建筑抗震设计第一章EGM2012326Revised.ppt

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1、建筑抗震设计第一章EGM2012326Revised Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Earthquake Ground Motions(EGM)n第四节第四节 地震震级和烈度地震震级和烈度 n第五节第五节 地震地面运动地震地面运动(EGM)主要特性主要特性 n第六节第六节 软地基对结构抗震性能的影响软地基对结构抗震性能的影响n第七节第七节 建筑抗震设计对建筑抗震设计对EGM的定量表示的定量表示第一节第一节 构造地震构造地震 Tectonic Ear

2、thquakes(TE)构构 造造 地地 震震，一一 般般 简简 称称 为为 地地 震震(Tectonic Earthquakes),是是地地壳壳的的构构造造运运动动使使深深部部岩岩石石的的应应变变超超过过容容许许值值，岩岩层层发发生生断断裂裂、错错动动而而引引起起的的地地面振动，属破坏性地震。面振动，属破坏性地震。火火山山爆爆发发、溶溶洞洞陷陷落落或或是是核核爆爆炸炸也也引引起起地地面面振振动动,这种地震也属破坏性地震。这种地震也属破坏性地震。构造地震构造地震 Tectonic Earthquakes(TE)构构造造地地震震影影响响面面广广、破破坏坏性性大大、发发生生频频率率高高，约约占占破

3、破坏坏性性地地震震总总量量的的9090以以上上。因因此此，在在结结构构抗抗震震设设计计中中，仅仅限限于于讨讨论论构构造造地震作用下建筑的抗震设防问题。地震作用下建筑的抗震设防问题。构造地震构造地震TE的几个名词的几个名词震中震中:震源正上方的地面震源正上方的地面震中区震中区:震中的邻近地区震中的邻近地区震中距震中距:地面上某点至震地面上某点至震 中的距离中的距离 震震源源距距(震震源源深深度度):):震震源源至至地地面面上上某某点点(震震中中)的的距离距离 震源震源:地壳深处发生岩层地壳深处发生岩层 断断裂裂、错错动动的的地地 方。方。第二节第二节 地震断层地震断层构造地震构造地震(Tecto

4、nic Earthquakes,TE)的成因的成因n断层的基本概念断层的基本概念n断层的分类断层的分类断层的基本概念断层的基本概念n断层的定义断层的定义n断层的分布断层的分布n断层的错动断层的错动断层的定义断层的定义 在地质学上，由于地壳变动而在地质学上，由于地壳变动而断裂并沿断裂面断裂并沿断裂面发生相对位移的地层称为断层发生相对位移的地层称为断层。断层有的绵延数公。断层有的绵延数公里，有的可能就几米。里，有的可能就几米。在在大大部部分分地地震震中中，岩岩层层的的断断裂裂并并不不能能到到达达地地表表,因因此此我我们们一一般般是是看看不不到到的的。对对于于地地震震学学和和地地震震工工程程学学来来

5、说说,最最大大的的热热点点是是对对活活断断层层的的研研究究,通通过过对对活活断断层层 的的 研研 究究 可可 以以 发发 现现 周周 围围 岩岩 石石 变变 动动 的的 情情 况况。断层的分布断层的分布 地球的表面岩层由六大板块构成，即美洲板地球的表面岩层由六大板块构成，即美洲板块、太平洋板块、澳洲板块、南极板块、欧亚板块、太平洋板块、澳洲板块、南极板块、欧亚板块和非洲板块。这些板块始终在相对缓慢地运动块和非洲板块。这些板块始终在相对缓慢地运动着，在它们交界处产生拉伸、挤压和剪切，甚至着，在它们交界处产生拉伸、挤压和剪切，甚至有些板块呈现插入另一板块之下欲使其翘起的趋有些板块呈现插入另一板块之

6、下欲使其翘起的趋势。断层就位于这些板块交界处。势。断层就位于这些板块交界处。断层的错动断层的错动 断层的错动可能是完全水平的，而岩层竖向断层的错动可能是完全水平的，而岩层竖向错动也是经常发生的。一般认为，断层的缓慢滑错动也是经常发生的。一般认为，断层的缓慢滑动并不会引起破坏力较大的地震，因为断层的缓动并不会引起破坏力较大的地震，因为断层的缓慢滑动使地壳岩石的应力分阶段释放，这样就不慢滑动使地壳岩石的应力分阶段释放，这样就不会造成岩层的突然断裂。会造成岩层的突然断裂。因此，因此，在断层带上在断层带上建造较多的建筑可能会带来很建造较多的建筑可能会带来很大的经济损失，如果不得不在断层带上建造如大大的

