下载文档原格式
第二部分 设计地震为了对结构进行抗震设计，必须进行结构地震反应分析，而要开展结构的地震反应分析，则需要预估作用在结构上的地震动，即必须确定地震动输入。
确定一个工程场地的结构抗震设计中应采用的地震地面运动，就称为设计地震（A design earthquake is a specification of the seismic ground motion at a site used for the earthquake resistant design of a structure.）。
地震地面运动主要控制因素包括峰值加速度（速度、位移）、频谱。
设计地震可以是：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧人工地震波实际地震记录加速度时程出）平均反应谱（由规范给分析给出）场地反应谱（由危险性反应谱 设计什么样的地震动是由结构地震反应分析方法确定的，而采用什么样的分析方法，则与结构的性质和重要程度以及地震环境有关。
当设计的地震动用于工程抗震设计（包括一般工程、特殊和重大工程等）时，规范平均反应谱—适用于一般工程；场地反应谱—适用于一般或较重要工程；加速度时程—适用于特殊或重大工程（如，核电站、大坝、大桥、超高层结构）。
各类工程对设计地震动参数的要求可见下表。
各类工程对设计地震动参数的要求 工 程一般房屋 超高层、储油罐地下埋置管线大跨度桥梁 核电站 要 求 峰值加速度a p反应谱S a 长周期反应谱S a 、S v 、S d 地下变形u 长周期反应谱桥墩差动 一组时程a (t )当前地震动的三种估计途径包括：① 通过地震烈度估计，再利用烈度I 与地震动的关系将烈度转换为地震动。
② 根据强震观测结果，寻求地震动与震级M 、震源特征、传播介质、场地影响的统计规律(衰减规律)，然后直接用此衰减规律来估计地震动。
③ 通过震源机制理论分析，应用动力学原理，计算出地面附近的地震动。
第6章 地震危险性分析及地震安全性评价6.1地震危险性分析的定义地震危险性分析（Seismic hazard analysis）：用概率统计方法评价在未来一定期限内某工程场地遭受不同地震作用的可能性。
抗震工程概论第1章绪论随着经济建设的迅速发展和社会财富的快速积累，灾害的防治越来越受到重视。
灾害是指那些由于自然的、人为的或人与自然的原因，对人类的生存和社会发展造成损害的各种现象。
在国家自然科学基金委员会工程与材料学部的重大工程灾害与防治论证报告中给出了灾害的一种更科学的定义：灾害是指自然环境或工程系统演变过程中失去固有平衡或稳定时造成人类赖以生存的基础破坏或功能失效的突发事件。
联合国成立了国际减灾十年委员会，希望通过国际间的合作与努力，力求在十年中有效地降低和防治自然灾害。
国际减灾十年委员会（1990－2000）提供的资料表明：1963年至1992年的三十年内，全球自然灾害的受灾总人数30.08亿人，死亡总人数36万人，直接经济损失3400亿美元，其中地震引起的灾害占很大的比例。
1.1地震活动及其灾害近十年来，我国每年平均灾害损失近1600亿元，相当于国民生产总值的3.8％，国民收入的30％。
这一比例是发达国家的十倍。
我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，20世纪全世界发生的七级以上的强震中，中国占35％，世界历史上一次地震中死亡人数最多的地震发生在我国（1556年明朝时陕西关中地震，死亡83万人），而现代死亡人数最多的两次地震也发生在我国（1920年宁夏海原8.5级大地震，死亡23万多人；1976年唐山7.8级大地震，死亡24万多人，直接经济损失97亿元）。
我国的绝大部分地区都受到地震的威胁，在全国450个城市中，位于地震区的占74.5％，28个百万以上人口的大城市中有85.7％位于地震区。
