抗震工程概论(电子教案5).pdf
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清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 5.4 地震地面运动影响因素 地震动的特征通过地震动的振幅、频谱和持时来反映，分析地震动的影响因素，就是分 析对地震动三要素的综合影响 与影响地震烈度、震害的因素大致相同，对地震动的影响因素包括：震级、距离、局部 场地条件、传播介质、震源条件和地震机制（例如，断层类型） 下面仅讨论其中一些主要 影响因素 1、震级的影响 地震震级的大小对地震动三要素的影响明显， 当震中距离相同时， 震级越大， 则振幅大、 持时长、长周期（低频）分量显著图 5.13 给出了不同震级地震反应谱曲线示意图 M 小 M 大 T S 图 5.13 对应于不同震级地震的反应谱曲线 2、距离的影响 距离对峰值加速度ap的定性影响规律很明确， 而两者之间的定量规律是一个很重要的研 究内容，许多人进行了研究这一规律可用峰值—距离图分析，曾经统计分析了 515 条地震 记录，表明峰值ap—距离的关系分散，但总体上表现为： （1）随距离增加，ap减小； （2）距离增加，持时增加； （3）震中距越远，地震动的长周期分量越显著 其中第（3）点是导致区分近震、中震和远震的主要原因。
产生这一特点的原因是：随 距离增加，高频波动衰减快，低频波动（长周期）衰减慢 单从震级和距离上看，对于大地震、远距离场地，地震动中的长周期成份显著，对长周 期结构震害大，而短周期结构损坏较小；而对于中小地震，在震中区，则正好相反，以低层 房屋（自振周期短）破坏为主说明在很多情况下地震的破坏是有选择的 (a)峰值加速度随距离的变化 (b)不同震级与距离的反应谱 (c)持时随距离的变化 图 5.14 距离对地震动三要素的影响 1 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 3、场地的影响 场地是指建筑物所在地，大体相当于厂区，居民点和自然村的区域范围图 5.15 为场 地、地基和基础的定义及范围示意 场地条件包括场地土、场地土厚度、地形、不均匀地质条件或地质构造 场地 地基 基础 建筑 图 5.15 场地、地基和基础 （1）场地土的影响 场地土通常是指场地范围内一般深度在 15－20m 以内的地基土场地土对地震动的影 响很复杂，不能一概而论 地震现场常有地震烈度异常，大都是由于特殊的土质条件（构造）引起的 一般来说，基岩上地震动小，烈度低、震害轻；软土上地震动大，烈度高，震害重；硬 土上刚性结构震害重一些，长周期结构震害轻一些，软土上则相反。
例如 1923 年关东大地 震，硬土上刚性结构破坏重，软土上柔性结构破坏重 1）场地土对地震动振幅的影响 对位移影响：软土上比基岩上大； 对速度影响：软土上比基岩上大； 对加速度影响：一般情况下软土上比基岩上大，但不总是如此，因为软土上卓越周 期长对于强震非线性反应时，软土地基有可能出现“隔震”现象 图 5.16 给出几次地震时土层和基岩上地面运动峰值加速度的比较，可见大部分情况下， 土层上的加速度峰值大于基岩场地的结果，强震时，也会出现土层的小于基岩的结果 图 5.16 土层和基岩上地面运动峰值加速度的比较 2 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 1985 年墨西哥地震中高层结构遭到破坏的原因之一是震中距很远，土层下方入射地震 动的长周期分量显著，土层可以把长周期的地震动分量放大但如果是近场强震，有时可能 结果并不一样 2）场地土对持时的影响 软土上持时长，基岩上持时短（其它条件不变） 3）场地土对谱的影响 一般情况下，硬土场地上地震动的高频（短周期）成份丰富，而软土场地的低频（长周 期）成份丰富图 5.17 是采用了 104 条地震记录，阻尼比为 5％的反应谱曲线，其中， ①基岩—28 条； ②硬土（6.0 的 9 个。
各个测点在不同地震时的水平 加速度峰值比沿深度变化如图图 5.26（a） ；其加速度峰值比平均值在不同震级条件下沿深度 的变化如图图 5.26（b） 根据全部地震平均峰值比离散点连成的曲线特点，选取指数衰减模 型，采用非线性最小平方法进行拟合，拟合曲线见图图 5.26（c） 0.50.60.70.80.91.0 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 0.50.60.70.80.91.0 1 2 3 a b c Depth(m) (a) PGA Ratio(水平) 0.60.70.80.91.0 0.60.70.80.91.0 M6.0 全部 M6.0 Depth(m) (b) PGA Ratio(水平) 0.30.40.50.60.70.80.91.0 -250 -200 -150 -100 -50 0 0.30.40.50.60.70.80.91.0 III类数据点 拟合曲线 Depth(m) (c) PGA Ratio(水平) 图 5.27 土层台阵加速度峰值比沿深度变化图 3、 “土层/基岩”场地加速度峰值沿深度的变化规律 “土层/基岩” 型 Treasure Island 台阵共记录到 6 次地震， 且各地震的震级均在 4.5 左右， 地表地震动峰值的大小也比较接近， 故将这六个地震归为一类进行统计分析。
