地震學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)地振動及其觀測

地震學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)地振動及其觀測第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1強(qiáng)震觀測

強(qiáng)震觀測是利用強(qiáng)震儀記錄地震發(fā)生時的地面運(yùn)動時間過程及工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時間過程，為工程地震學(xué)、結(jié)構(gòu)抗震研究和應(yīng)用提供地震動與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)。強(qiáng)震觀測是地震工程學(xué)研究的基礎(chǔ)，強(qiáng)震觀測記錄還可應(yīng)用于烈度速報(bào)、地震預(yù)警、震害快速評估、地震應(yīng)急及結(jié)構(gòu)振動控制、結(jié)構(gòu)健康診斷等領(lǐng)域。第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1強(qiáng)震儀

強(qiáng)震儀是記錄強(qiáng)地震動時間過程的專用儀器，其基本原理與地震儀相同，但記錄的地震動物理量多為加速度（少數(shù)為速度），儀器的頻帶較寬、即可記錄多個頻率成分的地震動，其運(yùn)行方式為待震觸發(fā)。

第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)震儀的結(jié)構(gòu)

強(qiáng)震儀由拾振器（傳感器）和記錄系統(tǒng)組成，一般采用互相正交的三分向拾振器，可記錄兩個水平方向和一個豎直方向的地震動。記錄系統(tǒng)由記錄裝置、時標(biāo)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。幾乎所有的強(qiáng)震儀都具有自動觸發(fā)控制功能，當(dāng)?shù)卣饎臃颠_(dá)到設(shè)定的閾值時才開始記錄，拾振器拾取的地震信號通過電路送給電流計(jì)（或磁帶、存儲器等）記錄下來；時間系統(tǒng)為強(qiáng)震儀提供準(zhǔn)確的發(fā)震時刻和時間標(biāo)記。傳輸系統(tǒng)將地震動時程數(shù)據(jù)、時間等有關(guān)信息按照設(shè)定的方式向記錄處理中心傳輸。第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)震儀的分類強(qiáng)震儀按記錄方式分為：筆記錄式強(qiáng)震儀電流計(jì)記錄式強(qiáng)震儀光直記式強(qiáng)震儀模擬磁帶強(qiáng)震儀數(shù)字磁帶強(qiáng)震儀固態(tài)存儲式數(shù)字強(qiáng)震儀按記錄的物理量分為：強(qiáng)震加速度儀強(qiáng)震速度儀第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)震儀的主要性能指標(biāo)①靈敏度

以單位加速度（或速度）的記錄幅值表示。不同強(qiáng)震儀的靈敏度含義不同，電流計(jì)記錄和光直記式強(qiáng)震儀靈敏度為mm/g，磁帶記錄式和數(shù)字式強(qiáng)震儀的靈敏度為V/g；mm為記錄信號的幅值，V為記錄信號的電壓，g為重力加速度。②量程

強(qiáng)震儀可能達(dá)到的物理量測量的上、下極限值。現(xiàn)代強(qiáng)震儀能完整記錄±0.0001~2g的加速度值，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)（bit）為12位以上。第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月③頻率響應(yīng)

