常时微动在工程地震中的应用课件.ppt
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常时微动在工程地震中的应用常时微动在工程地震中的应用§5.3 建筑物场地土的周期特性建筑物场地土的周期特性§5.3-1 建筑物场地土类型与建筑场地类别】建筑物场地土类型与建筑场地类别】§5.4-1 场地地震卓越周期场地地震卓越周期§5.4-2 场地常时微动的卓越周期场地常时微动的卓越周期§5.4-3 场地设计特征周期（场地设计特征周期（Tg））§5.4-4 场地地震卓越周期与地脉动周期的关系场地地震卓越周期与地脉动周期的关系§5.5 地震共振效应与震害地震共振效应与震害§5.6 在工程、防震减灾方面的应用在工程、防震减灾方面的应用§5.6-1 用于建筑场地的分类用于建筑场地的分类§5.6-2 利用常时微动的卓越周期推算利用常时微动的卓越周期推算Vs 的平均速度的平均速度 §5.5-3 在地震在地震“安评安评”中的应用：中的应用：§5.5-4 利用常时微动测试结构物的振动特性利用常时微动测试结构物的振动特性§5.5-5 常时微动与砂土液化常时微动与砂土液化§5.5-6 在其它方面地应用在其它方面地应用常时微动在工程地震中的应用课件 §5.3建筑物场地土的周期特性建筑物场地土的周期特性§5.3-1 建筑物场地土类型与建筑场地类别建筑物场地土类型与建筑场地类别一、关于建筑场地的概念： 建筑场地建筑场地是指工程建设所直接占有并直接使用的有效面积的土地，大体相当于厂区、居民小区和自然村的地区范围的建筑所在地。
从工程地震勘察的角度来说，场地（site)的概念不仅代表着所划定的建筑占用地面积，还应该涉及建筑物所处的工程地质环境工程地质环境与岩土体的稳定性的问题岩土体的稳定性的问题 在地震区，凡工程地质条件简单，只具有同一地质单元的场地，通常都具有相同或相近的反应谱特性但对于面积较大，工程地质条件较复杂的场地，则不同工程地质单元的地段，其场地相关反应谱的特性明显不同 常时微动在工程地震中的应用课件 二、场地土的类型于建筑场地类别： 一）场地土类型的划分：一）场地土类型的划分： 场地土类型是确定建筑场地类别的主要依据为了考虑不同场地土质条件对地震反应影响，需要对场地土进行分类对地震反应影响，需要对场地土进行分类 场地土的类型系指场地内表层土刚度（软硬程度）的场地内表层土刚度（软硬程度）的表征表征，它是根据岩土名称、形状和剪切波速来划分的我国现有关建筑物抗震设计规范规定，一般取地下20米、且不得深于场地覆盖层厚度，根据土层的形状及平均剪切波速，将场地划分为： 坚硬土、中硬土、中软土、软弱土四种类型，见表7-1 常时微动在工程地震中的应用课件 土的类型土的类型 岩土名称和性状岩土名称和性状土层剪切波速范围土层剪切波速范围 （m/s)坚硬土或岩石坚硬土或岩石稳定岩石、实密碎石土υS>500 中硬土中硬土中密稍密的碎石土、中密的砾、粗、中砂，ƒμ﹥200KPa的粘性土和粉土、坚硬黄土。
500≥υS>250 中软土中软土稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细砂， ƒμ≤200KPa粘性土和粉土，ƒμ﹥130KPa的填土、可塑黄土250≥υS>140 软弱土软弱土 淤泥和淤泥质的土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土， ƒμ ≤ 130KPa的填土，流塑黄土υS﹤140表7-1 场地土类型的划分常时微动在工程地震中的应用课件 〈建筑物抗震设计规范〉规定，对于层数不超过十层且高度不超过三十米的一般建筑物，当场地无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表7-1来划分土地类型，在利用当地经验在表7-1的的剪切波速范围内估计个土层的剪切波速 这里特别提起注意的是，由于各地区土层沉积环境的不同，由个种土类构成的层状场地土的性状差异很大，即使同一类型的土层，其饱和度、密度、有效应力等物理力学性质也有明显的变化显然，对重大的建筑场地进行场地土分类时，应该以实测剪切波速为依据 《铁路工程抗震设计规范》（GBJ11-87)将场地土划分为三类： Ⅰ类场地土：岩石和土层为密实的块石土、漂石土或岩土，土层平均剪切波速大于500米/ 秒常时微动在工程地震中的应用课件 Ⅱ类场地土： Ⅰ类场地土和Ⅲ类场地土以外的稳定土 或土层的平均剪切波速大于140米 / 秒 并小于 500米 / 秒。
Ⅲ类场地土：土层为松散饱和的中沙、细砂、粉砂； 新近沉积的软性土或软塑至流塑的粘性土；淤泥和 淤泥质土；新填土，或土层的平均剪切波速小于或 等于140米/ 秒常时微动在工程地震中的应用课件 二）建筑场地类别的划分：二）建筑场地类别的划分： 建筑场地类别是场地条件的表征，划分场地类别主要作为在抗震设计中选择设计反应谱的依据 我国现行有关工业与民用建筑物、结构物的抗震设计规范注意根据土层等效剪切波速和场地覆盖层的厚度将建筑物场地划分为四类：常时微动在工程地震中的应用课件 等效剪切波速 （m/s) 场场 地地 类类 别别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Vse＞500 0500≥ Vse＞250 ＜5 ≥5250 ≥Vse＞140 ＜3 3~50 ＞50 Vse＜140 ＜3 3~15＞ 15~80 ＞80表7~2 各类建筑场地的复盖层厚度各类建筑场地的复盖层厚度常时微动在工程地震中的应用课件 卓越周期周期确定场地类别卓越周期周期确定场地类别卓越周期周期T （S） 场场 地地 类类 别别0.1 ＜ T ≤ 0.400.4 ＜ T≤ 0.80 T＞ 0.80 Ⅱ Ⅲ Ⅳ常时微动在工程地震中的应用课件 作业与思考题作业与思考题1、什么叫建筑物的场地？2、场地土类型和场地类别是怎样按平均剪切波速进行划分类别的？常时微动在工程地震中的应用课件 《建筑抗震设计规范》（《建筑抗震设计规范》（GB 500011－－2001））4.1 场地 4.1.1 选择建筑场地时，应按表 4.1.1 划分对建筑抗震有利、不利和危险的地段。