7、经济损失，如果不得不在断层带上建造如大坝、码头等构筑物时，它们之间应有可伸缩的部坝、码头等构筑物时，它们之间应有可伸缩的部件或者相连的部件。件或者相连的部件。断层的分类断层的分类 断层的类别主要取决于滑动面的几何特征以断层的类别主要取决于滑动面的几何特征以及相对滑动的方向。及相对滑动的方向。右图为对断层的主右图为对断层的主要构造的介绍，其要构造的介绍，其中中倾斜角倾斜角(dip)是指是指断层与水平面的夹断层与水平面的夹角，角，走向走向(strike)是是指地表上断裂线与指地表上断裂线与北的相对方向。北的相对方向。断层的分类断层的分类n走向断层走向断层 n倾向滑距断层倾向滑距断层 走向断层走向断

8、层 站在断层的一侧，如站在断层的一侧，如果看到另一侧的岩层是果看到另一侧的岩层是从左向右运动，那么称从左向右运动，那么称此断层为右侧走向断层；此断层为右侧走向断层；反之，则称为左侧走向反之，则称为左侧走向断层，如右图所示。断层，如右图所示。岩石沿着与走向平行的方向作侧向移动。岩石沿着与走向平行的方向作侧向移动。倾向滑距断层倾向滑距断层 运动基本平行于断层的倾斜面，显然，断层运运动基本平行于断层的倾斜面，显然，断层运动含竖向分量。动含竖向分量。倾向滑距断层包括正断层和逆断层。正断层是倾向滑距断层包括正断层和逆断层。正断层是指倾斜面上方的岩石向下运动；逆断层的运动方指倾斜面上方的岩石向下运动；逆断

9、层的运动方式与正断层相反。式与正断层相反。正断层正断层正断层倾斜面上方的岩石运动方向向下。正断层倾斜面上方的岩石运动方向向下。正断层正断层左侧走向正断层左侧走向正断层逆断层逆断层逆断层倾斜面上方的岩石运动方向向上。逆断层倾斜面上方的岩石运动方向向上。逆断层逆断层左侧走向逆断层左侧走向逆断层第三节第三节 地震波地震波 岩层断裂、错动引起的地震动将以波的形式从岩层断裂、错动引起的地震动将以波的形式从震源向各个方向传播，此传播波即为地震波。在极震源向各个方向传播，此传播波即为地震波。在极短时间内迅速变化的动力作用下，岩石的动力响应短时间内迅速变化的动力作用下，岩石的动力响应多表现为弹性的，因此，可以

10、认为地震波是在无限多表现为弹性的，因此，可以认为地震波是在无限弹性介质中传播的弹性波。弹性介质中传播的弹性波。地震波地震波n体波体波n面波面波n地震波的传播地震波的传播体波体波 地地震震波波是是一一种种体体波波，主主要要有有两两种种成成分分：P波波(纵纵波或压缩波波或压缩波)和和S波波(横波或剪切波横波或剪切波)。P波波是是无无旋旋波波(即即旋旋度度为为零零)，只只产产生生体体积积变变形形，不不产产生生剪剪切切变变形形。P波波传传播播时时引引起起的的质质点点运运动动方方向向和和波波的的传传播播方方向向一一致致，可可在在固固体体或或液液体体中中传传播播，即即既既能能在在花花岗岗岩岩等等固固态态介

11、介质质中中传传播播，又又能能在在火火山山岩岩浆浆、海水等液态介质中传播。海水等液态介质中传播。体波体波 P波波周周期期短短(高高频频)、振振幅幅小小，波波速速200-1400m/s。当当P波波在在传传播播时时，从从下下图图可可见见，它它使使岩岩石石发发生生压压缩缩或或者者膨膨胀胀。纵纵波引起地面垂直方向振动。波引起地面垂直方向振动。P波波体波体波S波是剪切波，它只引起剪切变形而不引起体积波是剪切波，它只引起剪切变形而不引起体积变形。变形。S波传播时引起的质点运动方向和波的传播方波传播时引起的质点运动方向和波的传播方向垂直，如下图所示。向垂直，如下图所示。S波只能在固体中传播，波只能在固体中传播

12、，S波波体波体波 S波周期长波周期长(低频低频)、振幅大，波速、振幅大，波速100-80 m/s。横波引起地面水平方向的振动；而沿地表传播的横波引起地面水平方向的振动；而沿地表传播的S波波既能产生竖直向的运动又能产生水平向的运动。既能产生竖直向的运动又能产生水平向的运动。S波波不能在液体中传播，当进入液化砂土时，不能在液体中传播，当进入液化砂土时，S波振幅被波振幅被大幅的削减。大幅的削减。S波分为波分为SH波和波和SV波。波。体波体波若若x-z面是水平面，质点振动方向沿面是水平面，质点振动方向沿z轴，波传轴，波传播方向沿播方向沿x轴，该波称为轴，该波称为SH波。波。若若x-z面是竖直平面，质点

