工程地震與結(jié)構(gòu)抗震(8)-地震的儀器監(jiān)測

1、地震的儀器監(jiān)測 一、地震儀器包括兩大類：一、地震儀器包括兩大類： (1) 地震儀地震儀：供地震工作者使用，目的在于確定地震震源：供地震工作者使用，目的在于確定地震震源的地點和力學(xué)特性、發(fā)震時間和地震大小，從而了解震的地點和力學(xué)特性、發(fā)震時間和地震大小，從而了解震源機制、地震波所經(jīng)過的路線中的地球介質(zhì)及地震源的源機制、地震波所經(jīng)過的路線中的地球介質(zhì)及地震源的特性和傳播規(guī)律。特性和傳播規(guī)律。 以觀測世界性的地震或弱震為主，此外，研究內(nèi)容還涉以觀測世界性的地震或弱震為主，此外，研究內(nèi)容還涉及地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、監(jiān)測核爆炸。開展的較早，約在及地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、監(jiān)測核爆炸。開展的較早，約在20世紀(jì)初形成系統(tǒng)。

2、世紀(jì)初形成系統(tǒng)。 2 (2) 強震儀或強震加速度儀：強震儀或強震加速度儀：供抗震工作者使用，供抗震工作者使用， 目的在于確定強地震時測點處的地震動和結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)，目的在于確定強地震時測點處的地震動和結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)，確定強地震時測點處的地震動和結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)，以便了解確定強地震時測點處的地震動和結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)，以便了解結(jié)構(gòu)物的地震動輸入特性，結(jié)構(gòu)物的抗震特性，從而為抗結(jié)構(gòu)物的地震動輸入特性，結(jié)構(gòu)物的抗震特性，從而為抗震設(shè)計提供數(shù)據(jù)。震設(shè)計提供數(shù)據(jù)。 二種儀器的性能不一樣。二種儀器的性能不一樣。3 (3) 候風(fēng)地動儀候風(fēng)地動儀驗震器驗震器 通常的儀器要求有較大的通常的儀器要求有較大的穩(wěn)定程度穩(wěn)定程度，以

3、免翻倒，然而減，以免翻倒，然而減小物體的穩(wěn)定程度有時也有意義，這就需要減小支面和升高小物體的穩(wěn)定程度有時也有意義，這就需要減小支面和升高重心。我國漢代科學(xué)家張衡重心。我國漢代科學(xué)家張衡(78-139)在公元在公元132年利用減小穩(wěn)年利用減小穩(wěn)定程度的原理制成了測定地震震源方向的靈敏儀器定程度的原理制成了測定地震震源方向的靈敏儀器候風(fēng)候風(fēng)地動儀。地動儀。 候風(fēng)地動儀是用青銅鑄成的，直徑八尺，外壁上均勻分候風(fēng)地動儀是用青銅鑄成的，直徑八尺，外壁上均勻分布著八條龍，龍嘴里含著小銅球，龍頭各向一方。在龍頭下布著八條龍，龍嘴里含著小銅球，龍頭各向一方。在龍頭下面的地上蹲著八個昂首張口的銅蛤蟆，龍嘴里含著

4、的小銅球面的地上蹲著八個昂首張口的銅蛤蟆，龍嘴里含著的小銅球落下時，能正好落到蛤蟆嘴里。落下時，能正好落到蛤蟆嘴里。 4 候風(fēng)地動儀內(nèi)部的中央有一根豎立的銅柱，叫做柱擺，原名都柱。候風(fēng)地動儀內(nèi)部的中央有一根豎立的銅柱，叫做柱擺，原名都柱。都柱的都柱的重心高重心高、支面小支面小，因此，因此穩(wěn)定程度很小穩(wěn)定程度很小，受到輕微的振動就容易傾斜。，受到輕微的振動就容易傾斜。當(dāng)某地發(fā)生地震時，從震源區(qū)傳來的震動使都柱的下部發(fā)生微小的移動，當(dāng)某地發(fā)生地震時，從震源區(qū)傳來的震動使都柱的下部發(fā)生微小的移動，都柱的上部由于慣性而倒向震源的方向。都柱傾倒時，推動這個方向的杠都柱的上部由于慣性而倒向震源的方向。都柱

5、傾倒時，推動這個方向的杠桿，使相連的龍嘴張開，于是龍嘴里的小銅球就落到它下面的蛤蟆嘴里。桿，使相連的龍嘴張開，于是龍嘴里的小銅球就落到它下面的蛤蟆嘴里。所以，看到哪個龍嘴里的小銅球下落，就知道哪個方向發(fā)生了地震。所以，看到哪個龍嘴里的小銅球下落，就知道哪個方向發(fā)生了地震。 張衡張衡在當(dāng)時的首都洛陽曾準(zhǔn)確地測到了甘肅發(fā)生的地震。候風(fēng)地動儀是世界上在當(dāng)時的首都洛陽曾準(zhǔn)確地測到了甘肅發(fā)生的地震。候風(fēng)地動儀是世界上最早的測量地震的儀器。最早的測量地震的儀器。5二、儀器構(gòu)造（示意圖）二、儀器構(gòu)造（示意圖） 6 地震儀一般必須記錄振幅小到地震儀一般必須記錄振幅小到10-9米的地震波，相米的地震波，相當(dāng)于氣