表 4.1.1 有利、不利和危险地段的划分地段类别 地质、地形、地貌有利地段 稳定基岩，坚硬士，开阔、乎坦、密实、均匀的中硬土等不利地段 软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘汉沟谷和半填半挖地基）等 危险地段 地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发展断裂带上可能发生地表位错的部位常时微动在工程地震中的应用课件 4.1.2 建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准 4.1.3 土层剪切波速的测量，应符合下列要求： 1 在场地初步勘察阶段，对大面积的同一地质单元，测量土层剪切波速的钻孔数量，应为控制性钻孔数量的 1/3 ～ 1/5，山间河谷地区可适量减少，但不宜少于 3 个 2 在场地详细勘察阶段，对单幢建筑，测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于 2 个，数据变化较大时，可适量增加；对小区中处于同一地质单元的密集高层建筑群，测量土层剪切波速的钻孔数量可适量减少，但每幢高层建筑下不得少于一个 3 对丁类建筑及层数不超过 10 层且高度不超过 30m 的丙类建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表 4.1.3 划分土的类型，再利用当地经验在表 4.1.3 的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。
常时微动在工程地震中的应用课件 表 4.1.3 土的类型划分和剪切波速范围土的类型 岩土名称和性状 土层剪切波速范围（m/s）坚硬土或岩石 稳定岩石，密实的碎石土υs＞500 中硬土 中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak＞200的粘性土和粉土，坚硬黄土 500≥υs＞250 中软土 稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤200 的粘性土和粉土，fak＞130 的填土，可塑黄土 250≥υs＞140 软弱土 淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，fak≤130 的填土，流塑黄土 υs≤140 注：g 为重力加速度4.1.4 建筑场地覆盖层厚度的确定应，符合下列要求： 1、一般情况下，应按地面至剪切波速大于 500m/s 的土层顶面的距离确定常时微动在工程地震中的应用课件 4.1.4 建筑场地覆盖层厚度的确定应，符合下列要求： 1、一般情况下，应按地面至剪切波速大于 500m/s 的土层顶面的距离确定 2、当地面 5m 以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速 2.5 倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速均不小于 400m/s 时,可按地面至该土层顶面的距离确定。
3、剪切波速大于 500m/s 的孤石、透镜体，应视同周围土层 4 土层中的火山岩硬夹层应视为刚体其厚度，应从覆盖土层中扣除 4.1.5 土层的等效剪切波速应按下列公式计算： υse＝d0/t （4.1.5-1） 式中 υse———土层等效剪切波速（m/s）； d0———计算深度（m），取覆盖层厚度和 20m 二者的较小值； t———剪切波在地面至计算深度之间的传播时间； 常时微动在工程地震中的应用课件 4.1.6 所列场地类别的分界线附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的设计特征周期 表 4.1.6 土的类型划分和剪切波速范围等效剪切波（m/s）场 地 类 别ⅠⅡⅣⅣυse＞5000 500≥υse＞250＜5 ≥5250≥υse＞140＜33～50＞50υse≤140＜33～15＞15～80＞80《建筑抗震设计规范》（GB 500011－2001）常时微动在工程地震中的应用课件 地段地段类别类别 地质、地形、地貌地质、地形、地貌有利有利地段地段 稳定基岩，坚硬士，开阔、乎坦、密实、均匀的中硬土等 不利不利地段地段 软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘汉沟谷和半填半挖地基）等 危险危险地段地段 