1.5　地震波與地震動

地震時震源釋放的應變能以彈性波的形式向四面八方傳播,這就是地震波(earthquake wave)。地震波會給人類生產活動使用的構造物帶來巨大的破壞作用,同時它也是人們得以研究地球內部構造的一種手段。地震波包括兩種類型,即在介質內部傳播的體波和兩種限于界面附近傳播的面波。

1.5.1　體波

體波(body wave)有縱波(longitudinal wave)與橫波(transverse wave)兩種類型。縱波(P波)是由震源傳出的壓縮波,波的前進方向與質點的振動方向一致,一疏一密向前推進,所以又稱疏密波,它周期短、振幅小,其傳播速度快,但引起震動的破壞力較小。

橫波(S波)是由震源傳出的剪切波,波的前進方向與質點的振動方向垂直,傳播時介質體積不變,但形狀改變,它周期較長、振幅較大,其傳播速度較小,為縱波速度的0.5～0.6倍,但震動的破壞力較大。兩種體波傳播示意如圖1.5.1所示。

縱波和橫波在性質上有兩個重要的差別:

(1)縱波能通過任何物質傳播。而橫波是切變波,只能通過固體物質傳播,不能通過對切變沒有抵抗能力的液體和氣體。因此,如果地球內部某一地區可以通過橫波,那么有充分理由認為該地區一定是固體;否則,是液體或氣體。

(2)縱波在任何固體物質中的傳播速度都比橫波快。在近地表的一般巖石中,VP為5～6km/s,VS為3～4km/s。物質不同,地震波速度也不同。在多數情況下,物質的密度越大,地震波速度越快。根據彈性理論,縱波傳播速度V P和橫波傳播速度V S,可分別按下列兩式計算:

式中:E為介質的彈性模量;ν為泊松比;ρ為密度;G為剪切模量。

縱波在地面形成上下跳動,對一般建筑物的摧毀力較小。縱波的傳播速度快,沿途能量散失也快,隨著傳播距離的增大,很快變得微弱,所以只有在離震中較近的地方出現上下跳動的縱波,才不可忽視。橫波在地面形成水平晃動,對建筑物的摧毀力較強。橫波的傳播速度較慢,沿途能量損失也較慢。所以,在離震中較遠的地方,縱波已比較微弱,橫波還可能比較強。

小知識點:

由于縱波和橫波的傳播速度有所不同,到達地震臺的時間有差別(走時差)。因此,可以利用地震波的傳播特性來確定震中的距離和位置,從而進行有效抗震預防。其原理如下:如果在一個地震臺測得縱波和橫波的到達時間,V P,VS又是已知的,則可計算出地震發生在多遠處。圖1.5.2中(a)為3個臺站中每一個臺站記錄的地震波圖。每個臺站的P波和S波到達的時間長度與距震中的距離是成正比的。地震必然發生在以地震臺為圓心,以縱波和橫波到達的時間差算出的距離為半徑的圓上。如果在3個地震臺測量,得出3個圓,則地震震中必然位于這3個圓的交點附近。圖1.5.2中(b)為以每個臺站為圓心畫出相當于P-S波延遲距離的圓。該地震必然發生在這三個圓的交點上。

相反,如果知道地震發生在什么地方,也知道地震發生的時間,根據地震波到達分散在全球的地震臺的時間,就可得出這些波在地球各部分傳播的速度有多快。

日本氣象局,利用這種原理,通過在全國埋設的強震計網,在地震發生不到數秒內,就能通過電視、廣播等媒體,向國民通報地震發生的時間,震源位置以及震級等相關信息。這使日本國民在地震發生數秒內,在地震動橫波和面波到來之前,得到相關信息,從而可以采取必要的地震防護措施。

1.5.2　面波

面波(surface wave)又稱L波,是體波達到界面后激發的次生波,只是沿著地球表面或地球內的邊界傳播。面波隨著震源深度的增加而迅速減弱,震源越深,面波越不發育。面波有瑞利波(rayleigh wave)與勒夫波(love wave)兩種。瑞利波(R波)在地面上滾動,質點在平行于波的傳播方向的垂直平面內作橢圓運動,長軸垂直地面,如圖1.5.3(a)所示。勒夫波(Q波)在地面上作蛇形運動,質點在水平面內垂直于波的傳播方向作水平振動,如圖1.5.3(b)所示。面波傳播速度比體波慢,瑞利波波速近似為橫波波速的0.9倍;勒夫波在層狀介質界面傳播,其波速介于上下兩層介質橫波速度之間。

