哈工大地震工程課件工程地震部分第五章強(qiáng)地震動工程特征和地震動的衰減

EngineeringSeismology(3)MainCharacteristicsandAttenuationofGroundMotionhttp://www.cen.bris.ac.uk/civil/students/eqteach97/glossary.htmhttp://www.cen.bris.ac.uk/civil/students/eqteach97/earth4.htm1完整版課件pptEngineeringSeismology(3)Main2完整版課件ppt2完整版課件ppt強(qiáng)地震動相當(dāng)復(fù)雜，只能選擇其主要的特征，地震動三要素：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)時間(duration)，絕對持時(0.05g或0.1g)、相對持時(5%-95%)等。3完整版課件ppt強(qiáng)地震動相當(dāng)復(fù)雜，只能選擇其主要的特征，地震動三要素：3完整4完整版課件ppt4完整版課件ppt地震動幅值的統(tǒng)計平均變化規(guī)律

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

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

5完整版課件ppt地震動幅值的統(tǒng)計平均變化規(guī)律同樣距離處，地震動幅值隨著震6完整版課件ppt6完整版課件ppt

Thestrongestearthquakemotionsthathavebeenrecordedtodatehavepeakaccelerationsbetween1gand3g,where1g(=980cm/sec2)istheaccelerationoftheEarth'sgravityfield,althoughrecordswithsuchlargepeakvaluesarerare.Itislessclearwhatthresholdofgroundmotionneedstobeexceededtobeconsidered“strongmotion”.Probablyalogicalleveltochoosewouldbeabout10cm/sec2,astheolderstrong-motioninstruments(accelerographs)thattraditionallydefinedthefieldarenotabletoresolvegroundaccelerationswithamplitudessmallerthanthis.Moderndigitalaccelerographsaremuchmoresensitive,abletoresolvepeakaccelerationsto0.1cm/sec2orsmaller.Peopleatrestareabletofeelmotionsassmallas1cm/sec2.Inmoderatemagnitudeearthquakes,damagetostructuresthatarenotdesignedforearthquakeresistanceappearsataccelerationsofabout100cm/sec2.7完整版課件pptThestrongestearthquakemotiPGA、PGV、PGD

這類參數(shù)因為具有簡單、直觀的物理意義及計算簡便等優(yōu)點，所以被人較早的認(rèn)識和接受。人們從靜力的觀點看待地震動，直觀地認(rèn)為最大加速度可以作為地震動強(qiáng)弱的標(biāo)志，因為由此產(chǎn)生的側(cè)向慣性力可代表地震動對結(jié)構(gòu)的破壞作用；這以后又發(fā)展用地震動的峰值速度和峰值位移作為地震動強(qiáng)弱的標(biāo)志，認(rèn)為地震動的峰值速度與地震動的能量有關(guān)，峰值位移與變形有關(guān)。8完整版課件pptPGA、PGV、PGD這類參數(shù)因為具有簡最大增量速度（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

可用來刻畫近斷層區(qū)域的地震動破壞勢

9完整版課件ppt最大增量速度（IV）、最大增量位移（ID）增量速度：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)為地震動的加速度、速度或位移，Td為地震動的持時。對于量度地震動的能量方面更為有效一些

10完整版課件pptRMSA、RMSV、RMSD均方根加速度、AI阿里亞斯（Arias）烈度11完整版課件pptAI阿里亞斯（Arias）烈度11完整版課件ppt譜烈度(SpectrumIntensity)