13、振动方向沿面是竖直平面，质点振动方向沿z轴，波轴，波传播方向沿传播方向沿x轴，该波称为轴，该波称为SV波。波。面波面波 当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表面形成一种次生波的多次反射和折射，在地表面形成一种次生波面波，面波沿介质表面及地表附近较浅的地区传面波，面波沿介质表面及地表附近较浅的地区传播。面波主要有两种成分：播。面波主要有两种成分：(1)乐甫波乐甫波(L波波);(2)瑞利波瑞利波(R波波)乐甫波乐甫波(L波波)L波的运动方式基本与波的运动方式基本与S波一致，使地面产生水平振波一致，使地面产生水平振动，质点振动方向

14、垂直于波的传播方向，而且质点动，质点振动方向垂直于波的传播方向，而且质点是在一个与传播方向相垂直的水平平面内发生振动是在一个与传播方向相垂直的水平平面内发生振动的，在介质表面呈蛇形运动形式，如下图所示，质的，在介质表面呈蛇形运动形式，如下图所示，质点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平点在水平向的振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。扭转分量。乐甫波乐甫波(L波波)L波波瑞利波瑞利波(R波波)瑞瑞利利波波不不仅仅使使地地面面产产生生水水平平振振动动，还还使使地地面面上上下下颠颠簸簸振振动动。地地震震时时的的瑞瑞利利波波是是纵纵波波和和横横波波在在介介质质中中沿沿界界面面传传播播时时相

15、相互互叠叠加加的的结结果果。瑞瑞利利波波传传播播时时，质质点点在在波波的的传传播播方方向向与与地地表表面面法法向向组组成成的的平平面面内内做做逆逆进进椭椭圆圆运运动动，其其运运动动方方式式可可以以比比作作滚滚动动的的波波浪浪，岩岩石石在在R波波的的作作用用下下，在在R波波传传播播的的竖竖直直平平面面内内同同时发生水平和竖向振动。时发生水平和竖向振动。瑞利波瑞利波(R波波)S波波地震波的传播地震波的传播n波速的比较波速的比较n振幅的变化振幅的变化波速的比较波速的比较 地震时，在距震中一定距离的地表某点观测地地震时，在距震中一定距离的地表某点观测地震波，最先观测到的是纵波，其次是横波和面波。震波，

16、最先观测到的是纵波，其次是横波和面波。通常当剪切波和面波到达时地面振动最强烈。因此，通常当剪切波和面波到达时地面振动最强烈。因此，地震时地震时P波是首先被感觉到的，其效果与音爆很相波是首先被感觉到的，其效果与音爆很相似，能震得窗子吱吱作响。在似，能震得窗子吱吱作响。在P波到达后几秒钟，波到达后几秒钟，S波也被感觉到，它的特征是左右振动的分量较大，波也被感觉到，它的特征是左右振动的分量较大，当当S波到达时，地面振动是既有水平方向又有竖直波到达时，地面振动是既有水平方向又有竖直方向的。方向的。值得指出的是，值得指出的是，S波在穿越岩层时都会有一个旋转分波在穿越岩层时都会有一个旋转分量。地震动的扭转

17、分量会对结构响应产生影响。目量。地震动的扭转分量会对结构响应产生影响。目前国际上一些结构规范已把地震动的扭转效应考虑前国际上一些结构规范已把地震动的扭转效应考虑在内了。在内了。振幅的变化振幅的变化在传播过程中，地震波类型会进一步进行组合。当在传播过程中，地震波类型会进一步进行组合。当不同土层的弹性模量失谐时，岩层就会对入射波进不同土层的弹性模量失谐时，岩层就会对入射波进行过滤，对于处于不同频率段的波使其振幅或加强行过滤，对于处于不同频率段的波使其振幅或加强或削弱。当或削弱。当P波和波和S波到达地表时，很大一部分能量波到达地表时，很大一部分能量被反射回地层，因此，地表是同时受到向上和向下被反射回

18、地层，因此，地表是同时受到向上和向下运动波的影响。由于重复反射，地表表面的振动得运动波的影响。由于重复反射，地表表面的振动得到很多的放大，有时甚至可以将入射波的振幅翻一到很多的放大，有时甚至可以将入射波的振幅翻一番，一般地球表面由于振动造成的破坏更为严重。番，一般地球表面由于振动造成的破坏更为严重。第四节第四节 地震震级和烈度地震震级和烈度 结构的地震反应结构的地震反应是地震作用下结构的惯性力，其大小取决于地震震是地震作用下结构的惯性力，其大小取决于地震震级及距震中的距离、场地特征、结构的动力特性。级及距震中的距离、场地特征、结构的动力特性。它具有冲击性、反复性、短暂性和随机性。它具有冲击性、