地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发展断裂带上可能发生地表位错的部位表4.1.2常时微动在工程地震中的应用课件 土的类型土的类型 岩土名称和性状岩土名称和性状 土层剪切波土层剪切波速范围速范围（m/s）坚硬土或岩坚硬土或岩石石 稳定岩石，密实的碎石土υs＞500 中硬土中硬土 中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak＞200的粘性土和粉土，坚硬黄土 500≥υs＞250 中软土中软土 稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤200 的粘性土和粉土，fak＞130 的填土，可塑黄土 250≥υs＞140 表4.1.3常时微动在工程地震中的应用课件 §5.4-1场地地震卓越周期场地地震卓越周期一、场地地震卓越周期定义：一、场地地震卓越周期定义： （（Tr）） 场地地震卓越（场地地震卓越（Tr）是利用场地内已有强震记录资料，通过频）是利用场地内已有强震记录资料，通过频谱分析确定的场地地震卓越周期。
谱分析确定的场地地震卓越周期它是发生地震时，某一特定场地的地震反映加速度时程强度最大部分的周期成分，即根据某一特定场地的地震地面运动记录，计算出地震反应谱的主峰位量 所对应之周期场地地震卓越周期反映了：1）场地土的固有动力特性2）地震震源机制3）远近场的影响4）传播介质等特性 地震动灾害和地震动观测资料表明，不同场地的地基对地震波的频率响应是不一样的，也可以说地基有选频特性，这取决于它们本身的固有周期当震源机制、震级大小、震中距远近相同时，同一场地的地震地震卓越周期与场地的基本周期卓越周期与场地的基本周期均为相当的确定值 由于地震波的周期与震级、震中距和场地等土质条件等关系常时微动在工程地震中的应用课件 比较复杂，至今没有统一公式通常认为：震级变大，震源所辐射的地震波周期变长，频带变宽，地震动频率向低频方向移动因此，地震的卓越周期会随地震的增大而增长；相反，地震变小，地震卓越周期变短含有多种频率的地震波在传播过程中，短周期衰减较快，长周期衰减较慢，所以后者比前者传播得远，地震波的周期随震中距的增大而增长；地震动周期，随着场地地基刚度的减弱而增长地基愈松软，场地地震动的放大倍数越大，周期越长，因此相反，则周期变短。
通常，具有基岩和坚硬土地基，地震卓越周期都较短，一般为0.1 ~0.3秒 左右，厚层新添土回填土之类的地基的地震卓越周期都超过1秒，而深层的软弱土地基，如淤泥、淤泥质土地基，则可以高达2~3.5秒常时微动在工程地震中的应用课件 综上所述，场地的地震动性质随震源机制、震级大小、震中距离和土层性状不同而变化，并不是恒定不变的因此，不存在固定不变的卓越周期然而，尽管每一次地震的地震动特性都不同，但对于某一特定工程场地，其地震卓越周期，却是与场地土条件存在着某种相关性因此，对于不同场地土的地基，其地震卓越周期仍可大致加以估计 例如1977年3月罗马尼亚弗朗恰（Vrancea)发生的7.2级地震，距震中150km的布加勒斯特市，强震仪记录的地面加速度周期为1.0~1.4 秒，比震源区的地震周期长几倍，市内自振周期为0.8~1.25秒的楼房破坏严重 1968年日本十胜近海7.7级地震，仪器记录距震源很近的八户，短周期占波占优势；相反，距震源700km 的东京常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 仪器记录的都是长周期波，而且谱幅大，见下图： 1985年9月墨西哥8.1级地震，在距离震中400km 的 墨西哥城，仪器记录岩石场地的地震动的卓越周期小于0.5s，硬土场地的卓越周期小于等于1.0s，软土与硬土过度区场地的卓越周期为1.0s，软土场地的卓越周期为2.0s，特斯柯柯湖（Texcoco）附近的软土场地的卓越周期为3.0~4.0s 。
无论如何，Tr 仍是真正反映一定场地上地震动的卓越周期，也是建筑场地工程抗震设计所需要的一定地震动强度的相应场地周期真值但是，由于适宜的强震记录不容易获得，所以，在工程抗震设计中，工程师不得不采用其它方法确定场地的地震卓越周期，如场地设计特征周期（又叫拐点周期）Tg常时微动在工程地震中的应用课件 §5.4-2场地常时微动的卓越周期（场地常时微动的卓越周期（ Tm ）） 场地常时微动卓越周期（Tm）也叫场地脉动卓越周期产生地脉动的源可分为自然震源和人工震源两大类通常这些震动源的位置、性质和能量大小都具有随机性，因此，地脉动的激发和产生的波是随机的但由于地脉动所产生的波在场地土层中的多重反射和折射，在其传播过程中必然积累和携带了富裕程度土层结构的固有动力特性的大量信息，这种固有特性是不随时间变化的，因此地脉动可视为一种平稳的随机过程正是这种不随时间变化的场地固有特性的信息，使地脉动信号具有某种统计规律于是，人们就可以运用计算机，对工程建筑场区，不同地点的常时微动测试结果通过频谱分析，研究地基波形频率特性，确定场地的脉动卓越周期常时微动在工程地震中的应用课件 地脉动测试结果表明，在地脉动频谱中，存在着充分反映出场地土固有特性的信息。