強(qiáng)震儀對正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)包括幅頻特性和相頻特性。在輸入幅值不變的情況下，強(qiáng)震儀記錄幅值隨振動頻率的變化稱為幅頻特性，幅頻特性平直表示記錄到的地震動放大倍數(shù)相同；記錄的相位隨振動頻率的變化稱為相頻特性，表示記錄相對原始地震動的相位差。儀器測量頻率范圍規(guī)定為強(qiáng)震儀幅頻特性上、下限頻率下降3dB的帶寬?，F(xiàn)代強(qiáng)震儀記錄地震動的周期范圍至少為0.04~20秒。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月④動態(tài)范圍儀器在容許的失真條件下，能記錄到的地震動范圍，與量程的含義類似，用分貝（dB）表示：dB=20*lg(測量的上限/測量的下限)5.1.1-1電流計(jì)記錄式強(qiáng)震儀和光直記式強(qiáng)震儀的動態(tài)范圍一般為40dB,模擬磁帶強(qiáng)震儀的動態(tài)范圍可達(dá)50dB，數(shù)字磁帶強(qiáng)震儀的動態(tài)范圍可大于100dB，固態(tài)存儲式強(qiáng)震儀的動態(tài)范圍在低采樣率時可大于120dB。⑤觸發(fā)方式有機(jī)械觸發(fā)、帶通閾值觸發(fā)、差值與比值觸發(fā)、定時觸發(fā)、手動觸發(fā)等不同方式。第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥記錄介質(zhì)主要有膠片、感光紙、磁帶、存儲器、U盤和硬盤。⑦靜態(tài)耗電強(qiáng)震儀等待地震時消耗的電流。⑧采樣率對拾振器輸出電壓每秒鐘采樣的次數(shù)，數(shù)字強(qiáng)震儀的采樣率一般有50sps、100sps、200sps、400sps四檔供選擇，現(xiàn)代強(qiáng)震儀的采樣間隔至少為0.01秒；⑨時間精度強(qiáng)震儀內(nèi)部時鐘與世界標(biāo)準(zhǔn)時間的相對誤差，現(xiàn)代強(qiáng)震儀的時標(biāo)精度可達(dá)5×10-7秒。⑩數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)代強(qiáng)震儀預(yù)存儲時間可達(dá)5秒，防止“丟頭”；有足夠容量的電源，可自動充電；可自動傳輸數(shù)據(jù)。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2強(qiáng)震臺網(wǎng)和強(qiáng)震臺陣

自1933年美國在加州的長灘地震中取得了第一條地震加速度記錄之后，強(qiáng)震觀測迅速發(fā)展。日本于1951年底組建“強(qiáng)震加速度計(jì)委員會”，此后由氣象廳、各大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合開展了全國的強(qiáng)震觀測。目前世界上約有四十多個國家開展強(qiáng)震觀測工作，設(shè)置了規(guī)模不等的觀測臺網(wǎng)，用于強(qiáng)震觀測的儀器超過2萬臺。美國現(xiàn)設(shè)置有5000臺強(qiáng)震儀，并正在實(shí)施一個布設(shè)6000臺強(qiáng)震儀的新計(jì)劃；美國加州規(guī)定所有超過6層的建筑物必須在地下室、頂層和中間層各設(shè)置一臺強(qiáng)震儀。日本有強(qiáng)震動觀測儀器近5000臺。中國大陸地區(qū)目前有強(qiáng)震儀約2000臺，臺灣地區(qū)布設(shè)了700多個強(qiáng)震臺。第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1962年以廣東新豐江水庫地震的監(jiān)測為契機(jī)，中國開始了強(qiáng)震觀測工作。此后地震局、各行業(yè)和高等院校陸續(xù)布設(shè)強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)。臺灣的強(qiáng)震臺網(wǎng)建設(shè)始于1972年。1980年中國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)建成，強(qiáng)震觀測覆蓋大陸30個省、自治區(qū)和直轄市。目前，中國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)是在21個國家地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)的具有遙測功能的數(shù)字強(qiáng)震臺網(wǎng)，其中包括8個一級重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)，臺網(wǎng)密度平均每600平方公里一臺；13個二級重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)，臺網(wǎng)密度達(dá)到平均每1800平方公里一臺；五個大城市（北京、天津、蘭州、烏魯木齊和昆明）的烈度速報(bào)臺網(wǎng)設(shè)速報(bào)子臺370個，子臺平均密度可達(dá)每50平方公里一臺。臺網(wǎng)由國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心、各區(qū)域臺網(wǎng)部和省強(qiáng)震動臺網(wǎng)部三級構(gòu)成。速報(bào)臺網(wǎng)子臺設(shè)置在：（1）人口密集區(qū)；（2）活斷層帶或地震活躍區(qū)；（3）高層建筑附近；（4）重要工程建筑附近；（5）生命線工程附近；（6）不同類型場地。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月中國數(shù)字強(qiáng)震動觀測臺網(wǎng)第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月中國臺灣花蓮強(qiáng)震臺陣第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月觀測臺站的布設(shè)完全取決于研究目的，設(shè)置為強(qiáng)震臺陣。為研究地震動衰減特性，儀器應(yīng)在垂直和平行發(fā)震斷層的方向布設(shè)，稱為跨斷層臺陣或地震動衰減臺陣；研究山丘或盆地對地震動影響，強(qiáng)震儀應(yīng)布設(shè)在穿過場地（含基巖和土層在內(nèi)）的測線上，稱為局部場地影響臺陣；研究地震動從基巖到土層的傳播規(guī)律，需要在深井下與地面同時觀測，稱為三維臺陣；研究場地引起地震動空間分布變化，含地震動相干性特征采用差動臺陣；研究地基與結(jié)構(gòu)相互作用采用土-結(jié)構(gòu)相互作用臺陣，研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)采用結(jié)構(gòu)臺陣；此外，還有針對某專項(xiàng)研究（如砂土液化）的特殊臺陣等。第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.3強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理

