地震对工程结构的破坏及力学在工

地震对工程结构的破坏及力学在工

程抗震方面的应用。

陈志丹

（地震科学系0950121班095012121）

【摘要】地震的破坏主要包括对地质环境的破坏和人工结构的破坏。前者主要包括地表破坏、滑坡、崩塌、泥石流等等。后者主要包括各种房屋、构筑物和交通、电力等生命线工程的破坏。本文主要讨论地震对工程结构的破坏。通过对地震发生机制的分析，特别是对强地震动的讨论，大致阐述地震对工程结构的破坏。然后对几种典型的工程结构，如砌体结构、钢筋混凝土结构、框架结构，进行粗略的力学分析，得出其在地震中的受损情况。最后结合现代力学的发展阐述了力学在工程抗震方面的应用。

【关键词】地震波强地震动工程结构工程抗震

1、地震发生机制。

地震是在内动力地质作用下，使地壳岩石之间发生相互作用，当积累起来的地应力超过岩石的承受极限时，岩石脆弱的地方发生突然断裂和错动，使长期积累的能量突然释放出来，并以地震波的形式向四周传播，使地面发生震颤。地震是能量的突然释放，地面的震颤是地震波传播的结果。地

震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5~7千米／秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

2、强地震动的影响。

强地震动是对工程结构有显著影响乃至造成结构破坏的地震动。震害调查和研究表明，强地震动是地震成灾的根本原因之一。强地震动可以通过强震仪进行观测，观测的主要物理量为加速度，能记录地震发生时的地面运动时间过程及结构的地震反映时间过程，为工程地震和结构抗震研究提供基础资料。强地震动主要包括地震动强度、地震动频谱和地震持续时间。表征地震动强度的常用参数是最大峰值或其等效值，如加速度峰值、速度峰值、位移峰值。地震的反映往往不取决于地震动的单个尖锐峰值，但受多种等效峰值的影响，如均方根加速度和有效峰值加速度。速度峰值反映了地震动中频分量的强度，常作为衡量地震动能量的物理量。位移峰值受地震动的低频分量的控制，与地下工程结构的地震

反映与地震动位移密切相关。地震动频谱是组成地震动的各简谐振动的振幅和相位，反映了地震动的动力特性。若地震动的某个简谐分量频率和体系固有频谱相同，将引起共振，是造成结构破坏的主要原因。地震动的持续时间有长有短，在结构进入非线性阶段后，地震动持续时间的长短对结构的最终损伤程度又重要影响，持续时间越长，造成积累损伤的可能性越大。在工程抗震中，往往特别关注强地震动的持续时间的影响。

3、几种典型的工程结构。

3.1、砌体结构。

砌体结构是用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力，而很少受拉或受弯。砌体结构自重大、体积大，砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱，因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。砌体结构的抗震性能较差，容易出现墙体开裂、房屋局部倒塌或整体倒塌、建筑构件破坏等。

3.2、钢筋混凝土剪力墙结构。

剪力墙结构是指由钢筋混凝土现浇而成的墙体。剪力墙结构全部由剪力墙组成建筑物的骨架，能承受竖向荷载和风，地震等水平作用的结构。剪力墙结构承载能力高，

刚度大，但对变形控制最严。当地震发生时，剪力墙结构中的一些的薄弱的连接结构先发生破坏，从而减轻了对剪力墙的破坏，避免了房屋倒塌，成为了剪力墙结构的第一道防线。剪力墙的破坏方式主要有两种，分别是剪切破坏和弯曲破坏。在剪力墙结构中，剪力墙是承载和抗震的主要的构件。因此加强对剪力墙的正确施工尤为重要。3.3、框架结构。

框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。框架结构自重轻，有利于抗震，节省材料；框架结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。但框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性。鉴于此，框架结构设计应遵循“强柱弱梁”的原则，即在地震发生时，以梁作为“牺牲品”去吸收地震的能量以保护柱子，提高建筑的支撑能力，提高抗震性能。

4、力学在工程抗震中的应用。

4.1、场地的选择、分析及合理施工。

从原理上分析，在岩层中传播的地震波，本来有多种频率成分，其中在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期为地震动的卓越周期。在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大，而一些波群将被衰减甚至过滤掉。这样，地震波通过土层后，由于土层的过程特性与选择的放大作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有周期。当建筑物的固有周期与地震动固有周期相近时，建筑物的振动会加大，相应的地震受灾程度也会加重。因此，在建设施工过程中，选择合理的建筑材质及正确施工尤为重要。

4.2工程结构的抗震优化。

通过对几种典型的建筑结构的分析，可以看到它们各自的局限性。但由于固体力学、材料力学等相关学科的不断发展，可以通过优化抗震设计，从而达到对工程的抗震优化。一般有以下几种措施：

1、选择有利的房屋外形。

2、选择合理的结构材料。

3、提高结构的抗震性能的措施。

4、加强结构整体性和控制结构性能。

5、减轻房屋自重及妥善处理非结构构件。

【结语】任何建筑物的建成都要经历各种自然力的考验，特别如地震这类具有强大破坏力的自然力。在考虑到它时必须

要更多地顾及抗震结构，提高建筑物的抗震能力。力学作为一种自然科学，其发展对于推动建筑行业的改进具有重要意义，使得我们在有限的资金范围之内，能最大限度的发挥建筑物的功能。其任务是研究作用在结构或构件上力的平衡关系，构件的承载能力及材料的力学性能，为保证结构或构件安全可靠及经济合理提供理论基础和计算方法。力学靠科学的力量将建筑的安全性和经济性有效的结合起来，为人们提供更稳定，更安定的居住环境。

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