ppt课件工程结构抗震理论及应用
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➢ 可以提供定量的数据 ➢ 可以测量地震破坏作用的全过程， ➢ 能够分别研究并测量导致建筑物破坏的各种因素 ➢ 不但为地震烈度和工程抗震措施提供定量数据和理论依
据，同时又检验从抗震研究实践中总结出来的认识、理 论和办法是否符合实际，从而加深人们对于抗震客观规 律的认识，成为不断推动地震工程研究发展的重要手段 。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
1 地震动幅值特性
❖ 地震动幅值可以是地面运动的加速度、速度或位移的 某种最大值或某种意义下的有效值。
❖ 目前采用最多的地震动幅值是地面运动最大加速度幅 值，它可以描述地面震动的强弱程度，且与震害有着 密切的关系，可作为地震烈度的参考物理指标。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
4、有大残余地表位移
例如 1964.6.16日本新澙地震M=7.7，R=38Km，由于砂土液化影响导 致地基出现变形；而1999年的集集地震，由于断层大规模错动的影响而使 近震源的地表发生较大的滑移。 以上四种类型的地震动中，第2种最为重要，并有大量的地震记录，第4种 最难研究。下图为几个典型的地震记录。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地震动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
➢ 地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参 数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性 反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以 及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研 究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
记录的物理量不同可进一步分为位移计(摆)、速度计 (摆)和加速度计 ( 摆)。通常一点要采用一个测量竖向运动的拾振器、二个测量相互垂直 的水平向运动的拾振器。 ➢ 记录系统，机械、光、电流计、模拟磁带、数字磁带和固态存储； ➢ 触发-起动控制系统，节省存储空间等； ➢ 预存储系统，避免“丢头”、节省存储空间； ➢ 时标系统，以便各分量、相邻各点地震动的比较、分析，相对时标系 统（晶振）或绝对时标系统（GPS时间信号）； ➢ 电源系统，一旦强震发生造成正常供电系统的破坏和失灵，要保证整 套仪器驱动运转、线路控制、以及时标和光源正常工作。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖图示为该地震台站同时记录的东西方向速度和 位移时程曲线，速度最大峰值为11.3 cm/s， 位移最大峰值为6.4 cm。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
2 地震动频谱特性
❖ 地震动频谱特性是指地震动对具有不同自振周期的结 构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶 谱来表示。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
1、单脉冲（Single Shock）
地震为中等震级，可能引起局部破坏。例如，1966年6月27日的 Parkfield 地 震 记 录 ， 震 级 M=5.6 ， 震 中 距 R=0.07Km ， 震 源 深 度 H=5Km。
❖ 反应谱是工程中最常用的形式，现已成为工程结构抗 震设计的基础。
❖ 功率谱和傅里叶谱在数学上具有更明确的意义，工程 上也具有一定的实用价值，常用来分析地震动的频谱 特性。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖ 震级、震中距和场地条件对地震动的频谱特性有重要 的影响。
20
青海格尔木及其以北三湖地区
10
新疆北天山中段地区
30
新疆南天山中段地区
30
合
计
300
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
2、中长持时（Moderately long）
例如，1940 年的 El Centro 地震。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
3、长持时
当地震的震级大，震中距远，而工程场地为软场地时，场地的地震动 往 往 为 长 持 时 的 。 例 如 ， 1985 年 Mexico City 地 震 记 录 ， M ＝ 8.1 ， R=260Km。
Fra Baidu bibliotek
Observation Station 3
20
Granite
16m
Soil
40 32m Granite
60
47m
(m) 0
100
200
300
400
500
600
700 m
主讲：李宁 建Xi工ang学tan院g site ef研fec究t ar生ray选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖许多国家和地区强震观测台网规模迅速扩大 （1）美国全国 5000台以上
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖我国的强震观测
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 2002-2007年投入数亿元大规模扩建我国数字强震台 网
➢ 初步计划，增设2000台强震仪，其中自由场固定台 1160个，使8个国家一级重点监视区达到每600km2一 台强震仪(台距约25 km)，13个二级重点监视区达到每 1800km2一台强震仪(台距约42 km)。另在首都圈设 310台自由场固定台，速报烈度，台站密度达到每 50km2一台强震仪(台距约7 km)。还包括12个专门的 密集台阵和200台流动观测仪器。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 强震台网的布设 ➢ 台阵设计，根据具体的观测内容，给出能提供完整资料的仪