具体地说，场地土对不同方向传播过来的入射波具有滤波性能，它能增强或抑制入射波群频率成分的比值，从而形成一种平稳的近似不变的频谱形状但由于场地土的性质与结构不同，其滤波作用亦不同，因此地脉动的信号频谱也不同即使在同一建筑工程场区上，不同位置的观测点，也常常发现在地基土质、性状出现变化的过渡地段，地脉动的频谱形状均有差异总之，不同工程场地地脉动观测结果表明：（1）地脉动的形状与与共此地的场地地基土的结构组合密切相关；（2）脉动观测点土层地基越薄，土质越坚硬（土层刚度愈大），基岩埋藏深度较浅，则地脉动的峰值频率愈高，且带宽较窄，其地脉动卓越周期愈短常时微动在工程地震中的应用课件 （3）脉动观测点地基土层愈厚，土质愈松软（土层刚度愈小），基岩埋藏深度较深，则地脉道的峰值频率越小，且频带愈宽，其脉动的卓越周期愈长图6-13是凯特（Katz)1978在美国内华达所作的地脉动观测的结果A、B、C三个观测点的脉动频谱图观测和记录均在夜间进行，周围无特定干扰振动源由于三个观测点的距离较近，因此，可以认为三个脉动源的频谱是近似相同的测试结果表明： 1）基岩表面（观测点A）的地脉动频谱曲线较平坦，接近于白噪声信号，由于没有第四纪土的滤波作用，测点的频谱基本反映了整个场地的频谱特性。
2）测点B、C 的频谱曲线具有明显的峰值，充分体现了第四纪覆盖土层对脉动源频率成分的改造作用比较B、C的频谱曲线还可以发现：常时微动在工程地震中的应用课件 1、B 点频谱峰值的频率较高（10HZ）左右C 点频谱峰值的频率较低（6~9HZ） 2、B 点的频谱峰值频带较窄，衰减快；C 点的频谱峰值频带较宽，衰减慢 频谱形状上的上述特征，显然是由B、C 测点的不同土层形状所引起的其中测点C 的覆盖土层较厚，土层的刚度较小（即剪切波速度值低） 又如珠海市某电厂工程场地，地基由裸露风化基岩逐渐变化过渡为坚硬土地基、肿硬土地基、中软土地基至软弱土地基（根据土层剪切波速划分），地基土覆盖层的厚度由零逐渐增加至45米（图6-14）地基脉动观测结果：地脉动频谱形状的频率峰值由大逐渐变小，频谱峰值频带由窄逐渐变宽，地面脉动卓越周期由短逐渐增长，各钻孔的深度和脉动卓越周期分别为：0.18~0.21s、0.30~0.40s、0.40~0.60s、0.60~0.78s.常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 §5.4-3场地设计特征周期（场地设计特征周期（Tg）） 我国现行有关规定，对场地周期的界定并不一致。
《建筑抗震规范（GB50011—2001）》沿用89规范所采用的“设计特征周期设计特征周期Tg”的术语，它是根据工程需要，按在一定的术语，它是根据工程需要，按在一定场地条件和近震和远震作用下，设计所用的影响系数曲线场地条件和近震和远震作用下，设计所用的影响系数曲线下降段起点对应的周期值下降段起点对应的周期值其取值要根据设计的近、远震和场地类别来确定为了更好体现震级和震中距的影响，新规范将建筑工程的设计近震、远震称为设计分组，并在《中国地震动反映谱特征周期区域图B》 基础上略作调整后分为三组，因此，场地周期值也是预测值场地周期值也是预测值 在场地复盖厚度dON和等效剪切波速Vsc 平面上，按相邻场地分界线上的Tg 值取平均值，既设在Ⅰ～Ⅱ类场地、Ⅱ～Ⅲ类场地、 Ⅲ～Ⅳ类场地分界线上的Tg 值分别为0.3、0.4和（）图中相邻等值线的Tg 值常时微动在工程地震中的应用课件 均为0.01S在dON —Vsc 图上，建筑抗震设计工分规定的场地类别曲线均呈台阶状因此插入后的Tg 等值线也可以用台阶状折线来表示 已有的研究表明：场地土越硬，地震震中越近，场地加速度反应中高频分量就越多，反映地震动卓越周期的特征周期就越小； 反之就越大，特别是Ⅲ、Ⅳ 类场地。
李小军等人进行的场地土层地震反映计算研究表明，由Ⅰ、Ⅱ类场地，地震动长周期（低频）成分明显增加，且对于Ⅲ、Ⅳ类场地其放大系数反应谱较长周期处的值远比我国建筑抗震设计规范规定的谱值大，对 Ⅳ场地，当计算基底输入地震动幅值较大（200Gal，300Gal时），其地震动长周期成分十分丰富，而短周期高频成分相对很少，特别是Ⅳ类场地尤为如此统计结果给出四类场地的反应，谱拐点周期Tg值如下： Ⅰ类场地Tg，其值约为0.18~0.40； Ⅱ类场地其值约为0.3~1.00S； Ⅲ 类场地其值约为0.6~2.50S； Ⅳ类场地其值约为1.20~3.50S常时微动在工程地震中的应用课件 无须伟言，基于经济方面的原因选用了Tg值偏小的数值，特别是Ⅲ、Ⅳ 类场地，由此可见，场地设计特征周期，是一个具有工程化定义的、并考虑经济因素的设计参数，它既不同于场地地震动卓越周期，更不同于地脉动的卓越周期由于与场类别地有关的设计反应谱特征周期Tg值越大，中长周期建筑结构物的地震作用也就越大，设防投资一般也相应增加从提高设防投资的效果出发，新规范允许使用插入法确定边界线附近的Tg值常时微动在工程地震中的应用课件 设计地震 分 组 场 地 类 别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 第一组 0.25 0.350.450.65 第二组 0.30 0.400.500.75 第三组 0.35 0.450.650.90表表6-20 不同场地设计特征周期不同场地设计特征周期常时微动在工程地震中的应用课件 几种场地周期几种场地周期1、场地常时微动的卓越周期（、场地常时微动的卓越周期（ Tm ）） 场地常时微动卓越周期（Tm）也叫场地脉动卓越周期。