一個地震波記錄圖或地震譜如圖1.5.4所示,最先記錄的總是速度最快、振幅最小、周期最短的縱波,然后是橫波,最后到達的是速度最慢、振幅最大、周期最長的面波。面波對地表的破壞力最大,自地表向下迅速減弱。面波還可區分先到達的勒夫波和后到達的瑞利波。

一般情況下,橫波和面波到達時振動最強烈。建筑物破壞通常是由橫波和面波造成的。

1.5.3　地震動

地震動也稱地面運動,是指由震源釋放出來的地震波引起的地表附近土層的振動。地震動是地震和結構抗震之間的橋梁,又是結構抗震設防的依據。

地震動是引起橋梁破壞的外因,其作用相當于結構分析中的各種荷載,但與常用的荷載有很大差別,表現在三方面:①常用荷載以力的形式出現,而地震動則以運動方式出現;②常用荷載一般為短期內大小不變的靜力,而地震動則是迅速變化的隨機振動;③常用荷載大多是豎向的,而地震動則是水平、豎向,甚至扭轉同時作用的。

地震動可以通過儀器記錄下來。對結構抗震而言,關心的是強震動記錄,因為只有強震動才會危及結構安全。記錄強震動的儀器為強震加速度儀,簡稱強震儀,它能夠記錄測點處三個互相垂直的地震動加速度分量(兩個水平向分量加上一個豎向分量)。強震動記錄是進行結構抗震設計的重要資料,在采用動力時程分析方法計算橋梁結構的地震反應時,需要用到強震地面運動記錄:繪制規范反應譜曲線時,更需要有大量的強震地面運動記錄。如圖1.5.5所示為1995年神戶地震中記錄下來的JRT波的N-S成分及E-W成分加速度分量,由此可見,地震動的時程函數是非常不規則的。

在地震動的特性中,對結構破壞有重要影響的因素主要有地震動強度(振幅、峰值)、頻譜特性和強震持續時間,簡稱地震動三要素。地震動是振幅和頻率都在復雜變化著的振動,即隨機振動。但是對于給定的地震動過程,可以把它看作是由許多不同頻率的簡諧波組合而成的。表示給定地震動中振幅與頻率關系的曲線,統稱為頻譜。地震工程中常用的頻譜有傅里葉譜反應諧與功率譜。其中,反應譜已被國內外抗震設計規范普遍采用。

影響地震動特性的因素包括震級、傳播介質與途徑,以及局部場地條件這三類。其中,局部場地條件對頻譜形狀的影響最早被各國規范所接受,我國《城市橋梁抗震設計規范》(JJ 166—2011)把場地土劃分為四類,采用了形狀隨場地土變化的反應譜。但對于震源、傳播介質與途徑的影響,目前難以精確估計。

隨著強震觀測記錄的不斷增加,人們對地震動的認識也有了很大提高,目前已經可以對地震動進行合理估計。地震動的估計有三種可能的途徑:第一種是通過地震烈度的估計,再利用烈度與地震動的對應關系將烈度換算為地震動設計參數;第二種是根據過去強震觀測結果,尋求地震動與地震大小、震驚特性、傳播介質、場地影響的統計規律(常稱為衰減規律),然后直接用此衰減規律來估計地震動;第三種是通過震源機制理論分析,應用動力學原理,計算出地面附近的地震動。目前廣泛采用的途徑為前兩種。

1.5.4　地震動的卓越周期

卓越周期(predominant period)原意指的是引起建筑場地振動最顯著的某條或某類地震波的一個諧波分量的周期,該周期與場地覆土厚度及土的剪切波速有關。對同一個場地而言,不同類型的地震波會得出不同的卓越周期。地震時,從震源發出的地震波在土層中傳播時,經過不同性質地質界面的多次反射,將出現不同周期的地震波。若某一周期的地震波與地基土層固有周期相近,由于共振的作用,這種地震波的振幅將得到放大,此周期稱為卓越周期。由多層土組成的厚度很大的沉積層,當深部傳來的剪切波通過它向地面傳播時就會發生多次反射,由于波的疊加而增強,使長周期的波尤為卓越。卓越周期的實質是波的共振,即當地震波的振動周期與地表巖土體的自振周期相同時,由于共振作用而使地表振動加強。巨厚沖積層上低加速度的遠震,可以使自振周期較長的高層建筑物遭受破壞的主要原因就是共振。

卓越周期按地震記錄統計得到,地基土隨軟硬程度的不同有不同的卓越周期,可劃分為四級:一級為穩定基巖,卓越周期是0.1～0.2s,平均為0.15s;二級為一般土層,卓越周期為0.21～0.4s,平均為0.27s;三級為松軟土層,卓越周期在二級和四級之間;四級為異常松軟的土層,卓越周期為0.3～0.7s,平均為0.5s。