从二十世纪初到二十世纪八十年代，我国大陆7级以上地震活动经历了四个活跃期。
每个活跃期持续11至17年，平均发生15次左右7级以上大地震。
特别是在活跃期的最后阶段更容易发生较大的地震。
1988年以来，我国大陆进入了第五个地震活跃期，到现在已发生7级以上的地震八次。
世界范围三十年来的自然灾害经济损失统计资料表明，国民生产总值增加一倍，自然灾害损失增加三倍，随着经济的增长，自然灾害损失呈几何级数增长。
第3章 地震波3.1概述地震发生时，震源释放的能量以波的形式从震源向周围地球介质传播，这种波称为地震波。
地震波产生地面运动，导致了建筑结构的破坏。
地震波既是地震产生的后果（结果），又是导致结构物地震破坏的直接原因，同时地震波携带着地震震源及地球介质的信息，是研究震源和地球构造的基础，因此地震波是地震学的理论基础。
地震波的用途和作用：①研究地震震源机制。
作为地震产生的结果，地震波可以用来研究产生该结果的原因，因此通过对地震波的分析和模拟可以揭示震源的几何和物理力学参数，以及地震断层的破裂传播过程等。
②研究地球介质的结构。
地球的深部构造、地球内部的分层结构的确定往往是通过对地震波记录的分析获得的。
③正确估计结构地震反应。
地震波是引起结构破坏的原因，对原因特征的了解是正确估计结构地震反应的基础。
在大型复杂结构抗震问题研究中，常常需要进行结构多点输入，多维输入的地震反应分析，当计算分析方法合理可靠时，地震动空间分布场的特性确定是否正确，决定了分析结果是否可靠。
地震动空间分布特性是地震工程中一个十分重要的研究课题。
小波变换方法也常常用于地震波动特性的分析，小波变换可以研究波动频率成分随时间的改变，而频率的变化对已出现损伤的结构的反应有时可以产生重要影响。
波动是能量的传播，而不是介质物质的传播，这可以用水波为例说明。
固体介质中的波可以分为弹性波、非线性波、弹塑性波。
在震源及邻近区域，介质的变形是非线性的，而离开震源一定距离后，岩石则表现为线弹性的。
在线弹性介质中传播的波称为弹性波，地震波理论一般都是弹性波理论。
在弹性波理论中，最简单的是一维波动理论。
在一维波动问题中，仅用一个空间坐标就能确定波场的空间分布。
求解一维波动方程可以避免多维空间造成的数学困难，有利于阐明波动过程的物理概念。
同时在结构地震反应分析中，采用一维介质模型考虑土层场地的影响，对于构造规则的多层结构也有研究人员采用一维剪切型结构进行研究的，所以一维波动分析在波动理论研究及实际应用两方面都有重要作用。
建筑工程施工中的结构抗震技术概论随着现代城市化进程的加快和自然灾害频发，建筑结构抗震技术成为了建筑工程中不可忽视的重要部分。
抗震技术的研究和应用对于确保建筑物在地震等自然灾害中的安全和稳定具有至关重要的意义。
本文将就建筑工程施工中的结构抗震技术进行概论，介绍抗震技术的发展历程、相关理论和方法以及在实际工程中的应用。
一、抗震技术的发展历程抗震技术的发展可以追溯到上个世纪初，当时建筑结构的抗震设计还处于初级阶段。
在历次地震中，许多建筑物因结构不稳定而受到严重破坏，给人们生命和财产带来了巨大的损失。
为了提高建筑物的抗震能力，人们开始了抗震技术的研究和实践。
随着科学技术的不断进步，抗震技术也在不断完善和发展。
在结构设计方面，人们提出了许多新的理论和方法，如地震作用下结构的动力响应理论、基于性能的抗震设计方法等。
在建筑材料方面，出现了许多新的高性能材料，如高强混凝土、高强钢筋等，这些材料的广泛应用大大提高了建筑结构的抗震能力。
随着计算机技术的发展，人们可以更加准确地模拟地震作用下结构的响应，从而指导工程实践，确保建筑物的安全和稳定。
二、抗震技术的理论和方法抗震设计的目标是使建筑物在地震作用下保持结构完整性，最大限度地减小损失。
为了实现这一目标，设计师和工程师需要运用一系列抗震技术的理论和方法。