地脉动是近地表每时每刻都存在的着的一种微小振动，它像人的脉搏一样不停的跳动着，故此得名2、场地设计特征周期（、场地设计特征周期（Tg）） 《建筑抗震规范（GB50011—2001）》沿用89规范所采用的“设计特征周期设计特征周期Tg”的术语，它是根据工程需要，按在一的术语，它是根据工程需要，按在一定场地条件和近震和远震作用下，设计所用的影响系数曲线定场地条件和近震和远震作用下，设计所用的影响系数曲线下降段起点对应的周期值下降段起点对应的周期值为了更好体现震级和震中距的影响，新规范将建筑工程的设计近震、远震称为设计分组，并在《中国地震动反映谱特征周期区域图B》 基础上略作调整后分为三组，因此，场地周期值也是预测值场地周期值也是预测值常时微动在工程地震中的应用课件 3、场地地震卓越周期（、场地地震卓越周期（Tr）） 是利用场地内已有强震记录资料，通过频谱分析确定是利用场地内已有强震记录资料，通过频谱分析确定的场地地震卓越周期的场地地震卓越周期它是发生地震时，某一特定场地的地震反映加速度时程强度最大部分的周期成分，即根据某一特定场地的地震地面运动记录，计算出地震反应谱的主峰位量 所对应之周期。
4、场地的基本周期（、场地的基本周期（ T0 ）） 定义：场地土在振动情况下可能出现最大振幅的周场地土在振动情况下可能出现最大振幅的周期，称为场地基本周期（期，称为场地基本周期（T0），或场地的卓越周期、），或场地的卓越周期、固有周期固有周期常时微动在工程地震中的应用课件 在多数情况下，地脉动的卓越频率与面波的最低群速度、相速度以及按体波多重反射理论得出的最大放大作用频率均接近，从而有学者将地脉动归入面波一类，也有学者认为它是体波或体波与面波的结合地脉动与场地地震卓越地脉动与场地地震卓越周期一样，反映着场地土的动力特性，因此，脉动卓越频周期一样，反映着场地土的动力特性，因此，脉动卓越频率与地震卓越频率较为相似率与地震卓越频率较为相似 地震场地观测结果证实上述这种看法例如1985年9月19日早晨，在墨西哥合众国太平洋沿岸的中部，发生了8.1级地震因这次地震造成距震中约400km的墨西哥城严重灾害，所以受到人们的普遍关注墨西哥城大致可分为湖沼地区、基岩地区和中间地区，从布置在市区内各个地震动观测点所获得的资料来看（见表6.19），§5.4-4场地地震卓越周期与地脉动周期的关系场地地震卓越周期与地脉动周期的关系 （（Tr）与）与 （（ Tm ））常时微动在工程地震中的应用课件 基岩、基岩坚硬土地基，地震卓越周期较短；软弱土、深层软弱土地基，地震卓越周期较长。
卓越周期在邮电交通部（S.C.T)观测点为2S，而在中央市场（CDA.O）观测点为4.0S ，强烈地震动连续2min ，这些都是湖沼堆积地区的共同特征 1985年墨西哥地震后，小林等人在墨西哥城区内布设了95个地脉动观测点，（采用地震仪器是以固有周期为1.0S 的拾震器，延长到5.0S 的微震仪）图6-16是东西方向延伸测线上19个观测点的记录，图6-16表示其富里叶波谱观测点1~4、19，布设在盆地边缘的山地上，振幅明显变小，卓越周期主要为短周期，但个别观测点也有显示5S 左右稍长的周期测点5~10，系布设在市区建筑物震害严重常时微动在工程地震中的应用课件 地区附近，测得的脉动卓越周期从1.0S~2.5S，与受害与受害建筑物结构的自振周期相一致建筑物结构的自振周期相一致测点11~15，地脉动卓越周期更长，可从4.0~5S根据地基钻孔土层剖面资料表明，地面脉动卓越周期的变化与分布显然和地基松软土层厚度的变化与分布完全一致因此，可以理解，微因此，可以理解，微动卓越周期是由于近地表的非常松软的土层所产生的动卓越周期是由于近地表的非常松软的土层所产生的，而而4S左右的长周期更是反映了浅部地基特征左右的长周期更是反映了浅部地基特征。
从上述观测资料可以清楚地看出，墨西哥城的场地地脉动卓越周期与地震卓越周期非常相似或接近由此可以说明，场地脉动卓越周期确实与强震地面运动有密切关系因此，近年来，利用地脉动测试 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 资料，分析研究场地可能出现的场地卓越周期，在工程地震勘察工作中已经逐渐得到推广和运用 在这里指应着重出的是，由于场地土层具有非线性性质，在强烈地震动的情况下，场地地震动的卓越周期实际上应该比地脉动的卓越周期长而且，地脉动的周期仅是反映场地土在微弱情况下的特征，其周期可能偏短因此，地脉动卓越周期不可能完全等于地震动卓越周期实测的地脉动周期与地震周期两者之间的定量关系，至今仍然未被建立起来美国人纽马克（Newmark)等人通过对1967年阿拉斯加地震现场实验的研究，曾提出为将场地地基在外直到正统，转变成为强震时的状态，可将地脉动卓越周期乘以1.5的调整系数这个调整系数是否适用其它强震场地，还尚待验证常时微动在工程地震中的应用课件 §5.5 地震共振效应与震害地震共振效应与震害 地震时，若建筑物的结构自振周期（或频率）与场地土的卓越周期（或频率）相接近或一致，两者变发生共振响应，从而使振动力、振幅和振动持续时间大大增加，同时也大大增加了建筑结构物的地震反应，结果导致建筑物结构因为承受过大的荷载而遭受破坏，这种现象称为建筑物场地的地震建筑物场地的地震共振效应共振效应。