對強(qiáng)震觀測記錄數(shù)字化、進(jìn)行儀器校正、誤差校正、常規(guī)分析計(jì)算并輸出結(jié)果等的數(shù)據(jù)處理過程。強(qiáng)震儀記錄的數(shù)據(jù)是三分量的地震動時程，應(yīng)有完整的振動波形、零線和時標(biāo)。原始記錄在這三方面都可能存在誤差，原因在于：儀器失真、數(shù)字化誤差和數(shù)字積分誤差

固態(tài)數(shù)字儀原始記錄盒式數(shù)字磁帶儀原始記錄感光相紙?jiān)加涗浤z片(負(fù)片)原始記錄數(shù)據(jù)回放格式轉(zhuǎn)換數(shù)字化采樣（數(shù)字化）記錄校正計(jì)算速度、位移產(chǎn)品數(shù)據(jù)入庫計(jì)算反應(yīng)譜、傅立葉譜第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2強(qiáng)地震動特性和參數(shù)不同強(qiáng)震加速度記錄的振幅、頻率成分和持續(xù)時間（合稱強(qiáng)地震動三要素）有很大差別，分析這些特點(diǎn)，解釋造成差別的原因，根據(jù)研究成果模擬和預(yù)測強(qiáng)地震動，是工程地震研究的目標(biāo)。①寬頻帶型：是常見的地震動時程，一般得自中等距離的堅(jiān)硬土層場地，沒有突出的優(yōu)勢分量或頻率。埃爾森特羅強(qiáng)震記錄

第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月②脈沖型：一般得自震源附近的基巖或堅(jiān)硬土層場地，大震近場尤其明顯，一般某個方向分量大于另一個分量。余震的近場地震動往往是短周期脈沖。帕克菲爾德強(qiáng)震記錄

第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

日本氣象廳在阪神地震神戶市中央?yún)^(qū)臺站取得的記錄，水平分量峰值為820cm/s2，持續(xù)時間并不長，但幅值大、周期長。此次地震給神戶市房屋和高架橋、港口設(shè)施等工程結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。

日本神戶強(qiáng)震記錄第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1985年墨西哥近海地震（8級）在墨西哥城軟土層臺站（CDAO）得到的記錄，這是典型的軟土場地強(qiáng)震記錄（長周期型）。③長周期型，主要受軟土場地的影響，地震動頻率低，持時長墨西哥城強(qiáng)震記錄第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月中國的強(qiáng)震記錄第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月目前記錄到的最大地震動加速度峰值接近2g（1992年美國加州Petrolia地震CapMendocino臺站），g為重力加速度；另外有多次超過1g的記錄，如1994年美國洛杉磯北嶺地震，塔贊納臺1.82g，1976年美國圣弗南多地震帕柯依瑪水壩1.23g，1979年美國帝國谷地震6號臺站1.49g等。但這類高峰值對應(yīng)的頻率很高，是尖銳的脈沖，對地震工程意義不大。記錄到的最大速度峰值為300cm/s（1999年臺灣集集地震，TCU068臺站）。由記錄到的水平加速度峰值和垂直加速度峰值的比較可以看出，在震中距25公里以外，垂直峰值平均為水平峰值的1/2－2/3。近場垂直分量峰值加大，震中距小于10公里時，有許多實(shí)測垂直加速度峰值與水平峰值相當(dāng)，甚至超過水平分量。第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)地震動三要素地震動強(qiáng)度（峰值）地震動頻譜（反應(yīng)譜、傅氏譜、功率譜）地震動持續(xù)時間第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1地震動強(qiáng)度