1. 结构动力响应理论结构动力响应理论是抗震设计的核心理论之一。
根据这一理论，地震作用下的结构响应可以分为静力响应和动力响应两种。
静力响应是指结构在地震作用下的变形和内力分布情况，可以通过静力分析来计算。
而动力响应则是指结构在地震作用下的振动情况，需要通过动力分析来进行计算。
理解结构动力响应理论有助于工程师更加准确地评估地震作用下结构的安全性。
2. 基于性能的抗震设计方法基于性能的抗震设计方法是一种新的抗震设计方法，与传统的设计方法相比，更加关注结构在地震下的变形和破坏情况。
通过这种方法，设计师可以更加合理地确定结构设计参数，从而确保建筑物在地震下的安全性和稳定性。
第一章地震工程学概论一、选择题1、建筑抗震设防烈度是根据下列哪一项确定：[C]A. 多于地震烈度B.罕遇地震烈度C. 基本地震烈度D. 震级2、下列哪些为抗震概念设计的范畴？[ABCE]A.房屋的高宽比限制；B. 抗震结构体系的确定；C.保证女儿墙与主体结构的连接；D.构件截面尺寸的确疋；E.选择有利场地。
3、下列设防烈度的说法中，哪条是不正确的？[D]A.设防烈度并非是基本烈度;B.设防烈度大都是基本烈度；C. 设防烈度是该地区今后一段时间内，可能遭受的最大的地震产生的烈度；D. 设防烈度不能根据建筑物的重要性随意提高。
4、通常生命线系统的建筑，包括医疗、广播、通信、交通、供电、供气、消防、粮食等建筑，在抗震规范中列为下列何种？[B]A.甲类建筑B. 乙类建筑C. 丙类建筑D. 丁类建筑5、延性结构的设计原则为[B]A. 小震不坏，大震不倒；B. 强柱弱梁，强剪弱弯，强节点、强锚固；C. 进行弹性地震反应时程分析，发现承载力不足时，修改截面配筋；D. 进行弹塑性地震反应时程分析，发现薄弱层、薄弱构件时进行设计。
二、填空题1、世界上主要地震带分别为环太平洋地震带和欧亚地震带。
2、工程抗震设防的基本原则可以概括小震不坏、中震可修、大震不倒。
3、建筑应根据其使用功能的重要性分为四个抗震设防类别，这些类别是甲、乙、丙、丁。
4、《建筑抗震设计规范》适用的抗震设防烈度的范围是6、7、8、9度。
5、地震波在地球内部以体波的形式传播，它又可以分为纵波和横波。
&在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。
7、对甲类建筑的地震作用值应按地震安全性评价结果确定。
8、地震动的三要素为最大加速度、频谱成分和持续时间。
、名词解释震级：反映一次地震本身大小的等级，用M表示log A ，式中A表示标准地震仪距震中100k m纪录的最大水平地动位移，单位为微米。
地震烈度：度量某一地区地面和建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。
第5章 地震地面运动地震动是指由震源释放出的能量产生的地震波引起的地表附近土层（地面）的振动，是工程地震研究的主要内容，地面运动就是对结构的输入。
地震动可以用地面的加速度、速度或位移的时间函数表示。
地震动：加速度a(t)，速度v(t)，位移u(t)，通称为地震动时程。
地震地面运动（Earthquake ground motion）有时也简称地震动。
地震动是引起震害的外因，其作用相当于结构分析中的荷载，差别在于结构工程中常用荷载以力的形式出现，而地震动以运动方式出现，常用荷载大多数是竖向作用，地震动则是竖向、水平甚至扭转同时作用的。
在地震工程中，人们研究的对象有三个：地震动（输入）、结构（系统）、结构反应（输出）。
只有在了解结构的地震反应之后，才可能科学地设计结构，而为了了解结构反应，则必须了解地震动与结构，两者缺一不可。
当前我们对结构的了解还很不够，特别是在结构物超过弹性阶段以后，而对地震动的了解则远远落后于对结构的了解。