场地的卓越周期测试结果表明，场地土层犹如一个滤波器，对于不同方向传过来的地震波入射波都具有滤波性能，若场地为软弱土层（剪切波速比较低）则对高频信号具有一定的滤波性能，对于低频信号则起放大作用而且场地土厚度越大，滤波作用越明显因此场地土的刚度与厚度不同，其滤波、选频与共振放大作用也不同地层坚硬场地土的地振动以短周期为主，而厚层软软场地的地震动是以长周期为常时微动在工程地震中的应用课件 主，这就是卓越周期较短的浅薄层坚硬土地基上，刚性结构物的震害比较重，而场地的卓越周期较长的深厚层软弱土的地基上，柔性结构物（如高层、特高层结构物）的地震反应比较强烈，导致震害比较严重的原因 例如1975年2月4日辽宁省海城7.3级地震，震后宏观考察发现：营口市在坚硬场地上面盖的多层砖房破坏都明显加重，这种情况发生的原因主要是多层砖房的自振周期比较短（0.3~0.5 s)与坚硬土的固有周期重合，发生共振响应而加重建筑物破坏的缘故 1976年唐山大地震，蓟运河上游阎庄子大桥，在强大地震力的作用下与桥址融入土地基产生的大振幅、低频共振，造成五跨大型桥面板向南飞腾叠落（照片8-3），但位于河边的单层瓦房，因为自振频率比地基的地震动频率小的多，故未发生共振，平房安然无恙。
常时微动在工程地震中的应用课件 宁和成建局院内的大型砖统水塔，也因自振周期与软土地基卓越周期接近产生强烈的共振而毁坏，但近旁的2房屋与三层楼房却未遭损坏 1995年1月17日，日本阪神发生7.2级地震，软弱地基与高架桥结构发生共振作用，使大阪与神户连接的高架道路多处倒塌，造成交通瘫痪据日本铁道研究所对神户地区六个车站附近的电站的地震记录结果分析表明，高速铁路的高架桥墩，其结构的自振频率与场地表的卓越周期相吻合，因而发生共振而遭破坏，在Hanshin 高速公路上因共振而引起强烈的摇晃有的桥跟桥墩的纵向配筋约束力不足而过早被剪断，造成桥墩底部以上部位的弯曲破坏，致使高架桥道路在地震时突然倾倒（照片8-4），鹰取资料证实，高架桥墩摇摆的幅度是地面的3~5倍，鹰取车站的水平加速度增幅约3倍，（桥墩为21m/S²，地面为6.6m/S²）常时微动在工程地震中的应用课件 高层建筑物也发生共振如大阪一栋高层公寓，地税是45层，地下是30层，高92.5米，从常备的5台强振仪记录到的这次地震数据中可以看出，楼宇层次越高，加速度、位移值就越大 目前，国内外一些大型设备及其它储罐，一般多营建在沿海地带填造的松软地基上，当储液罐遭受长周期的地震波影响时，且场地的卓越周期与储液罐液面晃动的基本周期相近似时，便会产生强烈的共振效应，从而激发储液罐液面晃动反应，导致储液罐破坏和储液由灌顶溢出的事故。
例如1923年九月日本关东地震，1964年6月新泻地震， 1964年3月美国阿拉斯加地震，油罐均遭破坏，酿成严重的次生灾害，特别是新泻昭和炼油厂起火，熊熊大火持续352个小时，80多个储液罐全部烧光，整个厂区被烧成废墟常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 作业与思考题作业与思考题1）简述场地的基本周期、场地地震卓越周期、场地常时微动的卓越周 期的基本定义？2）简述场地地震卓越周期与地脉动周期的关系？基岩、基岩坚硬土， 软弱土、深层软弱土地基，地震卓越周期将发生什么变化？3）什么叫地震共振效应？对建筑物产生什么影响？常时微动在工程地震中的应用课件 §5.6 在工程、防震减灾方面的应用在工程、防震减灾方面的应用§5.6-1 用于建筑场地的分类用于建筑场地的分类 根据常时微动与地基固有振动特性的密切关系，因此在工根据常时微动与地基固有振动特性的密切关系，因此在工程地震勘察和地震小区划的工作中，常常使用常时微动的程地震勘察和地震小区划的工作中，常常使用常时微动的结果进行地基分类。
结果进行地基分类 我们在关于场地土的类型与建筑物类别的划分中已经介绍我们在关于场地土的类型与建筑物类别的划分中已经介绍了，在此不再多费笔墨了，在此不再多费笔墨常时微动在工程地震中的应用课件 §5.6-2 利用常时微动的卓越周期推算利用常时微动的卓越周期推算Vs 的平均速度的平均速度 在场地基本周期的测定中，已经给出了：单一土层场地的基本周期和多层土场地的基本周期、层厚度与场地平均剪切波速的计算公式从此公式中，可以推算出求出Vs 的平均速度 日本田中爱一郎（1988年）在常时微动和场地法律关系的研究中提出用常时微动观测的结果推算地面下30米横波速度的经验公式：式中Vs是地表面30米厚土层的平均剪切波速； Tm是常时微动的平均周期； A 是常时微动观测到的最大振幅； α、β是场地周期和场地振幅影响系数常时微动在工程地震中的应用课件 α、β的选择见表3-6A、B 两种不同方法计算场地类别的数值，其中A 方案是使用场地平均周期计算的场地类别，B是 使用场地卓越周期确定的场地类别常时微动在工程地震中的应用课件 §5.5-3 在地震在地震“安评安评”中的应用：中的应用：1）常时微动与震害 日本人金井清等人，对于建筑物的震害与地基常时微动卓越周期的关系，进行了大量的观察研究。
图3-14是日本几次大地震时房屋破坏率与常时微动卓越周期的关系图由图中可见，几乎在所有的情况下场地常时微动的卓越周期在0.4秒左右时，房屋的破坏率都最大，这是因为日本的旧式民房基本是木制结构的，其固有周期一般多在0.4秒左右显然，房屋破坏是由共振作用造成的 1968年十胜冲地震时，野越三雄等人在函馆市详细地调查了地震烈度的分布，进行了常时微动的观测，研究了烈度分布和常时微动之间的关系指出常时微动功率谱的第一峰点对应的频率与烈度有一定关系，常时微动在工程地震中的应用课件 频率与烈度有一定关系，场地常时微动卓越周期越大，对应的地震烈度也越大 1966年邢台地震，在某个烈度异常区观测了地面常时微动，也发现了常时微动的卓越周期与震害有较明显的关系表层黄土较簿（小于十米）卓越周期小于0.1秒的地区房屋破坏很轻，表层黄土较厚（20~30米）常时微动卓越周期稍长（0.17~0.23秒）的地区建筑物、房屋破坏严重，常时微动大于0.23秒的地区，建筑物、房屋破坏反而较轻结果表明建筑物震害与场地常时微动卓越周期存在着一定关系1967年河北唐山大地震时，常时微动的卓越周期的观测结果也表明，震害与常时微动频数常时微动在工程地震中的应用课件 周期谱的形状也有一定关系，频谱宽的震害一般较严重，频谱的宽度用η来表示，下式表示了和常时微动周期间的关系：式中： hmax 是周期频度谱最大峰点高度，对应T2周期（秒）； T1和T3是1/2 hmax 幅度的最大、最小周期；T0是场地的卓越周期。
