强地震动观测
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在强震仪中临时记忆2-5s
数字强震仪的优点
• 一般不会丢头。 • 振幅可以变化很大而精度仍高。 • 周期范围宽，长周期振动精度高。 • 预处理大为简化，可以迅速回放或用于计算机
处理。
二、强地震动观测的现状
• 震源机制台阵 • 传播效应台阵 • 局部效应台阵 • 结构反应台阵 • 地震动密集台阵 • 地下地震动台阵 • 区域性地震动台阵 • 特殊地震动台阵
150 100
50 0
-50 -100 -150
0
5
10
15
20
时间（s）
南北向天津波 地点：天津医院。时间：1976.11.25 21:53 。 时间间隔：0.01s。峰值：145.8在7.64秒。持续时间：19.19秒。 震级6.9级，震中距：65Km。适用于３类和４类场地
• 地震动密集台阵（差动台阵）：目的在于了解几 十米—几百米范围内地震动的相关性。
–白噪声随机过程。 –限带白噪声过程。 –60年代提出振型组合的平方和开方方法。
（3）为研究地震动特性提供定量数据。
– 工程设计中定性的认识极其重要，但如果缺 少量的概念，就很粗糙。只有在定性和定量 两方面均有一定认识后，才构成一个完整的 认识，才能从经验性的认识进入科学的了解。 强震观测提供了定性和定量的认识。
存在相互作用。
• 有限元处理方法：主要是边界处理 • 刘晶波，李彬，三维黏弹性静-动力统--人工边界 ，
中国科学，2005，35(9)：966-980 • 廖振鹏，工程波动理论导论（第二版），科学出版
社（透射边界）。
• 具体可参考： • 廖振鹏，近场波动的数值模拟，力学进展，1997，
27（2）：193-216
强地震动观测
地震动：由地震波传播所引发的地面振动，其中，在 震中区附近的地震动称为近场地震动。
强地震动：能够引起震害的地震动。
强震动观测意义：
（1）强震观测可为震后快速评估震害和抗震救灾服 务。利用数字强震观测网的准实时性，在地震发生后 可迅速给出各台站的强震观测结果，进而定量地给出 监视地区的地震活动强度，为及时地和有效地组织抗 震救灾，乃至建立大震应急系统提供科学依据。
强震仪的类型：
• 第一类是直接光记录式的。 • 第二类是日本发展的机械式仪器。 • 第三类是电流计记录式的。 • 第四类是模拟磁带式的。 • 第五类是数字强震仪。
强震仪特点：
• 使用对象：抗震工作者和地震工程人员。 • 确定测点处地震动特性和结构震动反应。 • 确定结构物的地震动输入，确定结构反应，以
观测仪器工作原理：
设 y Y sin t (激励), x (质量位移), z x y (相对位移), mz cz kz my m 2Y sin t
z r 2Y sin(t ) (1 r 2 )2 (2 r)2
其中， r n
土颗粒处于悬浮状态 形成液化现象
2004年10月23日本日新泻地震动中因地基液化倒塌楼房
• 砂土液化参考书： • 陈国兴，岩土地震工程学，科学出版社，2007 • 胡聿贤，地震工程学（第二版），地震出版社，
2006 • 刘颖，谢君斐，砂土震动液化，地震出版社，1984
• 土—结构相互作用： • 土体与结构实际上是一整体，它们之间相互影响，
（2）强震观测直接为抗震设防服务。强震记录是重 大工程、构筑物抗震设防的依据。强震数据是确定地 震动衰减规律、研究场地的土层反应、进行地震危险 性分析和地震区划、震害预测的基础，设置于工程结 构中的强震仪取得的强震记录数据可用于分析结构的 抗震性能，为工程抗震加固和为同类新构筑物抗震设 计提供科学依据。
便对结构进行经济安全的设计。 • 记录地震动加速度。 • 需要被触发才能工作。
地震仪和强震仪的比较
仪器 使用者 地震强弱 运转 记录纸速 放大倍数 记录参数 特性
设置地点 频带
地震仪 地震学 弱 连续不停 慢 高 位移 各种波型的到时 基岩 窄、低频
强震仪 工程 强 自动触发 快 低 加速度 全过程 场地/结构物 宽、高低频
*第一台精确的地震仪，于1880年由英国地理学家约翰·米尔 恩在日本发明 。