19、反复性、短暂性和随机性。震级震级 震级：震级：衡量一次地震释放能量大小的等级，用符号衡量一次地震释放能量大小的等级，用符号M表表示。示。地震能量中，一部分能量引起地面振动直接影响地震能量中，一部分能量引起地面振动直接影响建筑的安全性。建筑的安全性。震级震级 震级定义：震级定义：利用标准地震仪，距震中利用标准地震仪，距震中100km处记录处记录 的以微米的以微米（1um103 mm）为单位的最大水平地面位移为单位的最大水平地面位移(振振幅幅)A的常用对数值：的常用对数值：MlgA 式中：式中：M里氏震级；里氏震级；A最大振幅最大振幅(um)震级震级地震震级地震震级M与地震释放的能量与地震释放的能

20、量E E存在关系：存在关系：震级震级震级相差一级，能量增加：即能量增加近震级相差一级，能量增加：即能量增加近32倍。倍。震级震级nM5 破坏性地震，对建筑产生不同程度的破坏性地震，对建筑产生不同程度的 破坏作用；破坏作用；nM7 强烈地震或大地震；强烈地震或大地震；nM8 特大地震特大地震烈度烈度 地震烈度地震烈度:地震时某一地区的地面和各类工程结构遭受地震影地震时某一地区的地面和各类工程结构遭受地震影响的平均强弱程度，是衡量地震引起的后果的一种响的平均强弱程度，是衡量地震引起的后果的一种标度。标度。地震烈度地震烈度n1.对一次地震，震级只有一个，而地震烈度在不同对一次地震，震级只有一个，而地

21、震烈度在不同的地点却是不同的。的地点却是不同的。一般震中区的烈度一般震中区的烈度(简称震中烈度简称震中烈度)较高较高,为为1度度12度度。地震烈度地震烈度n2.基本烈度是指一个地区今后一定时期基本烈度是指一个地区今后一定时期(如如50年年)内内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。即现行即现行中国地震烈度区划图（中国地震烈度区划图（1990）规定的烈规定的烈度。度。地震烈度地震烈度n3.抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下取基本烈度。但还须

22、根据建筑所在城一般情况下取基本烈度。但还须根据建筑所在城市的大小，建筑的类别、高度以及当地的抗震设市的大小，建筑的类别、高度以及当地的抗震设防小区规划进行确定。防小区规划进行确定。地震烈度地震烈度n4.地震基本烈度的确定计及了地震烈度衰减规律和震地震基本烈度的确定计及了地震烈度衰减规律和震中距等影响的概率因素，它确定的是基本烈度在区中距等影响的概率因素，它确定的是基本烈度在区域上的分布。域上的分布。但是对于某一个地区，并不是每次地震都是按基但是对于某一个地区，并不是每次地震都是按基本烈度发生的，也存在一个概率分布的问题。本烈度发生的，也存在一个概率分布的问题。我国地震烈度的概率分布符合概率论中

23、的极值我国地震烈度的概率分布符合概率论中的极值III型，如图所示。型，如图所示。地震烈度地震烈度I sI fIII(I)地震烈度地震烈度I 0I fIII(I)地震烈度地震烈度AL2ILI fIII(I)Is 与众值对应的烈度，称为众值烈度或多遇烈度，与众值对应的烈度，称为众值烈度或多遇烈度，亦称为第一水准烈度，与此相应的地震称为第一水亦称为第一水准烈度，与此相应的地震称为第一水准地震准地震(小震小震);A s1 在当地未来在当地未来50年内发生不超越第一水准地震的年内发生不超越第一水准地震的概率为概率为36.8;A s2 在当地未来在当地未来50年内发生超越第一水准地震的概年内发生超越第一水

24、准地震的概率为率为63.2。I0 与超越概率等于与超越概率等于10对应的烈度称为基本烈度，对应的烈度称为基本烈度，亦称为第二水准烈度，与此相应的地震为第二水准亦称为第二水准烈度，与此相应的地震为第二水准地震地震(中震中震);A 01 在当地未来在当地未来50年内发生不超越第二水准地震年内发生不超越第二水准地震的概率为的概率为90;A 02 在当地未来在当地未来50年内发生超越第二水准地震的年内发生超越第二水准地震的概率为概率为10。IL 与超越概率等于与超越概率等于23对应的烈度称为罕遇烈对应的烈度称为罕遇烈度，亦称为第三水准烈度，与此相对应的地震称度，亦称为第三水准烈度，与此相对应的地震称为