常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 2）常时微动在地震小区划中的应用： 如果在某个场地和地区的很多观测点，进行了大量的常时微动观测，获得了各个观测点的振动特性数据，据此，可以划分不同的地基许多城市地震小区划都把常时微动的观测作为场地土动力特性调查的一个手段，有时也把常时微动的结果为场地的分区和表征出动力学特征的参考指标 其具体做法是：首先按一定比例尺的测网，进行常时微动观测，求出各点的优势周期再依据工程地质资料，特别是钻孔地质柱状图和标贯（N） 值，制定地基分类的判定准则，最后绘出地震小区划图如辽宁省大连市地震小区划图，场地分类主要是根据土层的平均剪切模量，同时同时参考了常时微动观测的结果及`工程地质条件，表3-9列出了大连市地震小区划中小区划分的场地参数，其中常时微动体检的结果主要是：加速度记录的主峰频率和均方根振幅常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 在长春市地震小区划中也给出了由常时微动结果所作的分区图见3-16图分区的主要依据是功率谱卓越周期Tp<0.125S为主，构成的一类场地用Ⅰ表示，其中包括Ⅰ1~Ⅰ5，整体刚度较大表现为硬土类特征；卓越周期Tp =0.3~0.7S 为主构成的这类场地用Ⅲ表示，其中包括Ⅲ1~Ⅲ3，Ⅲ类场地为第四纪沉积物较厚，是场地整体刚度较小的软土地基。
介于两者之间的是卓越周期Tp=0.25S 的Ⅱ类场地，典型场地的功率谱曲线，如图3-17常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 §5.5-4 利用常时微动测试结构物的振动特性利用常时微动测试结构物的振动特性 现代科学研究以表明，建筑物（结构物）的振动特性（自振频率、阻尼比、和振型）与其结构、地基的构造有关如果建筑物自身的优势频率与该地区地震的主频接近或一致，则应采取采取措施改善其振动特性否则地震时的共振破坏是可怕的 调查建筑物（结构物）的方法有两种：一种是强迫振动法；一种是常时微动法前者使用振动机，用不同频率加振来测定结构物的响应，强迫振动法更接近地震时的实际情况，但对结构物施加的外力过大，可以使机构物遭到一定的破坏常时微动不需要激振设备，对结构物的自振频率、振型、阻尼比，与所要求去的参数非常一致，这种方法非常适合建筑物的振动测试 常时微动在工程地震中的应用课件 （一）测试的原理和方法：（一）测试的原理和方法：1）结构物振动特性的三要素： 结构物的振动特性包括自振频率、阻尼比、和振型自振频率、阻尼比、和振型。
由于结构物的复杂性，理论分析时，常将其简化为由质点和弹性杆组成的多自由度体系来进行 1、单自由度体： 单自由度体系，在无阻尼情况下的自由振动为一阶简谐振动，其角频率 ，只与本身的质量（m）和刚度（ｋ）有关，与起振条件无关实际上，振动的物体是要受到阻力的，对于房屋这一类结构物来说，其振动是一种欠阻尼的减幅振动，自振频率和振型自振频率和振型只有一个 2）多自由度体系： 常时微动在工程地震中的应用课件 研究表明，多自由度体系存在多个自振频率，且自振频率数目与和自由度数是相等的如N个自由度就存在n个自振频率，依次排列为：其ω1为第一自振频率或基本频率，依次为第一、第二，…第n 个频率 研究还证明，对于某一自振频率对于某一自振频率ωω，各质点振动位移间，各质点振动位移间存在一定的比例关系，形成一个对应于某一频率存在一定的比例关系，形成一个对应于某一频率ωω不变的不变的振动形式，称为振型振动形式，称为振型有n个自由度,就有n个自振频率，与其对应的就有n阶振型实际的振动是n个振型叠加的复合振动图3-10是三个自由度体系振动示意图 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 由于结构物存在着阻尼，而高频率的高阶振型衰减较快，且振幅较小，因此对结构物影响较大的是前n阶振型。
因此，一般工程结构只考虑第一振型，对于重要的高、柔结构物才考虑第二、三振型 2）数据处理方法：与特性参数提取： 结构物振动测试的分析处理方法主要有四种：主谐量法、高桥法、半频谱法和频谱分析法仅就第四种方法做一些简单介绍这是一种有关功率谱来确定结构物振动的有效方法，共分三步： 1 固有频率的确定；2 阻尼比的确定；3 振型的确定常时微动在工程地震中的应用课件 （二）测试技术：（二）测试技术： 结构物振动测试与常时微动观测使用的仪器设备都相同，传感器、记录器的体积小、重量轻、频带宽、动态范围大各道间相频特性好建筑物的振动，一般是由地基的常时一般是由地基的常时微动和风造成的微动和风造成的，测量时要注意风的影响，并避开人为活动带来的干扰 在建筑物振动测试中，ⅰ)拾震器应放在整体连接较好的部位，如楼梯墙角和受力墙和承重墙的墙角不要放在楼板的中央，因为这样仅记录了楼板的局部振动特性ⅱ)建筑物的结构物的振动测试多数以水平方向为主，只有在估计基础的摆动时才测量垂直方向振动的信号 ① 当仪器记录道数目有限时，对于每栋建筑物可以分别进行测量，比如，一次测长轴方向，一次测短轴方向。