*1906年俄国王子鲍里斯·格里芩发明了第一台电磁地震仪 。
*现在比较先进的是数字地震仪。
近代地震仪组成：拾震器、放大器和记录装置。 拾震器是一个单摆（可选择摆的自振周期和阻尼），一 般可记录一个竖向和两个水平方向位移。现在已有六分量 地震仪。 放大器：可利用机械方法，光学方法和电子方法等。
Ⅵ
Ⅶ Ⅷ
• 结构反应台阵：目的在于取得结构在强地震，特 别是在破坏性地震作用下的结构振动反应和输入 地震动记录，建立结构物在强地震作用下动力反 应（弹性和弹塑性）的数学物理模型。
• 建筑结构台阵、大型桥梁台阵、大型水坝台阵、 核反应堆台阵。
• 唐山大地震，北京饭店和天津医院台阵有记录。
加速度（cm/s/s）
• 边界元：难点在动力格林函数 • 边界元能自动满足无穷元辐射条件和降低维数，有
时也称为格林函数方法。
• Beskos, D. E. (1987) Boundary element methods in dynamic analysis. Appl. Mech. Rev., 40, 1-23.
• Beskos, D. E. (1997) Boundary element methods in dynamic analysis: Part II: 1986-1996. Appl. Mech. Rev., 50(3), 149-197.
美国加洲工程师协会：性能设计应该是选择一 定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划。 保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计， 控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在 遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过 一个特定的极限状态。
（2）推动了地震动随机理论的发展。
–1948年豪斯纳首先提出将地震动看作一种随 机振动。
场地效应 烈度异常区
12
u / AP 0.5
csR / csL H / a 2.0 h 900 8 R 0.02 L 0.05
v 50 v 300 v 600 v 900
4
0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
x/a
摘自：梁建文，巴振宁，第十四届国际地震工程会议（北京）
地震影响系数谱曲线
３动力理论阶段（20世纪70-80年代） 1971年美国圣费而南多地震的震害使人们认识到 “持时”的重要性 计算结构的时程反应（时程分析）
４基于性能的抗震设计理论（20世纪90年代） 在经历了1994年美国(Northridge)和1995年日本 (阪神)地震后，巨大的财产损失使得社会和学者 们看到了性能设计的重要性。
二、测量仪器
• 地震仪 • 强震仪 • 观测仪器工作原理 • 数字强震仪
*地震仪：科学家们用来测量地震的仪器。地震仪的 目的是精确记录地震期间的地面运动情况。
地震仪的发展：
*世界上最早“地震仪”—地动 仪，由我国汉朝科学家张衡在 公元132年发明。
*第一台真正意义上的地震仪由 意大利科学家卢伊吉·帕尔米里 于1855年发明。
Biblioteka Baidu
地震仪特点：
• 使用对象：地震工作者。 • 主要记录弱震动。 • 记录微小地震动位移。 • 确定震源地点和力学特性、发震时间和地震大
小，从而了解震源机制、地震波所经过的路线 中的地球介质及地震波的传播特性和传播规律。 • 始终处于运行状态。 • 地震仪不同于地震监测仪器。不能预报地震。
强震仪：
强震观测始于1932年，在其后40多年的模拟纪录时 代，传感器为动圈式加速度传感器，采用光杠杆或机械 杠杆放大，记录方式为自触发式模拟光纪录或机械纪录， 时间为相对时标。20世纪70年代末，数字磁带记录式强 震动仪开始投入使用。随着飞速发展的数字技术逐步应 用于强震观测，数字强震仪技术的发展十分迅速，在短 短的几年时间内，就从数字磁带记录式强震仪发展到固 态存储式数字强震仪，第一台固态存储数字强震仪A-700 诞生于1983年，由美国研制生产。