器布设方案,包括确定台阵的类型和规模，给出仪器的最优布 设方案，台阵的设置方法，提出对仪器性能、仪器安设和维 护管理技术的具体要求等。 ➢ 地震动观测台阵，震源机制台阵、传播效应(衰减）台阵、局 部场地效应台阵以及特殊地震动台阵等。 ➢ 结构反应台阵，房屋结构(工业与民用)地震反应台阵、地基结构系统地震反应台阵、桥梁、水坝、高炉、水塔、烟囱、 核反应堆等结构地震反应台阵等，了解各类典型结构在强烈 地震作用下的反应特征和破坏规律，确定结构在地震作用下 的反应和导致破坏的数学物理模式。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖强震台网的布设
Measuring Point
Basement
Ground
Observation Station 1
0
Structural array of CSB’s Disaster Prevention Building
Observation Station 2
地震动观测
❖ 二级强震监控区（13个）
地
区
台数
山西中部、晋陕豫交界至西安地区
30
冀鲁豫交界地区
15
辽西至辽蒙交界地区
14
辽东半岛沈阳至大连、山东半岛潍坊至烟台
32
内蒙呼和浩特至包头地区
15
东北长春至哈尔滨地区
12
苏鲁皖浙沪地区
50
闽东南及闽粤赣地区
20
桂东南、粤西南至琼东北地区
22
祁连山中西段及青甘交界地区
地震动观测
❖ 如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代 地震工程学的发展
➢ 地震工程之所以能成为一间定量的科学是和强震观测的成果分不 开的。
➢ 根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获 得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正 应用于工程设计。
➢ 地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参 数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性 反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以 及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研 究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的。
天津大学
研究生选修课程
工程结构抗震理论 及应用
课程主讲人：李宁
开课单位：建筑工程学院 2020年11月3日
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 一级强震监控区（8个）
地
区
首都圈
四川中西部至滇东地区
滇西北地区
滇西南地区
甘东南至甘、青、川交界地区
宁夏北部至宁、蒙交界地区
新疆南天山西段地区
珠江三角洲
合
计
台数 130 240 90 62 130 60 60 28 800
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
USGS台网约1000台，加州 4000台以上 TriNet，实时监测台80台，拨号台100台 （2）日本全国5000台以上， 台站间距25km K-net 有线遥测强震台网 1000台 1999年台湾地震后，增设 2000台的新计划 （3）台湾 1500台以上（数字强震仪） 集集大地震获取记录1万条以上 （4）伊朗 1000台以上；墨西哥 430台（1995）
❖地震动是非常复杂的，具有很强的随机性，甚至
同一地点，每一次地震都各不相同。
❖多年来，地震工作者根据地面运动的宏观现象和
强震观测资料的分析得出，地震动的主要特性可
以通过3个基本要素来描述，即：
➢地震动幅值特性；
➢地震动的强度特性
➢地震动频谱特性；
➢地震动的周期分布特征
➢地震动持时特性。
➢地震动循环作用程度的强弱
❖ 震级越大、震中距越远，地震动记录的长周期分量就 越显著。
❖ 硬土且地层薄的地基上的地震动记录包含较为丰富的 高频成分，而软土且地层厚的地基上的地震动记录卓 越周期偏向长周期。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖地震动观测的主要难点
➢ 绝对静止参考系 ➢ 摆（pendulum）的原理
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 强震仪主要由五个系统构成 ➢ 拾振系统，直接测量地震动的装置，通常称为拾振器或摆。根据其所
❖ 地震动幅值的大小受震级、震源机制、传播途径、震 中距、局部场地条件等因素的影响。
❖ 一般地，在近场、基岩处的加速度峰值大于软弱场地 上的加速度峰值，而在远场则相反。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖图示为2008年5月12日我国四川汶川地震时成 都某地震台站（CD2）记录的东西方向加速度 时程曲线，其最大峰值为304.8cm/s2。
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强震地面运动的类型
4、有大残余地表位移
例如 1964.6.16日本新澙地震M=7.7，R=38Km，由于砂土液化影响导 致地基出现变形；而1999年的集集地震，由于断层大规模错动的影响而使 近震源的地表发生较大的滑移。 以上四种类型的地震动中，第2种最为重要，并有大量的地震记录，第4种 最难研究。下图为几个典型的地震记录。
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地震动观测
❖ 如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代 地震工程学的发展
➢ 地震工程之所以能成为一间定量的科学是和强震观测的成果分不 开的。
➢ 根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获 得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正 应用于工程设计。
据，同时又检验从抗震研究实践中总结出来的认识、理 论和办法是否符合实际，从而加深人们对于抗震客观规 律的认识，成为不断推动地震工程研究发展的重要手段 。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