25、第三水准地震为第三水准地震(大震大震)。A L1 在当地未来在当地未来50年内发生不超越第三水准地震年内发生不超越第三水准地震的概率为的概率为9798。A L2 在当地未来在当地未来50年内发生超越第三水准地震的年内发生超越第三水准地震的概率为概率为23。烈度的极值烈度的极值型分布型分布我国烈度的极值我国烈度的极值型概率密度函数：型概率密度函数：烈度的极值烈度的极值型分布型分布其分布函数其分布函数烈度的极值烈度的极值型分布型分布式中式中 地震烈度的上限值，为地震烈度的上限值，为12；Im 众值烈度，即烈度概率密度曲线上峰值众值烈度，即烈度概率密度曲线上峰值 所对应的烈度，由各地震区在设计基准期

26、内统所对应的烈度，由各地震区在设计基准期内统 计确定。例如，北京地区为计确定。例如，北京地区为6.19度；度；I 地震烈度；地震烈度；e 无理数，无理数，e=2.718；k 形状参数。形状参数。烈度的极值烈度的极值型分布型分布 由于不少国家以由于不少国家以50年内超越概率为年内超越概率为10的地震强的地震强度作为设计标准，为了简化计算起见，可统一按度作为设计标准，为了简化计算起见，可统一按这个概率水平来确定形状参数这个概率水平来确定形状参数k。烈度的极值烈度的极值型分布型分布现以北京地区为例，说明确定形状参数现以北京地区为例，说明确定形状参数k值的方法：值的方法：已知北京地区已知北京地区Im=

27、6.19度，在度，在50年内超越概率为年内超越概率为10的烈度的烈度I=7.82度，而度，而w=12度，这时度，这时FIII(I)=0.90。将上列数据代入分布函数式得将上列数据代入分布函数式得 k 6.834。烈度的极值烈度的极值型分布型分布从概率意义上讲，小震应是发生频度最大的地从概率意义上讲，小震应是发生频度最大的地震。即烈度概率密度分布曲线上的峰值所对应的烈震。即烈度概率密度分布曲线上的峰值所对应的烈度（众值烈度）。因此，采用众值烈度作为小震烈度（众值烈度）。因此，采用众值烈度作为小震烈度是适宜的。度是适宜的。烈度的极值烈度的极值型分布型分布不超越众值烈度的概率，可由分布函数式计算：不

28、超越众值烈度的概率，可由分布函数式计算：烈度的极值烈度的极值型分布型分布而超越概率而超越概率 地震烈度地震烈度n5.基本烈度多遇烈度基本烈度多遇烈度1.55度；罕遇烈度基本度；罕遇烈度基本烈度烈度1度（注：实际中，普遍小于度（注：实际中，普遍小于1度，而且有明度，而且有明显的地区性显的地区性)。Ex：基本烈度分别为：基本烈度分别为：6，7，8，9度，则罕遇烈度，则罕遇烈度分别为：度分别为：7，8，9（9度弱），度弱），9.5度度(9度强度强)。地震烈度的确定地震烈度的确定第一，地区抗震设防烈度是由国家根据地震历史记第一，地区抗震设防烈度是由国家根据地震历史记录和地质调查研究确定的。录和地质调查

29、研究确定的。地震烈度的确定地震烈度的确定新的新的建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范GB50011-2010(以下简称以下简称抗震规范抗震规范)规定，地震影响应采用设计基本地震规定，地震影响应采用设计基本地震加速度和设计特征周期。加速度和设计特征周期。设计基本地震加速度值为设计基本地震加速度值为50年设计基准期超越概率年设计基准期超越概率10%(重现期为重现期为475年年)的地震加速度的设计值。的地震加速度的设计值。地震烈度的确定地震烈度的确定设计基本地震加速度与抗震设防烈度的关：设计基本地震加速度与抗震设防烈度的关：0.05g6；0.10g 7；0.15g7.5；0.20g 8；0.30g8.5

30、；0.40g 9地震烈度的确定地震烈度的确定 设计特征周期，综合考虑震级、震源机制和震中距设计特征周期，综合考虑震级、震源机制和震中距的影响，以设计地震分组取代了的影响，以设计地震分组取代了建筑抗震设计规建筑抗震设计规范范(GBJ11-89)的设计近震和设计远震。的设计近震和设计远震。地震烈度的确定地震烈度的确定对于基准场地对于基准场地(相当相当II类类)加速度反应谱的设计特征加速度反应谱的设计特征周期，第一、二、三组分别取周期，第一、二、三组分别取0.35s,0.40s和和0.45s，可视为大致反映近、中、远震影响。可视为大致反映近、中、远震影响。我国主要城镇的抗震设防烈度、设计基本地震加速