Sv為對應(yīng)阻尼比為ζ的相對速度反應(yīng)譜，T為周期，ζ常取為0或0.2，是一個客觀的物理量，并不涉及任何宏觀現(xiàn)象。譜烈度也是一個從能量的角度表征地震動潛在破壞勢的參數(shù)，因為Sv反映了彈性單自由度體系的能量需要，但譜烈度一個明顯的缺點就是它沒有考慮持時的影響，而持時對結(jié)構(gòu)的累積損傷是很重要的。12完整版課件ppt譜烈度(SpectrumIntensity)地震動反應(yīng)譜(responsespectrum)13完整版課件ppt地震動反應(yīng)譜(responsespectrum)13完整版單自由度彈性系統(tǒng)在地震動作用下最大反應(yīng)的絕對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，地震動的譜分析入門，地震出版社，1980反應(yīng)譜的算法14完整版課件ppt單自由度彈性系統(tǒng)在地震動作用下最大反應(yīng)的絕對值與體系的自振特15完整版課件ppt15完整版課件ppt16完整版課件ppt16完整版課件ppt17完整版課件ppt17完整版課件ppt18完整版課件ppt18完整版課件ppt19完整版課件ppt19完整版課件ppt20完整版課件ppt20完整版課件pptResponsespectradescribepeaktime-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.21完整版課件pptResponsespectradescribepeak擬反應(yīng)譜（pseudoresponsespectrum）22完整版課件ppt擬反應(yīng)譜（pseudoresponsespectrum）三聯(lián)反應(yīng)譜23完整版課件ppt三聯(lián)23完整版課件ppt24完整版課件ppt24完整版課件ppt25完整版課件ppt25完整版課件ppt標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜(normalresponsespectrum)動力放大系數(shù)、和標(biāo)準(zhǔn)化形式的設(shè)計譜（規(guī)范）26完整版課件ppt標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜(normalresponsespectrum27完整版課件ppt27完整版課件ppt

由于加速度峰值往往不能很好地反映地震動的破壞作用，特別在高頻分量較多時，可使加速度峰值很大，但高頻分量對大多數(shù)結(jié)構(gòu)物的反應(yīng)或破壞并不起關(guān)鍵的作用，為了克服以上缺點，人們提出了有效峰值的概念，認(rèn)為從抗震結(jié)構(gòu)觀點看，只有對結(jié)構(gòu)反應(yīng)有明顯影響的量才是重要的，其中最常用的參數(shù)有：有效峰值加速度（EPA）、有效峰值速度（EPV）。28完整版課件ppt由于加速度峰值往往不能很好地反映地震動的將阻尼比為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峰值相關(guān)，但一般來說，并不等于、甚至不比例于真實的峰值。常數(shù)2.5是一個經(jīng)驗系數(shù)，其物理意義相當(dāng)于大量地震動加速度反應(yīng)譜的平均放大倍數(shù)。峰值加速度與地震動過程中結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力無法直接聯(lián)系，而有效峰值加速度則彌補(bǔ)了這個缺點，29完整版課件ppt將阻尼比為5％的加速度反應(yīng)譜在周期0DurationDefinitionbracketduration（relativeorabsolute）EnergydurationEngineeringdurationEffecttoseismicresponseofstructures30完整版課件pptDurationDefinitionEffecttose31完整版課件ppt31完整版課件pptThesimplestoftheseispeakacceleration,whichiseasilyobtainedfromtheaccelerogram.Afterrecordsaredigitized,itiscommontoobtainseveraladditionalparameters.Timedomainparametersoftenincludepeakvelocityandpeakdisplacement.Durationofthestrongshakingisgenerallyconsideredimportant,butthereisnotauniquedefinitionofduration.Onesimpleapproachistomeasuretheintervalbetweenthetimeswhenthepeakaccelerationfirstandlastexceedssomethreshold,usually0.05g.Thealternativeapproachnamelytodefinetheamountoftimeinwhich90%oftheintegraloftheacceleration-squaredtakesplace.Thesetwodefinitionsleadtooppositeresultsasdistanceincreases.Atlargedistancesthepeakgroundmotionsdecreasesothattheintervaldurationgoestozeroeventhoughthegroundwasmoving.Ontheotherhand,theenergybecomesdispersed,resultinginanincreaseinthetimeintervaloverwhich90%ofthetotalenergyintheseismogramarrives.Inthefrequencydomain,theFourieramplitudespectrumandaclassofspectraknownasresponsespectraaregenerallydetermined.32完整版課件pptThesimplestoftheseisp其它參數(shù)位移延性能量（輸入能量、滯回能量）33完整版課件ppt其它參數(shù)位移延性33完整版課件ppt討論

