantlybelowthreedifferentrecentgroundmotionpredictionequationsdevelopedprimarilyfromNorthAmericandatabutpresumedtoapplytothesametectonicenvironment.缺乏強(qiáng)震記錄地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系

從宏觀烈度分析或者從地震臺(tái)網(wǎng)導(dǎo)出的地震參數(shù)評(píng)定所考慮地區(qū)的地震震源和地震波傳播(衰減)特性，與已經(jīng)提出經(jīng)驗(yàn)的和理論的強(qiáng)運(yùn)動(dòng)衰減關(guān)系的世界其它地區(qū)加以比較辨別所考慮地區(qū)的構(gòu)造環(huán)境類型和發(fā)生的地震震源的斷裂形式(即，板緣、板內(nèi)，淺地殼、俯沖消減帶、走滑等)從地震震源與所考慮地區(qū)最相似的地理地區(qū)選擇若干衰減關(guān)系式若需要，根據(jù)與地區(qū)中有限的強(qiáng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的比較，調(diào)整選擇的衰減關(guān)系式，評(píng)價(jià)和/或理論計(jì)算。利用現(xiàn)有可供使用的地震數(shù)據(jù)，可以研究理論衰減關(guān)系式。

最近幾次大地震中強(qiáng)地震動(dòng)表現(xiàn)的一些新特征

幾十年間，研究人員發(fā)表了大量的地震動(dòng)三要素，幅值、持時(shí)和譜特征的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。隨著記錄的不斷積累、研究的深入，發(fā)現(xiàn)這些地震動(dòng)主要特征的變化相當(dāng)復(fù)雜，受許多因素的影響。

震害經(jīng)常顯示出比用簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的大得多的不規(guī)律性，與地震震源過(guò)程、從震源到場(chǎng)地的地震波的傳播和場(chǎng)地反應(yīng)等方面有關(guān)。在1994年美國(guó)北嶺地震、1995年日本阪神地震和1999年臺(tái)灣集集地震中觀測(cè)到的近斷層的方向性效應(yīng)、上盤效應(yīng)、地殼波導(dǎo)效應(yīng)、盆地邊緣反應(yīng)效應(yīng)等都對(duì)地震動(dòng)有重要的影響，又都牽涉到更復(fù)雜的震源機(jī)制、傳播途徑和場(chǎng)地條件的影響中的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。近斷層地震動(dòng)

在近斷層區(qū)域地震動(dòng)幅值分布受斷裂的幾何形態(tài)影響很強(qiáng)烈。對(duì)于豎直的走滑斷裂，破裂方向性效應(yīng)對(duì)于給定的至斷裂最近距離處地震動(dòng)引起很強(qiáng)的空間變化。對(duì)于傾滑斷裂，有兩個(gè)主要的效應(yīng)：破裂方向性效應(yīng)和上盤效應(yīng)。上盤效應(yīng)主要是由斷裂對(duì)上盤場(chǎng)地的更近引起的。從上盤一側(cè)斷裂的頂部邊緣向更遠(yuǎn)處發(fā)生。破裂方向性效應(yīng)是由于破裂傳播和幅射模式效應(yīng)引起的。上盤效應(yīng)(hangingwalleffect)

一個(gè)傾斜斷裂上盤的場(chǎng)地在總體上比下盤上最近距離相同的場(chǎng)地更靠近斷裂面。這引起了上盤短周期地震動(dòng)比下盤相同最近距離處更大。上盤對(duì)逆沖地震引起的短周期地震動(dòng)增加了斷裂因子的形式，一般比走滑地震的大1.3-1.4倍。Abrahamson和Somerville發(fā)展了上盤效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)型模型將上盤場(chǎng)地的地震動(dòng)與下盤的遠(yuǎn)離斷層破裂端部的區(qū)分開來(lái)。上盤效應(yīng)在最近距離8-18千米處、周期范圍0-0.6秒是最大的（達(dá)到1.45），在5秒降為1.0。

近斷層方向性效應(yīng)

(rupturedirectivityeffect)

在斷層近場(chǎng)地區(qū)，影響地震動(dòng)特征的一個(gè)重要因素是斷層的破裂方向。根據(jù)場(chǎng)地與斷層的相對(duì)位置，方向性效應(yīng)可以分為向前效應(yīng)（forward）、向后效應(yīng)（reverse）和中性效應(yīng)（neutral），如果斷層的破裂方向朝向場(chǎng)地或破裂方向與震源（hypocenter）和場(chǎng)地連線的夾角較小的話，場(chǎng)地的效應(yīng)稱為向前方向性效應(yīng)；如果斷層的破裂方向背離場(chǎng)地或破裂方向與震源和場(chǎng)地連線的夾角較小的話，稱為向后方向性效應(yīng)；如果場(chǎng)地與震源的連線幾乎垂直于斷層的破裂方向，稱為中性效應(yīng)。通常所說(shuō)的“方向性效應(yīng)”是指向前方向性效應(yīng)，因?yàn)橄蚯胺较蛐孕?yīng)產(chǎn)生的地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更為不利。近斷層方向性效應(yīng)

斷層破裂所產(chǎn)生的能量波在傳播介質(zhì)中以幾乎等于介質(zhì)剪切波速的速度向場(chǎng)地傳播，使得斷層產(chǎn)生的能量以非常短的時(shí)間到達(dá)場(chǎng)地，這樣，在場(chǎng)地的地震動(dòng)中將產(chǎn)生一個(gè)大的速度脈沖（通常發(fā)生在地震動(dòng)的開始階段）。近斷層方向性效應(yīng)斷裂上剪切位錯(cuò)的幅射模式使這個(gè)地震動(dòng)的大脈沖朝向垂直于斷裂方向，引起垂直于斷層分量的峰值速度比平行于斷層分量的峰值速度要大。近斷層運(yùn)動(dòng)巨大破壞性在1994年北嶺地震、1995年板神地震以及1999年集集地震中清楚地表現(xiàn)出來(lái)。在這兩個(gè)地震中，記錄到了大到175cm/秒，記錄到的近斷層脈沖的周期為1-2秒，大體相當(dāng)于橋梁和中高層建筑物的結(jié)構(gòu)自振周期，而許多這類結(jié)構(gòu)在地震中破壞強(qiáng)烈。

地殼波導(dǎo)效應(yīng)

(crustalwaveguideeffect)

在近距離處（