31、我国主要城镇的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组详见度和设计地震分组详见抗震规范抗震规范的附录的附录A。地震烈度的确定地震烈度的确定 第二，地震发生后地震波及范围内各地区遭受破坏第二，地震发生后地震波及范围内各地区遭受破坏的地震烈度，它不是地震发生后立即能确定的，而的地震烈度，它不是地震发生后立即能确定的，而是需要经过震害调查根据建筑物、构筑物遭受损坏是需要经过震害调查根据建筑物、构筑物遭受损坏和破坏情况确定的，确定烈度的标准可见和破坏情况确定的，确定烈度的标准可见建筑抗建筑抗震设计手册震设计手册(1994年版年版)第一篇第二章附录第一篇第二章附录1.2.21。地震烈度的确定地震烈

32、度的确定 一次地震，震中烈度约为震级的一次地震，震中烈度约为震级的1.3倍，如当某地区倍，如当某地区发生了地震，震级为发生了地震，震级为6.2级，则震中烈度为级，则震中烈度为8度左右。度左右。一次地震，当震源距地表越深，震中相对烈度较小，一次地震，当震源距地表越深，震中相对烈度较小，地震波及范围大；震源距地表浅时，震中烈度较大，地震波及范围大；震源距地表浅时，震中烈度较大，地震波及范围小。地震波及范围小。第五节第五节 地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性地震动可用三要素来描述，即地震动的振幅、频谱地震动可用三要素来描述，即地震动的振幅、频谱和持时。地震动的振幅包括地震动加速度

33、、速度和和持时。地震动的振幅包括地震动加速度、速度和位移三者的峰值。位移三者的峰值。在结构抗震设计中，常用到的是地震动加速度，所在结构抗震设计中，常用到的是地震动加速度，所以以下主要介绍地震动加速度振幅、频谱和持时。以以下主要介绍地震动加速度振幅、频谱和持时。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性一次地震释放出的能量将以地震波的形式向四周扩一次地震释放出的能量将以地震波的形式向四周扩散。地震波是一种波形十分复杂的行波，由许多频散。地震波是一种波形十分复杂的行波，由许多频率不同的分量组成，场地土对地震波群中各个分量率不同的分量组成，场地土对地震波群中各个分量有不同的放大作用。有不

34、同的放大作用。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性地震波群中某个分量的周期，恰好为该波穿过表地震波群中某个分量的周期，恰好为该波穿过表层土所需时间的层土所需时间的4倍时，这个波的分量将被放大得最倍时，这个波的分量将被放大得最多。多。因此，该波引起土层的振动最为激烈。我们称这个因此，该波引起土层的振动最为激烈。我们称这个周期为场地土的特征周期。周期为场地土的特征周期。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性 震害调查表明，凡是结构的基本周期与场地土的震害调查表明，凡是结构的基本周期与场地土的特征周期相等或接近时，将引起类共振，结构的特征周期相等或接近时，将引起类共

35、振，结构的震害都有加重的趋势。这种现象与结构在动力荷震害都有加重的趋势。这种现象与结构在动力荷载作用下的共振相似。载作用下的共振相似。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性对时域地震动加速度进行变换，就可了解该地震动对时域地震动加速度进行变换，就可了解该地震动加速度的频谱特性，频谱特性可用功率谱、反应谱加速度的频谱特性，频谱特性可用功率谱、反应谱和傅里叶谱来表示。和傅里叶谱来表示。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性根据强震记录求得的功率谱表明，硬土和软土的根据强震记录求得的功率谱表明，硬土和软土的功率谱成分有很大的不同。软土地基的地震动加功率谱成分有很大的不

36、同。软土地基的地震动加速度记录中长周期分量比较显著；而硬土地基的速度记录中长周期分量比较显著；而硬土地基的地震动加速度记录则包含多种频率成分，一般情地震动加速度记录则包含多种频率成分，一般情况下短周期分量较为显著。况下短周期分量较为显著。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性 坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对长周期的建筑不利。长周期的建筑不利。因此，设计结构时可根据地基土的特性，采取合因此，设计结构时可根据地基土的特性，采取合适周期的结构体系，以减少地震引起结构类共振适周期的结构体系，以减少地震引起结构类共振的可能性，减少地震

37、造成的破坏。的可能性，减少地震造成的破坏。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性强烈地震动的持时长短对结构的破坏有重大影响，强烈地震动的持时长短对结构的破坏有重大影响，这种影响主要表现在结构开裂以后的阶段。这种影响主要表现在结构开裂以后的阶段。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性在地震动作用下，一个结构从开裂到倒塌一般有个在地震动作用下，一个结构从开裂到倒塌一般有个过程；显然，在结构发生开裂时，连续振动的时间过程；显然，在结构发生开裂时，连续振动的时间越长，则结构倒塌的可能性就越大。因此，地震动越长，则结构倒塌的可能性就越大。因此，地震动的持续时间是研究结构抗