当 r , Z 1 , 或 r 2.5 , Z Y ;
n
Y
n
当
r 0, n
z
2Y
2 n
ym ax
n2
,
例如,
0.7 ,
0 0.4 n
数字强震仪
• 模拟式强震仪的缺点 • 对新型强震仪的要求 • 数字强震仪的优点
模拟式强震仪的缺点
• 丢头现象 • 记录长周期和极大加速度的能力不足
• 过去满足于0.1-2.0s的周期和0.05-0.5g加速度范围之 内的地震动。
• 长达6.0s的记录很重要（反应谱）。 • 1985年加拿大记录到地震加速度峰值超过2.0g。
• 数据处理时间长
对新型强震仪的要求
• 周期范围：0.05-20s • 振幅范围：0.0001-2.0 g • 精度精确到1/100s • 记录时间延迟。为争取到记录初动，一般要求
中国数字强震动台网分项目由固定强震动台网、 大城市地震动强度（烈度）速报台网、强震动专用 台阵、强震动流动观测台网、国家强震动台网中心 及区域强震动台网部组成，共建设1154个固定强震 动观测台站、310个烈度速报台站和5个速报中心、 10个专用台阵、5个存放台阵、1个国家强震动中心 和3个区域强震动台网部。
中国数字强震动台网在北京、天津、兰州、乌 鲁木齐、昆明五个大城市建设的烈度速报台网，能 够在台网覆盖范围内发生4级以上地震后10分钟内 确定地震动强度的分布。
摘自中国地震局台网中心网站 http://www.csndmc.ac.cn/newweb/index.jsp
（3）强震观测资料也可为地震学基础研究服务。如 它可用于震源模式、震源参数、发展机理、地震波传 播规律等等的研究，特别是近场强地面地震动和震源 破裂过程细节的研究。
强地震动观测
一、强地震动观测对抗震理论的贡献 二、测量仪器 五、数字强震仪 三、强地震动观测台阵 四、现有数据
一、强地震动观测对抗震理论的贡献
（1）为抗震理论进入反应谱阶段提供了必要 的数据。
–从反应谱概念的产生、反应谱理论的建立，强 地震动记录都起到了重要作用。
１静力理论阶段（20世纪10-40年代） 刚柔之争（刚性还是柔性结构有利于抗震） 刚性理论代表：左野利器和武腾清 柔性理论代表：真岛建三郎
２反应谱理论阶段（20世纪40-60年代） 1933年美国Long Beach取得第一条地震动记录 1941年Biot等提出反应谱概念 1953年Housner建立反应谱理论（小震、弹性） 60年代纽马克非线形反应谱
– 认识地震动的幅值、频谱和持时。
（4）有助于了解结构物在地震中表现
– 在没有强震记录之前，主要通过震害来认识结构 物的地震反应。但是，震害只是综合的结果，定 性而不定量。许多情况下，从震害反推地震动， 可以得到完全不同的解释。
– 可为地震实验提供参考。 – 烟囱水平裂缝是因竖向振动还是水平振动？ – 打桩断头现象？
• 震源机制台阵（断层影响台阵）：皆在研究震源 机制与地震动之间的相互关系。布设在震源或发 震断层附近。
• 传播效应台阵（地震动率减台阵）：皆在研究地 震波的传播和衰减规律。
• 局部效应台阵（场地影响台阵，地形影响台阵）： 主要研究局部场地范围内地震动的总体特征以及 各种特殊的场地因素对地震动的影响。
• 特殊地震动台阵：主要是指研究沙土液化和土— 结构相互作用现象的两种台阵，分别称为沙土液 化台阵和土--结构相互作用台阵。
砂土液化机理：
地震
饱和砂土、粉土颗粒在强烈振动下发生相 对位移
颗粒结构趋于压密
颗粒间孔隙水来不及排泄而受 到挤压孔隙水压力急剧增加
孔隙水压力=土颗粒所受到的总的正压应力 土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失
• 台湾Smart-1差动台阵；1979El-centrol台阵
• 地下地震动台阵或三维台阵：目的在于了解在几 十米至200米左右的近地表区强震动加速度随地 下深度变化的情况，以便更好的了解土结构相互 作用和设计地下构筑物（地铁以及对上部影响）。
