地震動特性

地震動三要素

(1)地震動強度 

表征地震動強度常用的參數(shù)是最大幅值（峰值），如加速度峰值，速度峰值，位移峰值。峰值取值簡單，直觀明了，在地震工程研究和抗震設(shè)計中廣泛使用。

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/s2（亦稱gal），或m/s２，或重力加速度g。是地震工程中最常用的地震動參數(shù)。

加速度幅值反應地震動的高頻特性。高頻地震動具有強烈的隨機性，震源、介質(zhì)和場地的局部變化都可能引起很高的加速度值，是不穩(wěn)定的參數(shù)，受巖石強度限制，大震的地震動峰值不隨震級而增大。研究表明結(jié)構(gòu)的地震反應并不取決于單個峰值，個別尖銳的峰值是超過結(jié)構(gòu)自振頻率很多的高頻運動引起的，削去個別突出的峰值，結(jié)構(gòu)反應幾乎不受影響，實際上經(jīng)常出現(xiàn)地震動峰值雖然很高而震害并不嚴重的現(xiàn)象。為克服這個缺點，從結(jié)構(gòu)地震反應研究和抗震設(shè)計要求出發(fā)，提出了多種等效峰值的定義，試圖代替峰值表示地震動強度，常用的是均方根加速度和有效峰值加速度，在研究文獻中還提出過譜強度、阿里亞斯強度、等效反應譜加速度、等效諧振加速度、持續(xù)峰值、概率有效峰值加速度、靜力等效加速度等。

(2)地震動頻譜 

地震動頻譜特性指組成地震動的各簡諧振動振幅和相位特性，頻譜顯示不同頻率分量的強度的分布，反映了地震動的動力特性。對于線性體系，結(jié)構(gòu)地震反應取決于地震動頻譜和結(jié)構(gòu)體系傳遞函數(shù)的乘積，在時域表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)總體反應等于各簡諧振動輸入反應的疊加。如果地震動的某個簡諧振動分量與體系固有頻率相同，就產(chǎn)生共振，是引起結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵原因。震害中有大量的軟土地基高層房屋破壞嚴重，硬土地基上低矮房屋破壞嚴重的現(xiàn)象就是例證。地震動的頻譜特性是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的反應譜理論和振型分解法的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)非線性反應分析中也有很大作用。

地震工程常用的頻譜有：傅里葉鋪，反應譜，功率譜。

(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)地震反應進入非線性階段后，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地震動持續(xù)時間。

地震動持續(xù)時間有不同的定義，如絕對括弧持時，相對括弧持時，能量持時的等，強震段持時的定義是不統(tǒng)一而且困難的，目前的特定定義都不能滿足分析的一般要求。隨著計算機和計算技術(shù)的發(fā)展，直接用時程反應計算分析結(jié)構(gòu)的地震反應已成為常用的分析方法，時程反應計算中已經(jīng)包含持時的影響，將持時作為獨立變量研究結(jié)構(gòu)反應已不多見。 

影響強地震動的因素 

地震波從震源出發(fā)，經(jīng)過地殼介質(zhì)到達場地。震源、地殼介質(zhì)、場地使地表的地震動過程非常復雜。

① 首先，震源對地震動有重要影響，研究震源（發(fā)震斷層）附近的地震動不能將震源簡化為點源，而要考慮斷層的尺度和破裂過程的影響。

方向性效應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。當破裂在斷層面上朝著一個方向傳播、且破裂速度接近剪切波速時，將導致斷層面輻射的能量幾乎同時到達前方觀測點（多普勒現(xiàn)象）；破裂后方觀測點的能量隨時間分布比較分散。因此，傳播前方觀測點的地震動較后方觀測點地震動幅值大、持時短。

斷層錯動可造成的近斷層地面永久位移（又稱滑沖）。如1999年臺灣集集地震中車籠埔斷層產(chǎn)生的地表破裂長度達100多千米，斷層東側(cè)（上盤）15 km范圍以內(nèi)的地塊都向西北方向移動并向上隆起，上盤相對于下盤錯動產(chǎn)生的斷層崖在南段高1 m，在北段則高達8 m。不少大地震都記錄到類似的永久位移。

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和斷層滑沖造成。

當發(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度可能更強，稱為上盤效應。

②其次，地震波在地殼介質(zhì)中的幾何擴散和介質(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，改變地震波的強度和傳播方向。復雜的傳播介質(zhì)使地震波的強度、頻譜和持續(xù)時間都將發(fā)生很大變化。

③ 場地的土層構(gòu)造對地震動特性也有重要影響。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度遠高于巖石場地的強度，造成許多10層左右的樓房倒塌或嚴重破壞；相反，堅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，地震波在盆地內(nèi)的往復傳播會加大地震動強度和持續(xù)時間，后者稱為盆地效應。