地震动特性

地震动三要素

(1)地震动强度 

表征地震动强度常用的参数是最大幅值（峰值），如加速度峰值，速度峰值，位移峰值。峰值取值简单，直观明了，在地震工程研究和抗震设计中广泛使用。

加速度峰值是地震动加速度时程中最大幅值的绝对值，记为为PGA或 amax；单位为cm/s2（亦称gal），或m/s２，或重力加速度g。是地震工程中最常用的地震动参数。

加速度幅值反应地震动的高频特性。高频地震动具有强烈的随机性，震源、介质和场地的局部变化都可能引起很高的加速度值，是不稳定的参数，受岩石强度限制，大震的地震动峰值不随震级而增大。研究表明结构的地震反应并不取决于单个峰值，个别尖锐的峰值是超过结构自振频率很多的高频运动引起的，削去个别突出的峰值，结构反应几乎不受影响，实际上经常出现地震动峰值虽然很高而震害并不严重的现象。为克服这个缺点，从结构地震反应研究和抗震设计要求出发，提出了多种等效峰值的定义，试图代替峰值表示地震动强度，常用的是均方根加速度和有效峰值加速度，在研究文献中还提出过谱强度、阿里亚斯强度、等效反应谱加速度、等效谐振加速度、持续峰值、概率有效峰值加速度、静力等效加速度等。

(2)地震动频谱 

地震动频谱特性指组成地震动的各简谐振动振幅和相位特性，频谱显示不同频率分量的强度的分布，反映了地震动的动力特性。对于线性体系，结构地震反应取决于地震动频谱和结构体系传递函数的乘积，在时域表现为结构总体反应等于各简谐振动输入反应的叠加。如果地震动的某个简谐振动分量与体系固有频率相同，就产生共振，是引起结构破坏的关键原因。震害中有大量的软土地基高层房屋破坏严重，硬土地基上低矮房屋破坏严重的现象就是例证。地震动的频谱特性是结构抗震设计的反应谱理论和振型分解法的基础，在结构非线性反应分析中也有很大作用。

地震工程常用的频谱有：傅里叶铺，反应谱，功率谱。

(3)地震动持续时间 

地震动时间过程的持续时间有长有短，在结构地震反应进入非线性阶段后，地震动持续时间的长短对结构的最终损伤程度有影响；持续时间越长，造成累积损伤的可能性越大。工程中关心的是具有较高幅值的强地震动持续时间。

地震动持续时间有不同的定义，如绝对括弧持时，相对括弧持时，能量持时的等，强震段持时的定义是不统一而且困难的，目前的特定定义都不能满足分析的一般要求。随着计算机和计算技术的发展，直接用时程反应计算分析结构的地震反应已成为常用的分析方法，时程反应计算中已经包含持时的影响，将持时作为独立变量研究结构反应已不多见。 

影响强地震动的因素 

地震波从震源出发，经过地壳介质到达场地。震源、地壳介质、场地使地表的地震动过程非常复杂。

① 首先，震源对地震动有重要影响，研究震源（发震断层）附近的地震动不能将震源简化为点源，而要考虑断层的尺度和破裂过程的影响。

方向性效应是因断层破裂沿一个方向传播而引起破裂传播前方和后方地震动幅值、频率和持时出现显著差别的现象。当破裂在断层面上朝着一个方向传播、且破裂速度接近剪切波速时，将导致断层面辐射的能量几乎同时到达前方观测点（多普勒现象）；破裂后方观测点的能量随时间分布比较分散。因此，传播前方观测点的地震动较后方观测点地震动幅值大、持时短。

断层错动可造成的近断层地面永久位移（又称滑冲）。如1999年台湾集集地震中车笼埔断层产生的地表破裂长度达100多千米，断层东侧（上盘）15 km范围以内的地块都向西北方向移动并向上隆起，上盘相对于下盘错动产生的断层崖在南段高1 m，在北段则高达8 m。不少大地震都记录到类似的永久位移。

近断层地震动常出现大的速度脉冲，可由破裂传播的方向性效应和断层滑冲造成。

当发震断层为倾斜断层时，断层附近具有相同断层距的上盘地震动相对下盘强度可能更强，称为上盘效应。

②其次，地震波在地壳介质中的几何扩散和介质非弹性阻尼使地震动能量减少，随着震源距的增加地震动幅值呈减小趋势，且高频成分衰减迅速。地震波在地下界面反射和折射，形成P波和S波的转换和面波，改变地震波的强度和传播方向。复杂的传播介质使地震波的强度、频谱和持续时间都将发生很大变化。

③ 场地的土层构造对地震动特性也有重要影响。软弱土层会放大地震动的低频成分，如1985年墨西哥地震中，距震中约400公里的墨西哥城软土场地的地震动强度远高于岩石场地的强度，造成许多10层左右的楼房倒塌或严重破坏；相反，坚硬场地会放大地震动的高频成分，危及刚性建筑。上述现象称为场地的选频放大作用。土层的阻尼使地震动幅值减小，砂土液化将使地震动卓越周期显著加长。震害和研究还表明，地表地形起伏、地下介质特性的横向变化也对地震动有非常大的影响，如高耸山脊的地震动一般较强，地震波在盆地内的往复传播会加大地震动强度和持续时间，后者称为盆地效应。