加速度峰值是地震動加速度時程中最大幅值的絕對值，記為為PGA或amax；單位為cm/s/s（亦稱gal），或m/s/s，或重力加速度g。是地震工程中最常用的地震動參數(shù)。

第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月①反應(yīng)譜

計(jì)算不同自振周期單自由度彈性體系在基底輸入地震動作用下的動力反應(yīng)，得到反應(yīng)最大值的絕對值隨體系自振周期的變化關(guān)系稱為反應(yīng)譜。反應(yīng)譜與輸入地震動的特性和單自由度彈性體系的動力特性有關(guān)。反應(yīng)譜描述了地震動的特性（但未反映持時和相位特性），也是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的工具。

5.2.2地震動頻譜第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月埃爾森特羅記錄

反應(yīng)譜埃森特羅地震記錄南北分量的絕對加速度ACC、相對速度VEL和相對位移DIS反應(yīng)譜絕對加速度ACC相對速度VEL相對位移DIS第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月②傅立葉譜

傅立葉譜是強(qiáng)地震動時間過程的傅立葉變換。復(fù)雜的強(qiáng)地震動時間過程可表示為若干不同幅值和頻率的簡諧函數(shù)（即三角正弦或余弦函數(shù)）的疊加。第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

傅立葉譜傅立葉譜是強(qiáng)地震動時間過程的傅立葉變換。復(fù)雜的強(qiáng)地震動時間過程可表示為若干不同幅值和頻率的簡諧函數(shù)（即三角正弦或余弦函數(shù)）的疊加(見圖)。

圖5.2.2-3時間序列函數(shù)的傅立葉分解示意

將組成地震動時間過程的各個諧函數(shù)的頻率按次序排列作為橫坐標(biāo)，分別將各諧函數(shù)的幅值和相位作為縱坐標(biāo)繪圖，即可得到該地震動的傅立葉幅值譜和傅立葉相位譜。時間過程的傅里葉譜好似白光的光譜，清晰地反映出一個復(fù)雜事物的各種成分，對了解和分析地震動特性帶來極大方便。P68，缺失的兩段文字！第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可見，埃爾森特羅地震動時程包含了從0赫茲到10赫茲以上的很多諧振分量，其中1~2赫茲左右頻段范圍內(nèi)振動的幅值最大，可稱為卓越頻段；對應(yīng)最大幅值的頻率稱為卓越頻率。埃森特羅地震動時程及其傅立葉幅值譜

第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月③功率譜

功率譜是描述地震動平均譜特性的函數(shù)，是功率譜密度函數(shù)的簡稱。地震動是復(fù)雜的、難以準(zhǔn)確預(yù)測的時間過程，在大致相同的震級、距離和場地條件下得到的一組地震動記錄可視為地震動隨機(jī)過程，每條地震動稱為隨機(jī)過程的一個樣本。雖然樣本各不相同，但具有共同的統(tǒng)計(jì)特征，其平均譜特性比一個樣本的譜特性更有意義。對于各態(tài)歷經(jīng)過程，功率譜是分段傅立葉幅值譜平方的均值。第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3地震動持續(xù)時間

地震動時間過程的持續(xù)時間有長有短，在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進(jìn)入非線性階段后，地震動持續(xù)時間的長短對結(jié)構(gòu)的最終損傷程度有影響；持續(xù)時間越長，造成累積損傷的可能性越大。工程中關(guān)心的是具有較高幅值的強(qiáng)地震動持續(xù)時間。第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月能量持時En(t)—地震動能量函數(shù)a(t)—加速度時間過程To—地震動總持續(xù)時間第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4強(qiáng)地震動的影響因素