地震动是一个复杂的时间过程，之所以复杂是因为存在着很多影响地震动的因素，而人们对很多重要因素难以精确估计，从而产生许多不确定性的变化。
地震动的显著特点是其时程函数的不规则性，因此，关于地震动的研究强烈地依赖对地震动观测的现状与发展。
5.1地震动观测记录到的地震动可分为六个分量：三个平动分量和三个转动分量。
目前直接得到的某一地点的记录通常为平动分量，转动分量的获得尚存在一定困难。
1、地震仪（Seismograph）地震工作者使用；记录弱震为主（1－4级地震，发生频繁，仪器连续记录）；记录量：位移或速度；要求：敏感，放大倍数大，2－3千倍或104－105倍，置放在基岩。
用于：预报地震，研究震源机制，地震波传播规律等。
2、强震仪（强震加速度仪，Accelerograph）结构抗震工作者用；记录强震；记录量：加速度；目的：确定强震地震动，为结构地震反应分析和抗震设计用，估计地震动。
更确切的说有三点：为研究地震动性质提供数据；为结构设计和试验提供输入；发展抗震理论，了解结构在地震中的表现。
第3章地震波概述地震发生时，震源释放的能量以波的形式从震源向周围地球介质传播，这种波称为地震波。
地震波产生地面运动，导致了建筑结构的破坏。
地震波既是地震产生的后果(结果)，又是导致结构物地震破坏的直接原因，同时地震波携带着地震震源及地球介质的信息，是研究震源和地球构造的基础，因此地震波是地震学的理论基础。
地震波的用途和作用：①研究地震震源机制。
作为地震产生的结果，地震波可以用来研究产生该结果的原因，因此通过对地震波的分析和模拟可以揭示震源的几何和物理力学参数，以及地震断层的破裂传播过程等。
②研究地球介质的结构。
地球的深部构造、地球内部的分层结构的确定往往是通过对地震波记录的分析获得的。
③正确估计结构地震反应。
地震波是引起结构破坏的原因，对原因特征的了解是正确估计结构地震反应的基础。
在大型复杂结构抗震问题研究中，常常需要进行结构多点输入，多维输入的地震反应分析，当计算分析方法合理可靠时，地震动空间分布场的特性确定是否正确，决定了分析结果是否可靠。
地震动空间分布特性是地震工程中一个十分重要的研究课题。
小波变换方法也常常用于地震波动特性的分析，小波变换可以研究波动频率成分随时间的改变，而频率的变化对已出现损伤的结构的反应有时可以产生重要影响。
波动是能量的传播，而不是介质物质的传播，这可以用水波为例说明。
固体介质中的波可以分为弹性波、非线性波、弹塑性波。
在震源及邻近区域，介质的变形是非线性的，而离开震源一定距离后，岩石则表现为线弹性的。
在线弹性介质中传播的波称为弹性波，地震波理论一般都是弹性波理论。
在弹性波理论中，最简单的是一维波动理论。
在一维波动问题中，仅用一个空间坐标就能确定波场的空间分布。
求解一维波动方程可以避免多维空间造成的数学困难，有利于阐明波动过程的物理概念。
同时在结构地震反应分析中，采用一维介质模型考虑土层场地的影响，对于构造规则的多层结构也有研究人员采用一维剪切型结构进行研究的，所以一维波动分析在波动理论研究及实际应用两方面都有重要作用。
、一维行波与简谐波1、一维波动方程一维剪切直杆，剪切模量G,质量密度P，横截面积A 图一维剪切直杆及其变形1 剪切杆的运动状态完全由杆轴线的横向位移u表示u= u ( x, t )X—空间坐标，固定在未变形状态杆的轴线上，t —时间坐标。
为建立剪切杆的运动方程，分析如图所示的微元体。
图中，F为横截面上的剪力；P为介质的质量密度；A为横截面积。
图剪切直杆的微元体受力图应用达朗伯原理，得到微元体力的平衡方程F 2u(F dx) F Adx 牙0x tF与剪应力T的关系为其中横截面上的剪力F=A T整理平衡方程得到再应用几何方程:物理方程: 可以得到一维标准波动方程2u~2X其中c JG/是描述波动的重要系数，称为波速。
对波动方程有两类基本解法：时域解法和频域解法。
时域解法一一直接解偏微分方程。