②在测试扭转振动时，需在建筑物两端同时进行常时微动在工程地震中的应用课件 三）关于建筑物振动特性的一些介绍：三）关于建筑物振动特性的一些介绍：1、低矮建筑物的振动特性：、低矮建筑物的振动特性： 低矮建筑物的振动主要是由地基的常时微动所引起的为了解振动特性，可同时测量地基的常时微动对于结构简单，整体性较好的低层建筑，其自振频率和阻尼比如表3-1所示： 建筑物振 动特性 木结构预制件结构砖混结构自振频率ƒ0（Hz) 2.5 6.8 3~4阻尼比 h (%) 6.0 4.5 1~5表3-1 低层建筑物的振动特性低层建筑物的振动特性常时微动在工程地震中的应用课件 一般来说，建筑物越旧，高度越高，材料越柔、地基土越软、其自振频率越低判定建筑物的新旧和质量好坏，可通过长期监测，并根据动态特性的变化来进行另外，还可以通过了解结构物的振型变化确定其是否损坏及其大致位置图3-11为一海洋石油钻井平台模型，在平台的南端有三根杆件与主腿脱开，事先并未察觉 从振型测量结果来看，水平两各方向两端的振动幅度不均匀，相差20%~30%，南端的位移幅度比北端大，在正常情况下，南北两端应该能够均衡平移。
此时，说明南端刚度降低后经检查发现平台南端有一脱节点从垂直振型来看在底部出现变号，不符合第一、二振型的规律在固有频率方面，第一固有频率从6.044Hz 降到↓5.932Hz， 第二固有频率从23.85HZ 降到23.35HZ，仅变化了2%常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 2）多层和高层建筑物的振动特性： 建筑物的优势周期，沿其长边方向和短边方向是不同的低层建筑物（5层以下）长边方向的优势比短边方向短，而高层建筑物（7层以上）长边方向的优势周期比短边长 建筑物高度愈高，优势周期越长，但高度相同的建筑物，其优势周期不尽相同，有一个数值分布范围不同建筑物的高度越高，各种优势周期的分布范围越宽建筑物常时微动主要是建筑物与地基相互作用的综合反映，高度相同的建筑物优势周期不同，可以用地基条件不同来解释建筑在坚硬地基（S 波速度高）上的构筑物其优势周期较短3）建筑物振动特性的稳定性： 由观测统计结果来看，建筑物振动的震动源为平稳的随机过程，因此建筑物振动也是平稳的随机过程一般情况，建筑物振动并不是一个具有各态历经性的随机过程，要得到振动参数，必须作20~30次的统计平均。
常时微动在工程地震中的应用课件 §5.5-5常时微动与砂土液化常时微动与砂土液化 日本1964年、新泻地震的破坏，其中由地基的砂土液化造成的震害比较突出广泛发生砂土液化，使房屋地基普遍下降1米，按现代抗震设计的1530栋钢筋混凝土建筑物，均发生不均匀沉陷，其中有310栋发生倾倒，图中某公寓住宅群严重倾斜后经化验证明，此处砂土堆集层较厚，可达30米50%的颗粒大小介于0.2~0.4mm，地下水距地面仅有一米的距离一些人在震害最严重的地区，以常时微动测试为主结合地表层波速测试、土质调查，详细地研究了地基的砂土液化震害与常时微动特性之间的关系，指出了在非液化土地点与液化震害地点的土层物理特性具有明显的差异前者常时微动的频谱比较简单，频谱曲线以单峰值常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 为主，而后者则比较复杂，特别是在稍高频段附近都有明显地峰值，这个特点在150个观测点分析得出地结果，几乎完全是一致地日本人归纳了液化地点和非液化地点的常时微动谱的形态特征，并将其分为A型B型两种频谱，见图3-21的关系并且与同时观测到的剪切波速值、地下水位进行了分析与比较图3-22中可以看出，常时微动频谱类型、由图中分析可见，在地下水位小于一米，S波速度小于100m/s时，常时微动的频谱峰值形状呈现A型的场地，场地的砂土液化震害概率最高；当地下水位小于三米， ，S波速度小于130m/s 时，多属于A 型场地，砂土液化得可能性也较多。
上述特征，在其它地区也有出现研究与预测表明，常时微动的观测与分析研究，完全有可能成为震害砂土液化预测研究的一个重要的手段常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 §5.5.6 在其它方面地应用在其它方面地应用常时微动的观测，有时还被应用于其它很多领域1、评价建筑物的抗震性能： 为评价一座三层建筑物的抗震性能，在抗震加固施工前后进行了常时微动的观测，如图所示. 图中可以看出，施工后波形振幅变小，频率有所升高中图为功率谱的对比；下图为测点与屋外地表面测点的功率谱比较优势频率升高1~2HZ2、在山体滑坡地质调查中的应用： 在滑坡地区做常时微动的网状面积测量，求出各点的频谱，然后在根据已知稳定区和活动区的资料，对频谱进行分类，进而到整个测区进行全面评价，划分出稳定区、活动区和亚稳定区常时微动在工程地震中的应用课件 常时微动在工程地震中的应用课件 如果滑坡体块的剪切波速为已知值，根据常时微动的优势周期的 1/4 法则，计算出滑动界面的深度反之若已知界面深度，也可以运用 1/4 的法则常时微动在工程地震中的应用课件 。