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

評判的標(biāo)準(zhǔn)是什么？34完整版課件ppt討論

如何用地震動的參數(shù)合理的表地震動的衰減

(GMattenuation)最簡單的預(yù)測地震動的經(jīng)驗關(guān)系，其中震源的影響用震級表示，地震波從震源到場地的傳播影響用距離來描寫，場地的影響用場地分類來描寫；將距離項分解為幾何擴(kuò)散和非彈性衰減兩項。預(yù)測地震動的三種方法？？？35完整版課件ppt地震動的衰減(GMattenuation)最簡單的預(yù)測地36完整版課件ppt36完整版課件pptThepeakaccelerationandotherpeakparameterscanbedescribedbya.groundmotionpredictionequation.asafunctionoftheearthquakemagnitude,distancefromthefaulttothesite,generalsiteconditionparameter,andsometimesotherparameters.Peakaccelerationisacommonlyemployedparameterfortheseregressions,butpeakvelocity,peakdisplacement,spectralamplitudes,anddurationhavealsobeenmodeledinthismanner.Naturallythegroundmotionpredictionequationsdonotexactlydescribepeaksofpastearthquakegroundmotions.37完整版課件pptThepeakaccelerationandoth地震動衰減關(guān)系的統(tǒng)計數(shù)據(jù)地震數(shù)據(jù)，M或M0，類型臺站數(shù)據(jù)，距離，場地條件地震動觀測數(shù)據(jù)和常規(guī)數(shù)據(jù)處理的成果38完整版課件ppt地震動衰減關(guān)系的統(tǒng)計數(shù)據(jù)地震數(shù)據(jù)，M或M0，類型38完整版課地震動衰減關(guān)系的統(tǒng)計擬合方法

在確定衰減關(guān)系的系數(shù)時，最常用的統(tǒng)計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，一次個別地震中的數(shù)據(jù)占比例過大、一個場地的記錄占比例過大等，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，既將震級項和距離項分兩步統(tǒng)計，以減少兩者間的相關(guān)性對歸結(jié)果的影響。

39完整版課件ppt地震動衰減關(guān)系的統(tǒng)計擬合方法在確定衰減關(guān)系的系數(shù)時，最常用40完整版課件ppt40完整版課件ppt41完整版課件ppt41完整版課件ppt42完整版課件ppt42完整版課件ppt相對持時，隨距離的增加而增大43完整版課件ppt相對持時，隨距離的增加而增大43完整版課件pptBecausegroundmotionpredictionequationsareakeycomponentofprobabilisticseismichazardanalyses,itisclearthattheirdevelopmentwillbeanimportantpartofseismologicalresearchforsometimetocome.Until1999,forlargemagnitudesandshortdistancestheestimatesfromtheseequationswerebasedmoreonextrapolationthanonextensiveamountsofdata.44完整版課件pptBecausegroundmotionpredictiIn1999,thereweretwosignificantearthquakesthatcontributedveryimportantdataatshortdistances.OnewastheIzmit,Turkeyearthquake(August17,1999,Mw=7.6).Inthisearthquake,Andersonetal.(2000a)findthatthepeakaccelerationsonrockatnear-faultdistancesweresignificantlybelowfourdifferentgroundmotionpredictionequations.TheotherwastheChi-Chi,Taiwan,earthquake(September21,1999,Mw=7.6).PeakaccelerationsfromthisearthquakeweresignificantlybelowthreedifferentrecentgroundmotionpredictionequationsdevelopedprimarilyfromNorthAmericandatabutpresumedtoapplytothesametectonicenvironment.45完整版課件pptIn1999,thereweretwosignif缺乏強(qiáng)震記錄地區(qū)的地震動衰減關(guān)系