• 区域性地震动台阵：目的在于获得一个较大地区 范围内的地震动资料，了解场地条件对地震动的 影响。这类台阵分布较广，线性长度有时可达几 百千米。
数字强震仪的优点
• 一般不会丢头。 • 振幅可以变化很大而精度仍高。 • 周期范围宽，长周期振动精度高。 • 预处理大为简化，可以迅速回放或用于计算机
处理。
二、强地震动观测的现状
• 震源机制台阵 • 传播效应台阵 • 局部效应台阵 • 结构反应台阵 • 地震动密集台阵 • 地下地震动台阵 • 区域性地震动台阵 • 特殊地震动台阵
150 100
50 0
-50 -100 -150
0
5
10
15
20
时间（s）
南北向天津波 地点：天津医院。时间：1976.11.25 21:53 。 时间间隔：0.01s。峰值：145.8在7.64秒。持续时间：19.19秒。 震级6.9级，震中距：65Km。适用于３类和４类场地
• 地震动密集台阵（差动台阵）：目的在于了解几 十米—几百米范围内地震动的相关性。
–白噪声随机过程。 –限带白噪声过程。 –60年代提出振型组合的平方和开方方法。
（3）为研究地震动特性提供定量数据。
– 工程设计中定性的认识极其重要，但如果缺 少量的概念，就很粗糙。只有在定性和定量 两方面均有一定认识后，才构成一个完整的 认识，才能从经验性的认识进入科学的了解。 强震观测提供了定性和定量的认识。
存在相互作用。
• 有限元处理方法：主要是边界处理 • 刘晶波，李彬，三维黏弹性静-动力统--人工边界 ，
中国科学，2005，35(9)：966-980 • 廖振鹏，工程波动理论导论（第二版），科学出版
社（透射边界）。
• 具体可参考： • 廖振鹏，近场波动的数值模拟，力学进展，1997，
27（2）：193-216
强地震动观测
地震动：由地震波传播所引发的地面振动，其中，在 震中区附近的地震动称为近场地震动。
强地震动：能够引起震害的地震动。
强震动观测意义：
（1）强震观测可为震后快速评估震害和抗震救灾服 务。利用数字强震观测网的准实时性，在地震发生后 可迅速给出各台站的强震观测结果，进而定量地给出 监视地区的地震活动强度，为及时地和有效地组织抗 震救灾，乃至建立大震应急系统提供科学依据。
强震仪的类型：
• 第一类是直接光记录式的。 • 第二类是日本发展的机械式仪器。 • 第三类是电流计记录式的。 • 第四类是模拟磁带式的。 • 第五类是数字强震仪。
强震仪特点：
• 使用对象：抗震工作者和地震工程人员。 • 确定测点处地震动特性和结构震动反应。 • 确定结构物的地震动输入，确定结构反应，以
观测仪器工作原理：
设 y Y sin t (激励), x (质量位移), z x y (相对位移), mz cz kz my m 2Y sin t
z r 2Y sin(t ) (1 r 2 )2 (2 r)2
其中， r n
土颗粒处于悬浮状态 形成液化现象
2004年10月23日本日新泻地震动中因地基液化倒塌楼房
• 砂土液化参考书： • 陈国兴，岩土地震工程学，科学出版社，2007 • 胡聿贤，地震工程学（第二版），地震出版社，
2006 • 刘颖，谢君斐，砂土震动液化，地震出版社，1984
• 土—结构相互作用： • 土体与结构实际上是一整体，它们之间相互影响，
（2）强震观测直接为抗震设防服务。强震记录是重 大工程、构筑物抗震设防的依据。强震数据是确定地 震动衰减规律、研究场地的土层反应、进行地震危险 性分析和地震区划、震害预测的基础，设置于工程结 构中的强震仪取得的强震记录数据可用于分析结构的 抗震性能，为工程抗震加固和为同类新构筑物抗震设 计提供科学依据。
便对结构进行经济安全的设计。 • 记录地震动加速度。 • 需要被触发才能工作。
地震仪和强震仪的比较
仪器 使用者 地震强弱 运转 记录纸速 放大倍数 记录参数 特性
设置地点 频带
地震仪 地震学 弱 连续不停 慢 高 位移 各种波型的到时 基岩 窄、低频
强震仪 工程 强 自动触发 快 低 加速度 全过程 场地/结构物 宽、高低频
*第一台精确的地震仪，于1880年由英国地理学家约翰·米尔 恩在日本发明 。
*1906年俄国王子鲍里斯·格里芩发明了第一台电磁地震仪 。