频域解法一一通过积分变换，变偏微分方程为常微分方程，然后求解。
2、一维行波解为得到一维波动方程的时域解，可以引入如下形式的变量代换E 二x- ct , n = x+ct由复合函数求导规则可以得到二阶导数为将以上两式代入到波动方程中得到对以上波动方程直接积分得到将变量变换为原来的变量x, t，可得到一维波动方程的时域一般解如下式中f( •)和g( •)代表任意函数。
由上式给出的解式被称为达朗贝尔解，也称为行波解，即行进波解，这是1747年由达朗贝尔给出的一维波动方程的经典解答。
为研究波动方程解的性质，考察一般解的第一项，令当t=0时，波形，即位移u相对空间坐标x的变化图形为当t=t i时，波形为对比以上两式发现，在t=0和上="时刻，波形不发生变化，而仅沿X轴做一空间平移，移动距离为d i=ct i可见波形在时间t i内平移了d i的距离，而波的形状不变，波形移动的速度为c。
因此，u=f（x-ct）表示一个以速度（波速）c沿x轴正向传播的波，波动的传播示意图见图。
图波动传播示意图同理可以证明u=g（x+ct）是一个以波速c沿x轴负向传播的波。
c—波速，波（形）的传播速度。
由于波形是能量的携带部分，因此对定型波而言，c代表能量的传播速度（仅对定型波如此，对有频散的波则不同）。
波速__________ —可见波速c与介质的刚度成正比，与质量密度成正比。
拉压杆:：G/。
E —弹性模量。
同理也可以得到扭转杆、弦等的波速。
行波是理想状态的解。
实际杆中（或外部介质）总存在一定的阻尼，波在传播过程中总存在能量消耗，因此随传播距离的增加，波形的幅值将不断衰减，但当所感兴趣的杆段不太长，同时介质的阻尼不太大时，行波解可以给出满意的结果。
测量材料动力特性的杆件试验中，就是用一维弹性波的理论得到问题的解。
图分析材料性质的杆-杆试验示意图波动的另外表达式（以向右传播的波动为例）含义完全相同，这是因为f是代表一个任意的函数。
3、一维简谐波解波动一振动的传播。
如果在x = 0处，质点的振动为简谐振动，例如正弦振动u | x=o = A sin 3 t A—振幅（扰动的最大模数）3—圆频率（单位：弧度/s ）当波以速度c沿x轴正向传播时，在空间点x处的位移为u= A sin 3（t - c/x ）上式即为简谐波。
通过对简谐波的分析，可以得到几个波动问题的术语。
简谐波从时间上看，其时程曲线如图所示：图简谐波时程曲线简谐波从空间上看，其空间位型如图所示:图简谐波的空间位型图和中，T—周期，入一波长。
u = A sin 3 （t - x/ c）通过对简谐波u = A sin 3 （t - x/ c）从时间分析上得周期T与频率3的关系：T=2n / 3周期的单位一般为s。
入与3、c的关系：入=2 n c/ 3波长的单位一般为m从空间上分析得到波长由以上两式可得到如下关系:cT 对于简谐波也常常采用复数的表示形式：A-复振幅；4、行波与简谐波的关系对任一行波u=f ( t- x/c ) 令E =t - x/c则u=f( E )以下Fourier 变换对存在将E= t -x/c代入上面的第二式得到可见任一行波都可以用简谐波的叠加表示。
地震体波( Body waves)地球介质中地震波的类型很多，大体上可以分成两大类：体波和面波。
体波可以在地球内部传播，面波沿地球表面或介质界面传播。
在地球内部传播的体波可以分两种：P 波和S 波。
1、卩波(Primary wave , Longitudinal wave , Compression wave ) P 波也可称为初达波、纵波、压缩波。
P波的特点是质点振动方向与波动的传播方向一致，例如，杆中纵波，空气中声波。
P 波可以在固体中、液体和气体中传播。
P波波速：E-介质的弹性模量；p-介质的质量密度；v —泊松比。
在地球介质中地震P 波的周期短，振幅小。
