1.5　地震波与地震动

地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播,这就是地震波(earthquake wave)。地震波会给人类生产活动使用的构造物带来巨大的破坏作用,同时它也是人们得以研究地球内部构造的一种手段。地震波包括两种类型,即在介质内部传播的体波和两种限于界面附近传播的面波。

1.5.1　体波

体波(body wave)有纵波(longitudinal wave)与横波(transverse wave)两种类型。纵波(P波)是由震源传出的压缩波,波的前进方向与质点的振动方向一致,一疏一密向前推进,所以又称疏密波,它周期短、振幅小,其传播速度快,但引起震动的破坏力较小。

横波(S波)是由震源传出的剪切波,波的前进方向与质点的振动方向垂直,传播时介质体积不变,但形状改变,它周期较长、振幅较大,其传播速度较小,为纵波速度的0.5～0.6倍,但震动的破坏力较大。两种体波传播示意如图1.5.1所示。

纵波和横波在性质上有两个重要的差别:

(1)纵波能通过任何物质传播。而横波是切变波,只能通过固体物质传播,不能通过对切变没有抵抗能力的液体和气体。因此,如果地球内部某一地区可以通过横波,那么有充分理由认为该地区一定是固体;否则,是液体或气体。

(2)纵波在任何固体物质中的传播速度都比横波快。在近地表的一般岩石中,VP为5～6km/s,VS为3～4km/s。物质不同,地震波速度也不同。在多数情况下,物质的密度越大,地震波速度越快。根据弹性理论,纵波传播速度V P和横波传播速度V S,可分别按下列两式计算:

式中:E为介质的弹性模量;ν为泊松比;ρ为密度;G为剪切模量。

纵波在地面形成上下跳动,对一般建筑物的摧毁力较小。纵波的传播速度快,沿途能量散失也快,随着传播距离的增大,很快变得微弱,所以只有在离震中较近的地方出现上下跳动的纵波,才不可忽视。横波在地面形成水平晃动,对建筑物的摧毁力较强。横波的传播速度较慢,沿途能量损失也较慢。所以,在离震中较远的地方,纵波已比较微弱,横波还可能比较强。

小知识点:

由于纵波和横波的传播速度有所不同,到达地震台的时间有差别(走时差)。因此,可以利用地震波的传播特性来确定震中的距离和位置,从而进行有效抗震预防。其原理如下:如果在一个地震台测得纵波和横波的到达时间,V P,VS又是已知的,则可计算出地震发生在多远处。图1.5.2中(a)为3个台站中每一个台站记录的地震波图。每个台站的P波和S波到达的时间长度与距震中的距离是成正比的。地震必然发生在以地震台为圆心,以纵波和横波到达的时间差算出的距离为半径的圆上。如果在3个地震台测量,得出3个圆,则地震震中必然位于这3个圆的交点附近。图1.5.2中(b)为以每个台站为圆心画出相当于P-S波延迟距离的圆。该地震必然发生在这三个圆的交点上。

相反,如果知道地震发生在什么地方,也知道地震发生的时间,根据地震波到达分散在全球的地震台的时间,就可得出这些波在地球各部分传播的速度有多快。

日本气象局,利用这种原理,通过在全国埋设的强震计网,在地震发生不到数秒内,就能通过电视、广播等媒体,向国民通报地震发生的时间,震源位置以及震级等相关信息。这使日本国民在地震发生数秒内,在地震动横波和面波到来之前,得到相关信息,从而可以采取必要的地震防护措施。

1.5.2　面波

面波(surface wave)又称L波,是体波达到界面后激发的次生波,只是沿着地球表面或地球内的边界传播。面波随着震源深度的增加而迅速减弱,震源越深,面波越不发育。面波有瑞利波(rayleigh wave)与勒夫波(love wave)两种。瑞利波(R波)在地面上滚动,质点在平行于波的传播方向的垂直平面内作椭圆运动,长轴垂直地面,如图1.5.3(a)所示。勒夫波(Q波)在地面上作蛇形运动,质点在水平面内垂直于波的传播方向作水平振动,如图1.5.3(b)所示。面波传播速度比体波慢,瑞利波波速近似为横波波速的0.9倍;勒夫波在层状介质界面传播,其波速介于上下两层介质横波速度之间。