*现在比较先进的是数字地震仪。
近代地震仪组成：拾震器、放大器和记录装置。 拾震器是一个单摆（可选择摆的自振周期和阻尼），一 般可记录一个竖向和两个水平方向位移。现在已有六分量 地震仪。 放大器：可利用机械方法，光学方法和电子方法等。
Ⅵ
Ⅶ Ⅷ
• 结构反应台阵：目的在于取得结构在强地震，特 别是在破坏性地震作用下的结构振动反应和输入 地震动记录，建立结构物在强地震作用下动力反 应（弹性和弹塑性）的数学物理模型。
• 建筑结构台阵、大型桥梁台阵、大型水坝台阵、 核反应堆台阵。
• 唐山大地震，北京饭店和天津医院台阵有记录。
加速度（cm/s/s）
• 边界元：难点在动力格林函数 • 边界元能自动满足无穷元辐射条件和降低维数，有
时也称为格林函数方法。
• Beskos, D. E. (1987) Boundary element methods in dynamic analysis. Appl. Mech. Rev., 40, 1-23.
• Beskos, D. E. (1997) Boundary element methods in dynamic analysis: Part II: 1986-1996. Appl. Mech. Rev., 50(3), 149-197.
美国加洲工程师协会：性能设计应该是选择一 定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划。 保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计， 控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在 遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过 一个特定的极限状态。
（2）推动了地震动随机理论的发展。
–1948年豪斯纳首先提出将地震动看作一种随 机振动。
场地效应 烈度异常区
12
u / AP 0.5
csR / csL H / a 2.0 h 900 8 R 0.02 L 0.05
v 50 v 300 v 600 v 900
4
0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
x/a
摘自：梁建文，巴振宁，第十四届国际地震工程会议（北京）
地震影响系数谱曲线
３动力理论阶段（20世纪70-80年代） 1971年美国圣费而南多地震的震害使人们认识到 “持时”的重要性 计算结构的时程反应（时程分析）
４基于性能的抗震设计理论（20世纪90年代） 在经历了1994年美国(Northridge)和1995年日本 (阪神)地震后，巨大的财产损失使得社会和学者 们看到了性能设计的重要性。
二、测量仪器
• 地震仪 • 强震仪 • 观测仪器工作原理 • 数字强震仪
*地震仪：科学家们用来测量地震的仪器。地震仪的 目的是精确记录地震期间的地面运动情况。
地震仪的发展：
*世界上最早“地震仪”—地动 仪，由我国汉朝科学家张衡在 公元132年发明。
*第一台真正意义上的地震仪由 意大利科学家卢伊吉·帕尔米里 于1855年发明。
Biblioteka Baidu
地震仪特点：
• 使用对象：地震工作者。 • 主要记录弱震动。 • 记录微小地震动位移。 • 确定震源地点和力学特性、发震时间和地震大
小，从而了解震源机制、地震波所经过的路线 中的地球介质及地震波的传播特性和传播规律。 • 始终处于运行状态。 • 地震仪不同于地震监测仪器。不能预报地震。
强震仪：
强震观测始于1932年，在其后40多年的模拟纪录时 代，传感器为动圈式加速度传感器，采用光杠杆或机械 杠杆放大，记录方式为自触发式模拟光纪录或机械纪录， 时间为相对时标。20世纪70年代末，数字磁带记录式强 震动仪开始投入使用。随着飞速发展的数字技术逐步应 用于强震观测，数字强震仪技术的发展十分迅速，在短 短的几年时间内，就从数字磁带记录式强震仪发展到固 态存储式数字强震仪，第一台固态存储数字强震仪A-700 诞生于1983年，由美国研制生产。
