地震工程學(xué)講義

緒論地震與地震動(dòng)地震是一種自然現(xiàn)象，每年平均發(fā)生500萬(wàn)次左右的地震，絕大多數(shù)很小，不可以用靈敏儀器測(cè)量的約占99%；可以感覺(jué)到地為1%，其中，5級(jí)以上的強(qiáng)烈地震約1000次左右，能造成嚴(yán)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(lái)災(zāi)難，給人類社會(huì)造成不同程度的傷亡事故及經(jīng)濟(jì)損失。如在20世紀(jì)，前80年（1900—1980）全球因地震造成的死亡人數(shù)高達(dá)105萬(wàn)人，平均每年死亡1.3萬(wàn)人。1990年伊朗魯?shù)掳蜖柕卣鹪斐?萬(wàn)多人喪生。1995年日本阪神地震緊急損失高達(dá)960億美元就是例證。為了抗御與減輕地震災(zāi)害，有必要進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震分析與抗震設(shè)計(jì)。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(kāi)采及工程活動(dòng)（如興建水庫(kù)）所引發(fā)的地震，一般不太強(qiáng)烈，僅有個(gè)別情況（如水庫(kù)地震）會(huì)造成嚴(yán)重的地震災(zāi)害。天然地震構(gòu)造地震：由地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，次數(shù)多，占地震發(fā)生總數(shù)約90%，釋放的能量大，影響范圍廣，造成的危害嚴(yán)重。火山地震：由火山爆發(fā)所引起。陷落地震：由于地下空洞突然坍塌而引起。強(qiáng)度低，影響范圍小。地震工程研究的主要對(duì)象是構(gòu)造地震。對(duì)于構(gòu)造地震，可以從宏觀背景和局部機(jī)制兩個(gè)層次上揭示其具體成因。宏觀背景：地球的構(gòu)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(nèi)。地幔主要有質(zhì)地堅(jiān)硬的橄欖眼組成，它具有粘彈性，由于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)不斷釋放能量，從地下20Km~700Km，地球內(nèi)部溫度有大約600℃~2000℃，在這一范圍內(nèi)的地幔中存在著厚約幾百公里的軟流層，物質(zhì)對(duì)流，地球內(nèi)部的壓力也不均衡，900Mpa~370000Mpa，地幔內(nèi)部物質(zhì)在熱狀態(tài)和不均衡壓力作用下緩慢的運(yùn)動(dòng)著，即可能為地殼運(yùn)動(dòng)的根源。地核是地球的核心部分，分為外核（厚2100Km）和內(nèi)核，其主要構(gòu)成物質(zhì)是鎳和鐵。據(jù)推測(cè)，外和可能處于液態(tài)而內(nèi)核可能是固態(tài)。通常認(rèn)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(zhì)的對(duì)流，板塊也相互運(yùn)動(dòng)，板塊的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是構(gòu)成地震產(chǎn)生的根本原因。局部機(jī)制：地球板塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板塊之間的相互作用力會(huì)是地殼中的巖層發(fā)生變形，當(dāng)這種變形積聚到超過(guò)巖石所能承受的程度時(shí)，該處巖體就會(huì)發(fā)生突然斷裂或錯(cuò)動(dòng)，從而引起地震。由于巖層的破裂往往不是演一個(gè)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(gè)破碎地帶的巖層不可能同時(shí)達(dá)到平衡，因此，再一次強(qiáng)力地震（即主震）之后，巖層的變形還有不斷的零星調(diào)整，從而形成一系列余震。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，即原有斷層的斷點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，不同斷層的交匯處。震源：地球內(nèi)部斷層錯(cuò)動(dòng)并引起周圍介質(zhì)震動(dòng)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(dòng)以波的形勢(shì)從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量。體波：在地球內(nèi)部傳播的波。面波：沿地球表面?zhèn)鞑サ牟ā？v波（P波）：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的方向與波的前進(jìn)方向一致。（壓縮波或疏密波、初級(jí)波）橫波（S波）：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向垂直。（剪切波或次級(jí)波）縱波：一般周期較短振幅較小，在地面上引起上下顛覆運(yùn)動(dòng)。橫波：一般周期較長(zhǎng)振幅較大，引起地面水平方向的運(yùn)動(dòng)。面波面波瑞雷波（R波）：傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在波的前進(jìn)方向與地表法向組成的平面內(nèi)做逆向的橢圓運(yùn)動(dòng)，（產(chǎn)生類似于海浪的周期性運(yùn)動(dòng)），它是形成地面晃動(dòng)的主要原因。樂(lè)夫、樂(lè)甫波（L波）：傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在與波的前進(jìn)方向垂直的水平方向運(yùn)動(dòng)，在地面上表現(xiàn)為蛇形運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)，比體波衰減慢，可以傳播到很遠(yuǎn)的地方。乙類建筑按設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計(jì)算，但在抗震構(gòu)造措施上提高一度考慮。