一个地震波记录图或地震谱如图1.5.4所示,最先记录的总是速度最快、振幅最小、周期最短的纵波,然后是横波,最后到达的是速度最慢、振幅最大、周期最长的面波。面波对地表的破坏力最大,自地表向下迅速减弱。面波还可区分先到达的勒夫波和后到达的瑞利波。

一般情况下,横波和面波到达时振动最强烈。建筑物破坏通常是由横波和面波造成的。

1.5.3　地震动

地震动也称地面运动,是指由震源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动。地震动是地震和结构抗震之间的桥梁,又是结构抗震设防的依据。

地震动是引起桥梁破坏的外因,其作用相当于结构分析中的各种荷载,但与常用的荷载有很大差别,表现在三方面:①常用荷载以力的形式出现,而地震动则以运动方式出现;②常用荷载一般为短期内大小不变的静力,而地震动则是迅速变化的随机振动;③常用荷载大多是竖向的,而地震动则是水平、竖向,甚至扭转同时作用的。

地震动可以通过仪器记录下来。对结构抗震而言,关心的是强震动记录,因为只有强震动才会危及结构安全。记录强震动的仪器为强震加速度仪,简称强震仪,它能够记录测点处三个互相垂直的地震动加速度分量(两个水平向分量加上一个竖向分量)。强震动记录是进行结构抗震设计的重要资料,在采用动力时程分析方法计算桥梁结构的地震反应时,需要用到强震地面运动记录:绘制规范反应谱曲线时,更需要有大量的强震地面运动记录。如图1.5.5所示为1995年神户地震中记录下来的JRT波的N-S成分及E-W成分加速度分量,由此可见,地震动的时程函数是非常不规则的。

在地震动的特性中,对结构破坏有重要影响的因素主要有地震动强度(振幅、峰值)、频谱特性和强震持续时间,简称地震动三要素。地震动是振幅和频率都在复杂变化着的振动,即随机振动。但是对于给定的地震动过程,可以把它看作是由许多不同频率的简谐波组合而成的。表示给定地震动中振幅与频率关系的曲线,统称为频谱。地震工程中常用的频谱有傅里叶谱反应谐与功率谱。其中,反应谱已被国内外抗震设计规范普遍采用。

影响地震动特性的因素包括震级、传播介质与途径,以及局部场地条件这三类。其中,局部场地条件对频谱形状的影响最早被各国规范所接受,我国《城市桥梁抗震设计规范》(JJ 166—2011)把场地土划分为四类,采用了形状随场地土变化的反应谱。但对于震源、传播介质与途径的影响,目前难以精确估计。

随着强震观测记录的不断增加,人们对地震动的认识也有了很大提高,目前已经可以对地震动进行合理估计。地震动的估计有三种可能的途径:第一种是通过地震烈度的估计,再利用烈度与地震动的对应关系将烈度换算为地震动设计参数;第二种是根据过去强震观测结果,寻求地震动与地震大小、震惊特性、传播介质、场地影响的统计规律(常称为衰减规律),然后直接用此衰减规律来估计地震动;第三种是通过震源机制理论分析,应用动力学原理,计算出地面附近的地震动。目前广泛采用的途径为前两种。

1.5.4　地震动的卓越周期

卓越周期(predominant period)原意指的是引起建筑场地振动最显著的某条或某类地震波的一个谐波分量的周期,该周期与场地覆土厚度及土的剪切波速有关。对同一个场地而言,不同类型的地震波会得出不同的卓越周期。地震时,从震源发出的地震波在土层中传播时,经过不同性质地质界面的多次反射,将出现不同周期的地震波。若某一周期的地震波与地基土层固有周期相近,由于共振的作用,这种地震波的振幅将得到放大,此周期称为卓越周期。由多层土组成的厚度很大的沉积层,当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射,由于波的叠加而增强,使长周期的波尤为卓越。卓越周期的实质是波的共振,即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时,由于共振作用而使地表振动加强。巨厚冲积层上低加速度的远震,可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。

卓越周期按地震记录统计得到,地基土随软硬程度的不同有不同的卓越周期,可划分为四级:一级为稳定基岩,卓越周期是0.1～0.2s,平均为0.15s;二级为一般土层,卓越周期为0.21～0.4s,平均为0.27s;三级为松软土层,卓越周期在二级和四级之间;四级为异常松软的土层,卓越周期为0.3～0.7s,平均为0.5s。