地震波從震源出發(fā)，經(jīng)過地殼介質(zhì)到達(dá)場地。震源、地殼介質(zhì)、場地使地表的地震動過程非常復(fù)雜。第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月①震源對地震動的影響

方向性效應(yīng)是因斷層破裂沿一個方向傳播而引起破裂傳播前方和后方地震動幅值、頻率和持時出現(xiàn)顯著差別的現(xiàn)象。斷層錯動可造成的近斷層地面永久位移（又稱滑沖）。近斷層地震動常出現(xiàn)大的速度脈沖，可由破裂傳播的方向性效應(yīng)和斷層滑沖造成。當(dāng)發(fā)震斷層為傾斜斷層時，斷層附近具有相同斷層距的上盤地震動相對下盤強(qiáng)度可能更強(qiáng)，稱為上盤效應(yīng)。第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月②傳播介質(zhì)的影響

地震波在地殼介質(zhì)中的幾何擴(kuò)散和介質(zhì)非彈性阻尼使地震動能量減少，隨著震源距的增加地震動幅值呈減小趨勢，且高頻成分衰減迅速。地震波在地下界面反射和折射，形成P波和S波的轉(zhuǎn)換和面波，改變地震波的強(qiáng)度和傳播方向。復(fù)雜的傳播介質(zhì)使地震波的強(qiáng)度、頻譜和持續(xù)時間都將發(fā)生很大變化。第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月③局部場地的影響場地的土層構(gòu)造對地震動特性有重要影響。軟弱土層會放大地震動的低頻成分，如1985年墨西哥地震中，距震中約400公里的墨西哥城軟土場地的地震動強(qiáng)度遠(yuǎn)高于巖石場地的強(qiáng)度，造成許多10層左右的樓房倒塌或嚴(yán)重破壞；相反，堅(jiān)硬場地會放大地震動的高頻成分，危及剛性建筑。上述現(xiàn)象稱為場地的選頻放大作用。土層的阻尼使地震動幅值減小，砂土液化將使地震動卓越周期顯著加長。震害和研究還表明，地表地形起伏、地下介質(zhì)特性的橫向變化也對地震動有非常大的影響，如高聳山脊的地震動一般較強(qiáng)，地震波在盆地內(nèi)的往復(fù)傳播會加大地震動強(qiáng)度和持續(xù)時間，后者稱為盆地效應(yīng)。第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3強(qiáng)地震動衰減

表征地震動參數(shù)隨震級、距離、場地等因素變化的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可由簡單關(guān)系式擬合強(qiáng)震觀測資料確定。

第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.3-1加速度峰值衰減曲線為反映近場高頻地震動隨震級增加趨于飽和的現(xiàn)象，可在衰減關(guān)系中增加震級M的平方項(xiàng)，且令該項(xiàng)的系數(shù)為負(fù)數(shù)；這樣，隨震級加大，地震動參數(shù)幅值減少也越大，不同震級的衰減曲線彼此靠得越近，反映出大震高頻地震動隨震級增加的飽和現(xiàn)象。圖為加速度衰減曲線的示例，圖中虛線衰減關(guān)系反映了近場地震動隨距離的飽和現(xiàn)象，但未反映隨震級的飽和想象，實(shí)線則反映了前述兩種地震動飽和現(xiàn)象。

第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4強(qiáng)地震動預(yù)測

強(qiáng)地震動研究的最終目的之一是為工程建設(shè)和抗震防災(zāi)提供設(shè)防地震動或設(shè)計(jì)地震動。估計(jì)不同地點(diǎn)未來可能遭遇的地震動稱為強(qiáng)地震動預(yù)測。在地震動三要素（強(qiáng)度、頻譜和持續(xù)時間）中，人們首先需要的是地震動強(qiáng)度（如加速度峰值）和地震反應(yīng)譜。這些參數(shù)可由地震危險(xiǎn)性分析或利用地震區(qū)劃圖確定現(xiàn)代復(fù)雜、重要工程的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時程分析，此時則需要輸入地震動時間過程。