38、倒塌性能的一个重要参数。的持续时间是研究结构抗倒塌性能的一个重要参数。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性 强震时，地面水平运动加速度在强震时，地面水平运动加速度在两个互相垂两个互相垂直方向上直方向上的平均强度大体相同。因此，在结的平均强度大体相同。因此，在结构抗震设计时，应考虑在结构平面的两个主构抗震设计时，应考虑在结构平面的两个主轴方向进行抗震设防和计算。轴方向进行抗震设防和计算。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性 大量观测表明，地震时，地面竖向运动加速大量观测表明，地震时，地面竖向运动加速度的平均强度大约是水平运动加速度的度的平均强度大约是水平运动加

39、速度的1/2-2/3。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性因此，抗震设计时，大多数情况下主要考因此，抗震设计时，大多数情况下主要考虑水平地震作用的影响；但对于高层、大虑水平地震作用的影响；但对于高层、大跨度、长悬臂结构仍需考虑竖向地震作用跨度、长悬臂结构仍需考虑竖向地震作用的影响。的影响。地震地面运动地震地面运动(EGM)的主要特性的主要特性由于液化，饱和土中水分与砂土分离，对由于液化，饱和土中水分与砂土分离，对向上传播的向上传播的S波起到隔震作用，波起到隔震作用，由于地震时建由于地震时建筑主要是由筑主要是由S波引起的水平振动波引起的水平振动，因此位于饱，因此位于饱和砂土和粉

40、土地基上的建筑物其震害相对轻些，和砂土和粉土地基上的建筑物其震害相对轻些，即所谓减震效应。即所谓减震效应。第六节第六节软地基软地基对结构抗震性能对结构抗震性能的影响的影响n软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响n土与结构相互作用土与结构相互作用 (Soil-structure interaction,SSI)n考虑考虑SSI影响时结构地震内力的调整影响时结构地震内力的调整 软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响地震波由传播速度快的地层进入到波速低的地震波由传播速度快的地层进入到波速低的地层时振幅将增大。接近于地表的地层，一地层时振幅将增大。接近于地表的地层，一般地质

41、年代较轻，地震波速低，因此由硬、般地质年代较轻，地震波速低，因此由硬、深的地层向软地层传播的地震波，在到达地深的地层向软地层传播的地震波，在到达地表时，振幅增大很多。表时，振幅增大很多。一般来说，表层地基一般来说，表层地基越越软软，振幅振幅放大效应愈大。放大效应愈大。这一现象已为国这一现象已为国内外的地下、地表强震观测对比所证实。内外的地下、地表强震观测对比所证实。软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响强震发生时，其破裂机制很复杂，由震源发射出强震发生时，其破裂机制很复杂，由震源发射出的地震波频率很复杂，的地震波频率很复杂，具有相当宽的频带具有相当宽的频带。由于。由于P波波具有高

42、频特征，其波速比具有高频特征，其波速比S波高，波高，因此，在近场地面因此，在近场地面强震记录中，高频分量强震记录中，高频分量(短周期分量短周期分量)相对丰富；而由相对丰富；而由于其衰减较快，于其衰减较快，因此在远场处低频分量因此在远场处低频分量(长周期分量长周期分量)相对丰富。相对丰富。软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响鉴于上述，在大地震远距离时，厚土层、软鉴于上述，在大地震远距离时，厚土层、软弱地基上地面运动的长周期成分丰富些，弱地基上地面运动的长周期成分丰富些，因因而建造于软地基上的高层建筑产生共振效应而建造于软地基上的高层建筑产生共振效应的可能性很大。的可能性很大。SS

43、I 案例：案例：1985年的墨西哥地震年的墨西哥地震 在在所所有有破破坏坏的的房房屋屋中中，距距离离震震中中 400 公公里里左左右右，高高度度为为 6-19 层层的的建建筑筑破破坏坏最最为为严严重重，其其倒倒塌塌数数量量达达 400 多多栋栋，而而距距离离震震中中很近的同类建筑物破坏却没这么严重。很近的同类建筑物破坏却没这么严重。主主要要原原因因是是墨墨西西哥哥城城的的地地基基属属于于高高塑塑性性软软土土，土土与与高高层层建建筑筑组组成成的的体体系系自自振振周周期期较较大大，频频率率较较低低，远远处处的的地地震震波波在在被被滤滤掉掉高高频频成成分分后后，低低频频占占主主要要地地位位，大大大大

44、增增加加了了发发生生共共振振的的可可能能性性。显显然然，这这是是采采用用刚刚性性地地基基假假定定计计算算模模型型考考虑虑不不到到的的。软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响 地基土土质对于改变地震波的频率特征具有重地基土土质对于改变地震波的频率特征具有重要作用，相当于一个要作用，相当于一个“滤波器滤波器”，当由底下入，当由底下入射来的大小和周期不同的地震波群进入表层土射来的大小和周期不同的地震波群进入表层土时，将某些频率波群放大或通过，而将另一些时，将某些频率波群放大或通过，而将另一些频率波群缩小或滤掉。频率波群缩小或滤掉。软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响如同