1 地震动幅值特性
❖ 地震动幅值可以是地面运动的加速度、速度或位移的 某种最大值或某种意义下的有效值。
❖ 目前采用最多的地震动幅值是地面运动最大加速度幅 值，它可以描述地面震动的强弱程度，且与震害有着 密切的关系，可作为地震烈度的参考物理指标。
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强震地面运动的类型
4、有大残余地表位移
例如 1964.6.16日本新澙地震M=7.7，R=38Km，由于砂土液化影响导 致地基出现变形；而1999年的集集地震，由于断层大规模错动的影响而使 近震源的地表发生较大的滑移。 以上四种类型的地震动中，第2种最为重要，并有大量的地震记录，第4种 最难研究。下图为几个典型的地震记录。
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本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地震动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
➢ 地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参 数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性 反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以 及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研 究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
记录的物理量不同可进一步分为位移计(摆)、速度计 (摆)和加速度计 ( 摆)。通常一点要采用一个测量竖向运动的拾振器、二个测量相互垂直 的水平向运动的拾振器。 ➢ 记录系统，机械、光、电流计、模拟磁带、数字磁带和固态存储； ➢ 触发-起动控制系统，节省存储空间等； ➢ 预存储系统，避免“丢头”、节省存储空间； ➢ 时标系统，以便各分量、相邻各点地震动的比较、分析，相对时标系 统（晶振）或绝对时标系统（GPS时间信号）； ➢ 电源系统，一旦强震发生造成正常供电系统的破坏和失灵，要保证整 套仪器驱动运转、线路控制、以及时标和光源正常工作。
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本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖图示为该地震台站同时记录的东西方向速度和 位移时程曲线，速度最大峰值为11.3 cm/s， 位移最大峰值为6.4 cm。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
2 地震动频谱特性
❖ 地震动频谱特性是指地震动对具有不同自振周期的结 构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶 谱来表示。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
1、单脉冲（Single Shock）
地震为中等震级，可能引起局部破坏。例如，1966年6月27日的 Parkfield 地 震 记 录 ， 震 级 M=5.6 ， 震 中 距 R=0.07Km ， 震 源 深 度 H=5Km。
❖ 反应谱是工程中最常用的形式，现已成为工程结构抗 震设计的基础。
❖ 功率谱和傅里叶谱在数学上具有更明确的意义，工程 上也具有一定的实用价值，常用来分析地震动的频谱 特性。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖ 震级、震中距和场地条件对地震动的频谱特性有重要 的影响。
20
青海格尔木及其以北三湖地区
10
新疆北天山中段地区
30
新疆南天山中段地区
30
合
计
300
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本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
2、中长持时（Moderately long）
例如，1940 年的 El Centro 地震。
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强震地面运动的类型
3、长持时
当地震的震级大，震中距远，而工程场地为软场地时，场地的地震动 往 往 为 长 持 时 的 。 例 如 ， 1985 年 Mexico City 地 震 记 录 ， M ＝ 8.1 ， R=260Km。
Fra Baidu bibliotek
Observation Station 3
20
Granite
16m
Soil
40 32m Granite
60
47m
(m) 0
100
200
300
400
500
600
700 m
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地震动观测
❖许多国家和地区强震观测台网规模迅速扩大 （1）美国全国 5000台以上
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地震动观测
❖我国的强震观测
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 2002-2007年投入数亿元大规模扩建我国数字强震台 网
➢ 初步计划，增设2000台强震仪，其中自由场固定台 1160个，使8个国家一级重点监视区达到每600km2一 台强震仪(台距约25 km)，13个二级重点监视区达到每 1800km2一台强震仪(台距约42 km)。另在首都圈设 310台自由场固定台，速报烈度，台站密度达到每 50km2一台强震仪(台距约7 km)。还包括12个专门的 密集台阵和200台流动观测仪器。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 强震台网的布设 ➢ 台阵设计，根据具体的观测内容，给出能提供完整资料的仪