2、S 波( Secondary wave ，Transverse wave ，Shear wave )S波又称为次达波、横波、剪切波。
S波的特点是质点振动方向与波动的传播方向垂直，能在固体中传播。
S波的波速为：在地球介质中，与地震P 波相比，地震S 波的周期长，振幅大。
地球介质中的S 波又分为SH 波和SV 波。
SH 波为平面外波动，SV 波为平面内波动。
P波和S波波速之比通常在岩石中泊松比v=，则在弹性介质中，P波的波速总是大于S波。
在一个场地中首先感觉到的是P波，然后S波，这也是为什么把物理中的纵波和横波称为P波和S波的原因。
引起结构破坏的主要是S波。
地震面波（Surface waves ）面波－沿介质表面或交界面传播的波。
假若介质是均匀无限空间，则只能存在体波，而且各种体波可以独立存在。
如果介质存在界面，界面两侧介质的性质不同，则体波在界面上将产生反射和折射，除产生反射和折射的体波外，也会产生其它类型的波。
面波即是离开震中一定距离后，由体波入射到地面或介面时产生的转换波。
面波的特点是其能量局限在地表面或界面附近的区域，波的能量沿地表面或界面传播，波动的振幅随深度的增加而减小。
1、Rayleigh 波（R－wave）Rayleigh 波可以存在于弹性半空间及成层弹性半空间中由SV 波以超临界角入射到弹性半空间表面时产生的转换波。
在震中不出现Rayleigh 波，Rayleigh 波的存在条件：大约震中距，后才会出现。
其中△为震中距，h为震源深度，cR和cP分别为Rayleigh和P波波速。
体波的入射角与震中距△和震源深度h的关系在弹性半空间中，Rayleigh 的特点是在地表面的质点做逆进椭圆运动。
在均匀半空间中，R ayleigh波速C R~（当v=时），Rayleigh波速6<C s。
、Love 波（L—wave，乐甫波）另一类S 波—SH 波也可以产生面波。
2、Love波（L—wave，乐甫波），Love波首先在实际地震观测中发现，后由Love从理论上证明其存在。
Love波的存在条件：弹性半空间上存在一软弱水平覆盖层，覆盖层的波速C si<C s2, C si和C s2分别为覆盖土层和弹性半空间中的剪切波波速。
Love 波是一种SH 型波，它的传播类似于蛇行运动，如图所示，即质点作与传播方向相垂直的水平运动，无竖向运动分量。
传播速度满足C S1 < C L < C S2C L—Love 波速。
图Love 波的传播和质点振动特点Rayleigh 波有两个振动分量—水平和竖直分量，Love 波仅有一个水平分量。
地震波的传播规律实际由震源发出的地震波是由点源发射向三维空间的体波，即实际的体波是一个球面波（波振面是三维球面）。
当这个波射到地球介质的界面（或地表面）时，可能产生面波。
面波将以柱面波的形式向外传播（波振面是二维柱面）。
随着传播距离的增加，波动的能量密度在减小，波动位移的幅值随之变小，这就是所谓波动的几何衰减。
下面根据球面波和柱面波振幅随传播距离变化的性质来定性说明地震波的几何衰减规律。
地震体波的衰减规律：地震面波的衰减规律：其中，A—波动振幅，E—能量密度，r—震源距。
由此可见，面波的衰减比体波慢得多，例如当r=100km时，三维空间中体波和面波的传播也叫辐射传播。
由于波动辐射传播引起的波动振幅衰减这一效应有时被称为辐射阻尼。
引起地震波振幅衰减的另一个原因是介质的非弹性引起的，即存在介质阻尼。
在地震波动的研究中也有详细的理论分析。
以上介绍了地震波的主要类型和特点，实际地震波的类型很多，如PS、PPS 等等，但一般都可以用以上介绍的基本波表示。
在震中区，地震动以体波为主，在远离震中的区域将出现面波成份，当震中距较大时，地震动分量中面波的振幅可能大于体波。
下面的示意图给出了典型的地震波在空间传播时，不同地震波在空间分布的先后次序和质点振动的特点。