丙類建筑按設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造。丁類建筑按設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計(jì)算，但其抗震構(gòu)造措施可適當(dāng)降低要求（為6度時(shí)不降），抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)，除另有規(guī)定外，對(duì)乙、丙、丁類建筑可不進(jìn)行地震作用計(jì)算?？拐鹪O(shè)計(jì)的總體要求一般說(shuō)來(lái)，建筑抗震設(shè)計(jì)包括三個(gè)層次的內(nèi)容與要求：概念設(shè)計(jì)：由于地震的隨機(jī)性，加之建筑物的動(dòng)力特性、所在場(chǎng)地、材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的不確定性，地震時(shí)造成破壞的程度很難預(yù)測(cè)，為保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠度，再驚醒抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮多種因素的影響，著重從建筑物的總體上進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，則稱為概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)要考慮以下因素：場(chǎng)地條件和場(chǎng)地土的穩(wěn)定性；建筑平、立面布置及外形尺寸；抗震結(jié)構(gòu)體系的選取，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分布；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及二者之間的錨位；材料與施工等。概念設(shè)計(jì)在總體上把握抗震設(shè)計(jì)的基本原則；抗震計(jì)算為建筑抗震設(shè)計(jì)提供定量手段；構(gòu)造措施則可以在保證結(jié)構(gòu)整體性，加強(qiáng)局部薄弱環(huán)節(jié)等意義上保證抗震計(jì)算結(jié)果的有效性。先討論抗震概念設(shè)計(jì)的問(wèn)題。建筑抗震設(shè)計(jì)在總體上要求把握的基本原則可以概括為：注意場(chǎng)地選擇，把握建筑體型，利用結(jié)構(gòu)延性，設(shè)置多道防線，重視非結(jié)構(gòu)因素。1、5、1注意場(chǎng)地選擇大量震害實(shí)例證實(shí)：建筑場(chǎng)地的地質(zhì)條件與地形地貌對(duì)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(kāi)不利地段，不再危險(xiǎn)地段進(jìn)行工程建設(shè)，各類地段劃分見(jiàn)P11表1-3。當(dāng)確實(shí)需要在不利或危險(xiǎn)地段建筑工程時(shí)，應(yīng)遵循建筑抗震設(shè)計(jì)的有關(guān)要求，經(jīng)性詳細(xì)的場(chǎng)地評(píng)價(jià)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(duì)稱、規(guī)則、質(zhì)量與剛度變化均勻。1、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有利于減輕結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。2、形狀規(guī)則的建筑物，當(dāng)?shù)卣饡r(shí)結(jié)構(gòu)各部分的震動(dòng)易于協(xié)調(diào)一致，應(yīng)力集中現(xiàn)象較少，因而有利于抗震。3、質(zhì)量與剛度變化均勻有兩方面的意義：①結(jié)構(gòu)平面方向，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心相一致，否則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將使遠(yuǎn)離剛度中心的構(gòu)件產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害；②結(jié)構(gòu)立面，驗(yàn)結(jié)構(gòu)高度方向，結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度不宜有懸殊的變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小。③結(jié)構(gòu)剛度有突然削弱的薄弱層，在地震中會(huì)造成變形集中，從而加速結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過(guò)程。而結(jié)構(gòu)上部剛度較小時(shí)，會(huì)形成地震反應(yīng)的“鞭梢效應(yīng)”，即變形在結(jié)構(gòu)頂部集中的現(xiàn)象。平面及豎向不規(guī)則的類型，見(jiàn)P12表1-4、表1-5。1、5、3利用結(jié)構(gòu)延性在利用結(jié)構(gòu)彈性性能的同時(shí)，利用結(jié)構(gòu)彈塑性階段2性能抵御強(qiáng)烈地震，通過(guò)結(jié)構(gòu)一定限度內(nèi)的塑性變形來(lái)消耗地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的能量。如圖：對(duì)應(yīng)于?045面積的地震輸入量彈性結(jié)構(gòu)要求：至少具有Pe的抗力才可保證結(jié)構(gòu)不變。彈塑性要求：具有抗力Py且允許結(jié)構(gòu)達(dá)到變形?p：面積A=B結(jié)構(gòu)所吸收的能量一致，即結(jié)構(gòu)可以承受同樣的地震作用：Py<Pe圖中：0-1-4時(shí)脆性材料的變形過(guò)程結(jié)構(gòu)：在4點(diǎn)破壞。0-1-2-3是延性材料的變形過(guò)程結(jié)構(gòu)：在3點(diǎn)破壞。由此可見(jiàn)：脆性結(jié)構(gòu)盡管康力很大，但吸收地震能力不強(qiáng)，延性有利于抗御結(jié)構(gòu)倒塌的發(fā)