地震作用
一、基本概念
地震是由于地壳构造运动(岩层构造状态的变动)或其它原因而引起的地面振动的现象。
1．地震的类型
地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地震。
v火山地震——由于火山爆发而引起的地震；
v陷落地震——由于地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而造成的地震；
v构造地震——由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震。
前二种地震的影响范围和破坏程度相对较小，而后一种地震的破坏力大
n地震波传播产生底面运动，通过基础影响上部结构，上部结构产生的震动为结构的地震反应，包括加速度、速度和位移反应。地震波可以分解为六个震动分量：两个水平分量、一个竖向分量和三个转动分量。
n对建筑结构产生破坏的，主要是水平震动。
n地面竖向震动在震中附近的高烈度区对房屋结构的影响比较大。
地震作用引起的地面运动
n地面运动的特征可以用三个特征量描述：强度（用振幅大小表示），频谱和持续时间。称为地震三要素。
n地面运动特性与震源所在的位置、深度、地震发生原因、传播距离等因素有关，还与地震传播经过的区域和建筑物所在的区域的场地有密切关系。
土壤对地震波的影响
n地震波在传播过程中，振幅逐渐衰减，高频成分易被土层吸收，低频成分传播更远。
n在震中附近或岩石等坚硬土壤中，地震波中短周期成分丰富，在距离震中较远处，或者冲击土层厚、土壤较软时，短周期成分被吸收，长周期成分为主。
n深层地震波传到地面时，土壤将震动放大，软土放大作用较强。
2、常用术语
（1）地震震级：震级是表示地震本身大小（释放能量多少）的尺度。目前，国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义为1935年由里克特(Richter)给出，即地震震级M为 M = logA
震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍。
微震——小于2级的地震；
有感地震——2-4级地震，人能感觉到；
破坏性地震——5级以上地震，能引起不同程度的破坏；
强烈地震——7级以上的地震。
（2）地震烈度：地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。
v对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个；
v随距离震中的远近不同，烈度就有差异。
v 评定地震烈度的标准就称为地震烈度表。绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。
v基本烈度：作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，它是指该地区今后一定时期内，在一般场地土条件下，可能遭受的最大地震烈度，也就是由国家地震局制定的全国地震烈度区划图规定的烈度。
v设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。
二、地震作用的特点
1．间接性——不是直接作用在建筑物上。
2．复杂性——地震波的影响多，运动不规则，是复杂的三维振动。
3．随机性——地震的时间、地点、大小难以预测。
4．与地基土的动力特性有关。
5．与结构本身的动力特性（自振周期、振型与阻尼）有关。
建筑物的地震反应
n建筑物的动力特性是指建筑物的自振周期、阵型、与阻尼，与建筑物的质量、结构刚度、及所用材料有关。
n质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大
n刚度小、周期长的建筑物，位移较大，惯性力较小。
三、抗震设计的原则和方法
抗震设计——用定量方法估计地震反应，采取合理的构造措施，以保证结构有足够的刚度和抗震承载能力。
1、抗震设防的范围：6度~9度地区（低于6度可不设防，高于9度应专门研究）。
2、抗震设防的目标——三水准要求：
所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为：
v小震不坏；
v中震可修；
v大震不倒。
我国抗震规范要求建筑结构的抗震设计方法是两阶段设计方法。
两阶段设计法步骤是：
n（1）第一阶段——小震强度：对绝大多数建筑结构，应满足第一、二水准的设计要求，即采用第一水准(多遇地震)的地震动参数，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移，并用极限状态方法进行截面设计，然后采取相应的构造措施，达到“小震不坏、中震可修”的要求。
n（2）第二阶段——大震变形：对于重要建筑或有特殊要求时，除进行第一阶段设计外，还要进行罕遇地震（大震）作用下薄弱层部位的弹塑性变形验算和采取相应的构造措施，使薄弱层的水平位移不超过允许的弹塑性位移，实现第三水准的要求。并用直接动力方法——时程分析方法补充计算。
4．抗震概念设计：
概念设计——指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。
v结构破坏机理的概念；
v力学概念；
v由震害、试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验等。
★概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，
★应体现在计算简图或计算结果的处理中，
★对某些薄弱部位的配筋构造起作用。
概念设计带有一定的经验性。但它和抗震计算、构造设计等是不可分割、互为补充的抗震设计的重要组成部分。
四、等效地震作用（荷载）的计算
（一）计算方法简介
目前在工程上求解结构地震反应的方法大致可以分为两类。
1．等效荷载法：等效荷载的计算又有静力法和反应谱法两种：
（1）静力法：把等效地震作用取为常数，F=ma=mg(a/g)=K.G,早期K取为常数（K=0.1）。
（2）反应谱法（拟静力法）：用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱，再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构计算及设计的方法，称为反应谱方法。
反应谱——结构的最大地震反应（u、a、m 等）与其自震周期T的关系曲线。
四、等效地震作用（荷载）的计算
2．直接动力分析法：即对动力方程进行直接积分，求出结构反应与时间变化的关系，得出所谓时程曲线，故此法亦称时程分析法。
一、结构地震作用计算方法的三个阶段
u 静力法
1900年日本学者大森房吉提出震度法概念，将地震作用简化为静力
v 反应谱理论
20世纪30年代美国开展了强震记录的研究(El-Centro),美国M.Biot提出用地震记录计算反应谱的概念，50年代初，G.W.Housner实现了反应谱的计算，并应用于抗震设计。
w 时程分析方法
20世纪50年代末期, G.W.Housner 实现了地震反应的动力计算分析，并成功应用于抗震设计。
20世纪70年代，地震反应动力分析得到发展，从弹性时程分析方法发展到弹塑性时程分析方法。
基于承载力的抗震设计方法 ~ 静力法和最初的反应谱理论
v 基于承载力和延性的抗震设计概念 ~ 以反应谱理论为基础，以三水准设防为目标，以构件极限承载力设计保证结构承载力，以构造措施保证结构延性的完整的抗震设计方法。
承载力高的结构，延性要求可以较低，而承载力较低时，则必须设计具有较高延性的结构。
反之，延性不好的结构承载力必须提高，延性好的结构承载力可以降低。
基于性能的抗震设计方法 ~ 人们研究的热点
ö 要求在不同水准的地震作用下，直接以结构的性能和表现作为设计目标。可根据业主的要求达到不同的性能目标（正常使用、生命安全、设备安全、防止倒塌等）
ö 现行的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标已经具备了基于抗震设计的思想。而基于性能/位移的抗震设计方法需要定量。
ö 地震反应的时程分析方法（Time History Analysis）和静力弹塑性计算方法—推覆方法(Push-Over Analysis)可获得结构性能和表现定量的两种主要计算方法。
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