45、结构具有固有周期一样，地基土也具如同结构具有固有周期一样，地基土也具有固有自振周期，通常称为地基土的固有有固有自振周期，通常称为地基土的固有周期。周期。由于表层土是由许多土层构成的，因此多由于表层土是由许多土层构成的，因此多层土的周期并不是单一的。层土的周期并不是单一的。软地基软地基对结构地震反应的影响对结构地震反应的影响如果到达某一地点的地震动卓越周期与该地如果到达某一地点的地震动卓越周期与该地基土的固有周期一致，则将产生较大的放大基土的固有周期一致，则将产生较大的放大效应，使地表的振动幅度大为增加。效应，使地表的振动幅度大为增加。当地表地震波群中占优势的波动分量的周期当地表地震波群中占优势

46、的波动分量的周期与结构固有周期相近时，结构将由于类共振与结构固有周期相近时，结构将由于类共振效应而受到较大的地震作用。效应而受到较大的地震作用。地震反应谱对这种效应的表征图地震反应谱对这种效应的表征图 A(g)0 1.0 2.0 T(s)0.6 0.4 0.2ba共振共振放大放大地震反应谱对这种效应的表征图地震反应谱对这种效应的表征图图中曲线图中曲线a为基岩上的地震反应谱；为基岩上的地震反应谱；b为地表面为地表面的地震反应谱。由图不难看出，在地基土固有的地震反应谱。由图不难看出，在地基土固有周期周期(1.5s)处，反映谱幅值局部增大。若此时位处，反映谱幅值局部增大。若此时位于该点的结构周期也大

47、约为于该点的结构周期也大约为1.5s，则结构将受，则结构将受到较大的地震作用。到较大的地震作用。地震反应谱对这种效应的表征图地震反应谱对这种效应的表征图由于表层土的滤波作用，坚硬地基土的地震动以短周由于表层土的滤波作用，坚硬地基土的地震动以短周期期(高频高频)运动为主运动为主,而软地基以长周期而软地基以长周期(低频低频)为主。因为主。因此，坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对此，坚硬地基上短周期的结构震害大，而软弱地基对长周期的建筑不利。长周期的建筑不利。Soil-structure interaction,SSI地震时，地基地震时，地基基础基础结构作为一个整体而结构作为一个整体而产生振

48、动，因此，结构的地震反应不仅因结产生振动，因此，结构的地震反应不仅因结构自身的振动特性、地震动大小、而且也因构自身的振动特性、地震动大小、而且也因三者的相互制约、影响而不同。三者的相互制约、影响而不同。Soil-structure interaction,SSI软地基软地基对结构的作用：对结构的作用：1.改变结构的周期特征，通常可以增长结构的改变结构的周期特征，通常可以增长结构的基本周期基本周期Soil-structure interaction,SSI2.增加结构的阻尼增加结构的阻尼 有相当一部分的振动能量是通过地基土的滞有相当一部分的振动能量是通过地基土的滞回和波辐射作用耗散到地基中去。回

49、和波辐射作用耗散到地基中去。由于结构向地基放散的能量具有明显提高阻由于结构向地基放散的能量具有明显提高阻尼的效果，因此建筑的这种效应可起减震作尼的效果，因此建筑的这种效应可起减震作用。用。Soil-structure interaction,SSI通常，建于基岩上的建筑，由于能量无法通常，建于基岩上的建筑，由于能量无法散逸而不存在这种效应，地基越软，则向散逸而不存在这种效应，地基越软，则向下散逸的能量越多，其效应越明显。下散逸的能量越多，其效应越明显。Soil-structure interaction,SSI近近些些年年来来的的强强震震观观测测资资料料和和振振动动试试验验结结果果越越来来越越

50、表表明明，结结构构与与地地基基之之间间的的相相互互作作用用是是客客观观存存在在的的。因因此此，对对处处于于软软地地基基上上的的特特别别是是高高层层建建筑筑，在在计计算算其其地地震震反反应应时时必必须须考考虑虑地地基与结构相互作用。基与结构相互作用。考虑考虑SSI时结构地震内力的调整时结构地震内力的调整我国现行我国现行抗震规范抗震规范规定的地震作用计算，都是规定的地震作用计算，都是在刚性地基假定下进行的。理论分析表明，由于土在刚性地基假定下进行的。理论分析表明，由于土结构相互作用结构相互作用(SSI)的影响，地基土对地震作用有的影响，地基土对地震作用有衰减作用。但考虑到我国地震作用取值与国外相比