器布设方案,包括确定台阵的类型和规模，给出仪器的最优布 设方案，台阵的设置方法，提出对仪器性能、仪器安设和维 护管理技术的具体要求等。 ➢ 地震动观测台阵，震源机制台阵、传播效应(衰减）台阵、局 部场地效应台阵以及特殊地震动台阵等。 ➢ 结构反应台阵，房屋结构(工业与民用)地震反应台阵、地基结构系统地震反应台阵、桥梁、水坝、高炉、水塔、烟囱、 核反应堆等结构地震反应台阵等，了解各类典型结构在强烈 地震作用下的反应特征和破坏规律，确定结构在地震作用下 的反应和导致破坏的数学物理模式。
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地震动观测
❖强震台网的布设
Measuring Point
Basement
Ground
Observation Station 1
0
Structural array of CSB’s Disaster Prevention Building
Observation Station 2
地震动观测
❖ 二级强震监控区（13个）
地
区
台数
山西中部、晋陕豫交界至西安地区
30
冀鲁豫交界地区
15
辽西至辽蒙交界地区
14
辽东半岛沈阳至大连、山东半岛潍坊至烟台
32
内蒙呼和浩特至包头地区
15
东北长春至哈尔滨地区
12
苏鲁皖浙沪地区
50
闽东南及闽粤赣地区
20
桂东南、粤西南至琼东北地区
22
祁连山中西段及青甘交界地区
地震动观测
❖ 如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代 地震工程学的发展
➢ 地震工程之所以能成为一间定量的科学是和强震观测的成果分不 开的。
➢ 根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获 得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正 应用于工程设计。
➢ 地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参 数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性 反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以 及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研 究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的。
天津大学
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工程结构抗震理论 及应用
课程主讲人：李宁
开课单位：建筑工程学院 2020年11月3日
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本章提纲 第5章 地震地面运动
31 地震动观测 2 强震地面运动的类型 3 地面运动的特性 4 地震地面运动影响因素 35 地震动幅值沿深度变化规律 6 地面运动的衰减规律
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 一级强震监控区（8个）
地
区
首都圈
四川中西部至滇东地区
滇西北地区
滇西南地区
甘东南至甘、青、川交界地区
宁夏北部至宁、蒙交界地区
新疆南天山西段地区
珠江三角洲
合
计
台数 130 240 90 62 130 60 60 28 800
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
USGS台网约1000台，加州 4000台以上 TriNet，实时监测台80台，拨号台100台 （2）日本全国5000台以上， 台站间距25km K-net 有线遥测强震台网 1000台 1999年台湾地震后，增设 2000台的新计划 （3）台湾 1500台以上（数字强震仪） 集集大地震获取记录1万条以上 （4）伊朗 1000台以上；墨西哥 430台（1995）
❖地震动是非常复杂的，具有很强的随机性，甚至
同一地点，每一次地震都各不相同。
❖多年来，地震工作者根据地面运动的宏观现象和
强震观测资料的分析得出，地震动的主要特性可
以通过3个基本要素来描述，即：
➢地震动幅值特性；
➢地震动的强度特性
➢地震动频谱特性；
➢地震动的周期分布特征
➢地震动持时特性。
➢地震动循环作用程度的强弱
❖ 震级越大、震中距越远，地震动记录的长周期分量就 越显著。
❖ 硬土且地层薄的地基上的地震动记录包含较为丰富的 高频成分，而软土且地层厚的地基上的地震动记录卓 越周期偏向长周期。
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地震动观测
❖地震动观测的主要难点
➢ 绝对静止参考系 ➢ 摆（pendulum）的原理
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地震动观测
❖ 强震仪主要由五个系统构成 ➢ 拾振系统，直接测量地震动的装置，通常称为拾振器或摆。根据其所
❖ 地震动幅值的大小受震级、震源机制、传播途径、震 中距、局部场地条件等因素的影响。
❖ 一般地，在近场、基岩处的加速度峰值大于软弱场地 上的加速度峰值，而在远场则相反。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动特性
❖图示为2008年5月12日我国四川汶川地震时成 都某地震台站（CD2）记录的东西方向加速度 时程曲线，其最大峰值为304.8cm/s2。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
强震地面运动的类型
4、有大残余地表位移
例如 1964.6.16日本新澙地震M=7.7，R=38Km，由于砂土液化影响导 致地基出现变形；而1999年的集集地震，由于断层大规模错动的影响而使 近震源的地表发生较大的滑移。 以上四种类型的地震动中，第2种最为重要，并有大量的地震记录，第4种 最难研究。下图为几个典型的地震记录。
主讲：李宁 建工学院 研究生选修课程：工程结构抗震理论及应用
地震动观测
❖ 如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代 地震工程学的发展
➢ 地震工程之所以能成为一间定量的科学是和强震观测的成果分不 开的。
➢ 根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获 得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正 应用于工程设计。