從宏觀烈度分析或者從地震臺網(wǎng)導(dǎo)出的地震參數(shù)評定所考慮地區(qū)的地震震源和地震波傳播(衰減)特性，與已經(jīng)提出經(jīng)驗的和理論的強(qiáng)運動衰減關(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)運動數(shù)據(jù)的比較，調(diào)整選擇的衰減關(guān)系式，評價和/或理論計算。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。

46完整版課件ppt缺乏強(qiáng)震記錄地區(qū)的地震動衰減關(guān)系從宏觀烈度分析或者從地震臺最近幾次大地震中強(qiáng)地震動表現(xiàn)的一些新特征

幾十年間，研究人員發(fā)表了大量的地震動三要素，幅值、持時和譜特征的統(tǒng)計關(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)常顯示出比用簡單經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的大得多的不規(guī)律性，與地震震源過程、從震源到場地的地震波的傳播和場地反應(yīng)等方面有關(guān)。47完整版課件ppt最近幾次大地震中強(qiáng)地震動表現(xiàn)的一些新特征幾十年間，研究人員在1994年美國北嶺地震、1995年日本阪神地震和1999年臺灣集集地震中觀測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)等都對地震動有重要的影響，又都牽涉到更復(fù)雜的震源機(jī)制、傳播途徑和場地條件的影響中的基礎(chǔ)理論問題。48完整版課件ppt在1994年美國北嶺地震、1995年日本阪神地震近斷層地震動

在近斷層區(qū)域地震動幅值分布受斷裂的幾何形態(tài)影響很強(qiáng)烈。對于豎直的走滑斷裂，破裂方向性效應(yīng)對于給定的至斷裂最近距離處地震動引起很強(qiáng)的空間變化。對于傾滑斷裂，有兩個主要的效應(yīng)：破裂方向性效應(yīng)和上盤效應(yīng)。上盤效應(yīng)主要是由斷裂對上盤場地的更近引起的。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。49完整版課件ppt近斷層地震動在近斷層區(qū)域地震動幅值分布受斷裂的上盤效應(yīng)(hangingwalleffect)

一個傾斜斷裂上盤的場地在總體上比下盤上最近距離相同的場地更靠近斷裂面。這引起了上盤短周期地震動比下盤相同最近距離處更大。上盤對逆沖地震引起的短周期地震動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)驗型模型將上盤場地的地震動與下盤的遠(yuǎn)離斷層破裂端部的區(qū)分開來。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。

50完整版課件ppt上盤效應(yīng)(hangingwalleffect)近斷層方向性效應(yīng)

(rupturedirectivityeffect)

在斷層近場地區(qū)，影響地震動特征的一個重要因素是斷層的破裂方向。根據(jù)場地與斷層的相對位置，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地或破裂方向與震源（hypocenter）和場地連線的夾角較小的話，場地的效應(yīng)稱為向前方向性效應(yīng)；如果斷層的破裂方向背離場地或破裂方向與震源和場地連線的夾角較小的話，稱為向后方向性效應(yīng)；如果場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)。通常所說的“方向性效應(yīng)”是指向前方向性效應(yīng)，因為向前方向性效應(yīng)產(chǎn)生的地震動對工程結(jié)構(gòu)來說更為不利。51完整版課件ppt近斷層方向性效應(yīng)

(rupturedirectivity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地傳播，使得斷層產(chǎn)生的能量以非常短的時間到達(dá)場地，這樣，在場地的地震動中將產(chǎn)生一個大的速度脈沖（通常發(fā)生在地震動的開始階段）。52完整版課件ppt近斷層方向性效應(yīng)斷層破裂所產(chǎn)生的能量波在近斷層方向性效應(yīng)斷裂上剪切位錯的幅射模式使這個地震動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。近斷層運動巨大破壞性在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。在這兩個地震中，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。

53完整版課件ppt近斷層方向性效應(yīng)斷裂上剪切位錯的幅射模式使這個地54完整版課件ppt54完整版課件ppt