当 r , Z 1 , 或 r 2.5 , Z Y ;
n
Y
n
当
r 0, n
z
2Y
2 n
ym ax
n2
,
例如,
0.7 ,
0 0.4 n
数字强震仪
• 模拟式强震仪的缺点 • 对新型强震仪的要求 • 数字强震仪的优点
模拟式强震仪的缺点
• 丢头现象 • 记录长周期和极大加速度的能力不足
• 过去满足于0.1-2.0s的周期和0.05-0.5g加速度范围之 内的地震动。
• 长达6.0s的记录很重要（反应谱）。 • 1985年加拿大记录到地震加速度峰值超过2.0g。
• 数据处理时间长
对新型强震仪的要求
• 周期范围：0.05-20s • 振幅范围：0.0001-2.0 g • 精度精确到1/100s • 记录时间延迟。为争取到记录初动，一般要求
中国数字强震动台网分项目由固定强震动台网、 大城市地震动强度（烈度）速报台网、强震动专用 台阵、强震动流动观测台网、国家强震动台网中心 及区域强震动台网部组成，共建设1154个固定强震 动观测台站、310个烈度速报台站和5个速报中心、 10个专用台阵、5个存放台阵、1个国家强震动中心 和3个区域强震动台网部。
中国数字强震动台网在北京、天津、兰州、乌 鲁木齐、昆明五个大城市建设的烈度速报台网，能 够在台网覆盖范围内发生4级以上地震后10分钟内 确定地震动强度的分布。
摘自中国地震局台网中心网站 http://www.csndmc.ac.cn/newweb/index.jsp
（3）强震观测资料也可为地震学基础研究服务。如 它可用于震源模式、震源参数、发展机理、地震波传 播规律等等的研究，特别是近场强地面地震动和震源 破裂过程细节的研究。
强地震动观测
一、强地震动观测对抗震理论的贡献 二、测量仪器 五、数字强震仪 三、强地震动观测台阵 四、现有数据
一、强地震动观测对抗震理论的贡献
（1）为抗震理论进入反应谱阶段提供了必要 的数据。
–从反应谱概念的产生、反应谱理论的建立，强 地震动记录都起到了重要作用。
１静力理论阶段（20世纪10-40年代） 刚柔之争（刚性还是柔性结构有利于抗震） 刚性理论代表：左野利器和武腾清 柔性理论代表：真岛建三郎
２反应谱理论阶段（20世纪40-60年代） 1933年美国Long Beach取得第一条地震动记录 1941年Biot等提出反应谱概念 1953年Housner建立反应谱理论（小震、弹性） 60年代纽马克非线形反应谱
– 认识地震动的幅值、频谱和持时。
（4）有助于了解结构物在地震中表现
– 在没有强震记录之前，主要通过震害来认识结构 物的地震反应。但是，震害只是综合的结果，定 性而不定量。许多情况下，从震害反推地震动， 可以得到完全不同的解释。
– 可为地震实验提供参考。 – 烟囱水平裂缝是因竖向振动还是水平振动？ – 打桩断头现象？
• 震源机制台阵（断层影响台阵）：皆在研究震源 机制与地震动之间的相互关系。布设在震源或发 震断层附近。
• 传播效应台阵（地震动率减台阵）：皆在研究地 震波的传播和衰减规律。
• 局部效应台阵（场地影响台阵，地形影响台阵）： 主要研究局部场地范围内地震动的总体特征以及 各种特殊的场地因素对地震动的影响。
• 特殊地震动台阵：主要是指研究沙土液化和土— 结构相互作用现象的两种台阵，分别称为沙土液 化台阵和土--结构相互作用台阵。
砂土液化机理：
地震
饱和砂土、粉土颗粒在强烈振动下发生相 对位移
颗粒结构趋于压密
颗粒间孔隙水来不及排泄而受 到挤压孔隙水压力急剧增加
孔隙水压力=土颗粒所受到的总的正压应力 土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失
• 台湾Smart-1差动台阵；1979El-centrol台阵
• 地下地震动台阵或三维台阵：目的在于了解在几 十米至200米左右的近地表区强震动加速度随地 下深度变化的情况，以便更好的了解土结构相互 作用和设计地下构筑物（地铁以及对上部影响）。
• 区域性地震动台阵：目的在于获得一个较大地区 范围内的地震动资料，了解场地条件对地震动的 影响。这类台阵分布较广，线性长度有时可达几 百千米。