各测点在不同 地震时的水平加速度峰值比沿深度变化如图 5.28（a） ，其加速度峰值比平均值沿深度变化的 拟合曲线如图图 5.28（b） 0.20.40.60.81.0 -120 -90 -60 -30 0 Depth(m) (a) PGA Ratio (水平) 0.20.30.40.50.60.70.80.91.01. -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 1 Deepth(m) (b) PGA Ratio (水平) 数据点 拟合曲线 图 5.28 “土层/基岩”台阵加速度峰值比沿深度变化图 9 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 4、位移峰值沿深度的变化规律 （1）土层场地 不同地震时水平位移峰值比沿深度变化如图 5.29（a） ，其位移峰值比平均值在不同震级 条件下沿深度的变化如图 5.29（b） ，强震拟合曲线见图 5.29（c） 研究结果表明： ① 不论是水平分量还是竖向分量，峰值位移随深度的增加而减小； ② 按照震级或位移幅值的大小分类的分析结果一样， 随着震级或地表位移峰值 PGD 的 增大位移峰值沿深度的下降幅度减小； ③ 采用指数衰减模型拟合得到的全部地震的峰值比平均值沿深度变化曲线，能够较好 的反映地震动位移峰值沿深度的变化趋势。
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 -240 -200 -160 -120 -80 -40 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 Depth(m) (a) PGD Ratio(水平) 0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2 -250 -200 -150 -100 -50 0 0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2 M6.0 Depth(m) (b) PGD Ratio(水平) 0.70.80.91.0 -250 -200 -150 -100 -50 0 数据点 拟合曲线 Depth(m) (c) PGD Ratio(水平) 图 5.29 土层台阵位移峰值比沿深度变化图 （2） “土层/基岩”场地 不同地震时水平位移峰值比沿深度变化如图 5.30（a） ，位移峰值比平均值沿深度变化的 拟合曲线如图 5.30（b） 研究结果表明： “土层/基岩”型台阵的 6 次地震的大小比较接近，但是仍然可以看出对 于较大的两次地震其 PGD 沿深度下降幅度较小PGD 随深度的增加而减小，且 PGD 在浅 层下降幅度较大。
基岩处的 PGD 幅值，水平分量约是地表的 1/5对竖向位移的研究表明， 竖向位移随深度的变化规律在量值上与水平的结果有所不同，例如竖向分量在基岩处的 PGD 幅值约为地表的 1/2 10 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 0.00.20.40.60.81.0 -100 -50 0 0.00.20.40.60.81.0 00-09-03 M5.2 93-01-16 M4.8 94-06-26 M4 98-08-12 M5.4 98-12-04 M4.1 99-08-17 M5 Depth(m) (a) PGD Ratio (水平) 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 数据点 拟合曲线 Deepth(m) (b) PGD Ratio (水平) 图 5.30 “土层/基岩”台阵位移峰值比沿深度变化 (3) 不同场地位移峰值沿深度变化特点比较 土层场地和“土层/基岩”场地位移峰值沿深度的变化规律比较可以发现：从平均意义 上来说， “土层/基岩”场地的位移峰值沿深度下降幅度要大于土层场地。
0.20.30.40.50.60.70.80.91.0 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 “ 土层/基岩” 场地 土层场地 depth(m) PGD Ratio 图 5.31 不同场地位移峰值沿深度变化比较 5.6 地面运动的衰减规律 对一给定场地作地震危险性分析，或进行地震区划（烈度区划、地面运动参数区划） ， 其关键之一是地面运动衰减规律，即随震中距增加，峰值或烈度减小的规律目前大部分已 有的衰减关系是从统计分析得到，其中小震数据比重大，主要是在基岩中的衰减规律 不同地区、不同国家、不同地震衰减规律不同，因为地震衰减规律不但取决于距离还取 决于震源机制，传播途径和介质的性质 1、峰值衰减规律 典型的峰值衰减规律为 32 )( 41 bMb bReba+= 或 1234 loglog()ybb Mbxb=+++ 其中，a－PGA；y－PGA、PGV、PGD；M－震级；x、R－距离；b1…b4－统计参数 11 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 图 5.32 施纳贝尔－希德加速度衰减关系 2、烈度衰减规律 由于随震中距离的增加， 地震波的能量逐渐被吸收， 因而标志破坏程度的地震烈度也必 然随震中距离的增大而衰减，实际宏观调查得到的等震线图完全证实了这一点。
例如用我国 152 条地震的强震等震线进行衰减统计分析得到的烈度的衰减规律如下 DMIlog49. 363. 192. 0−+= 其中，I－烈度；D－震中距（Km） ；M－震级 图 5.33 给出我国不同地区的地震烈度衰减关系曲线，可见不同地区的烈度衰减关系可 能存在较大的差别 图 5.33 我国不同地区的地震烈度衰减关系 （1 全国；2 东部；3 西部；4 台湾；5 华南；6 华北；7 川滇；8 新疆） 12 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 3、谱的衰减规律 地震波的频谱随距离的增加将发生变化， 对于地震动频谱的衰减规律也开展了系列的研 究工作图 5.34 给出了中国华北地区土层与基岩场地反应谱随距离的变化曲线，可见，当 地震震级一定时，加速度反应谱值随距离的增加而减小，但其中长周期的分量相对提高，即 反应谱的形状随距离的增加而发生变化 图 5.34 中国华北地区土层与基岩场地加速度反应谱衰减曲线 13 清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 5 讲 图 5.35 给出了震级为 7.5，土层剪。