6、體分子的大小。這些相對運動過去是借助機械方當(dāng)于氣體分子的大小。這些相對運動過去是借助機械方法放大，比如，借助一系列相連的法放大，比如，借助一系列相連的機械杠桿或者光杠桿機械杠桿或者光杠桿（從遠(yuǎn)處將光點投影到記錄面上）放大它的運動。（從遠(yuǎn)處將光點投影到記錄面上）放大它的運動。 在現(xiàn)代地震儀中，擺與框架之間的相對運動會產(chǎn)生在現(xiàn)代地震儀中，擺與框架之間的相對運動會產(chǎn)生一個一個電信號電信號，這個電信號被放大幾千倍甚至幾萬倍，然，這個電信號被放大幾千倍甚至幾萬倍，然后驅(qū)動電針記錄到敏感的記錄紙上。地震儀擺的電信號后驅(qū)動電針記錄到敏感的記錄紙上。地震儀擺的電信號也能被記錄在磁帶上或以數(shù)字的形式儲存在計算機

7、中。也能被記錄在磁帶上或以數(shù)字的形式儲存在計算機中。 7現(xiàn)代地震儀原理現(xiàn)代地震儀原理 8 中國第一臺現(xiàn)代地震觀測儀器中國第一臺現(xiàn)代地震觀測儀器 李善邦研制的測震儀李善邦研制的測震儀 1943北碚北碚 9傳感器匯總傳感器匯總 slj三分量加速度計三分量加速度計sw大位移計大位移計2000-1拾振器拾振器 10地震儀器地震儀器 11 蘇州市數(shù)字地震臺網(wǎng)子臺站，儀器設(shè)備為蘇州市數(shù)字地震臺網(wǎng)子臺站，儀器設(shè)備為“TDE324C地震數(shù)據(jù)采集地震數(shù)據(jù)采集器器及及TDS單臺地震處理系統(tǒng)單臺地震處理系統(tǒng)”, 可監(jiān)測蘇州市域內(nèi)可監(jiān)測蘇州市域內(nèi)1.5級以上地震信息。級以上地震信息。 儀器房儀器房 地震數(shù)據(jù)采集器、地

8、震數(shù)據(jù)采集器、不間斷電源不間斷電源地震計地震計 12測震儀器測震儀器 STS-1甚寬頻帶儀器:頻帶寬度為360 s - 8.5 Hz STS-2寬頻帶儀器:頻帶寬度為120 s -40 Hz GS-13短周期儀器:1 s -30 Hz 記錄的波形數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星實時傳輸?shù)絿覝y震臺網(wǎng)中心。 13 儀器的工作原理可以由一個單自由度體系的運動方程儀器的工作原理可以由一個單自由度體系的運動方程表示：表示：式中設(shè)式中設(shè)xg(t)為地面運動，為地面運動， x(t)為拾振器擺相對于地的位移為拾振器擺相對于地的位移（速度、加速度）（速度、加速度），即儀器記錄。，即儀器記錄。)1()()()()(txmtkxtx

9、ctxmg 14(1)式可簡化為：式可簡化為： 式中：式中： 稱為擺的自振頻率稱為擺的自振頻率 稱為體系的阻尼比稱為體系的阻尼比.)2(22gxxxx mk/kmcmc2215 地震儀和強震儀的地震儀和強震儀的差別差別，在原理上，就在于，在原理上，就在于自振頻率自振頻率和阻尼比這兩個系數(shù)的選擇不同和阻尼比這兩個系數(shù)的選擇不同。 當(dāng)這兩個系數(shù)的大小選擇不相同時，（當(dāng)這兩個系數(shù)的大小選擇不相同時，（2）式左端三項）式左端三項中的某一項可以遠(yuǎn)大于其它兩項，從而使儀器記錄擺的中的某一項可以遠(yuǎn)大于其它兩項，從而使儀器記錄擺的相對位移、速度或加速度與地面運動加速度成正比，則相對位移、速度或加速度與地面運動

10、加速度成正比，則儀器記錄到擺的相對位移就分別為地面運動的儀器記錄到擺的相對位移就分別為地面運動的加速度、加速度、速度和位移速度和位移。16令地面運動為：令地面運動為：)3(sintXxggg)1212(tan)1212(tan1sin 4)1 (1 )12(tansin4)1 ()(22212212222222122222utuueuXuutuuuXtxtggg則方程則方程(2)的解為的解為(第一項相當(dāng)于強迫振動，第二項固有振動對第一項相當(dāng)于強迫振動，第二項固有振動對于一定的于一定的u和和，可以忽略自振影響，可以忽略自振影響)：17/gu )1212(tan)1212(tan1sin 4)1

11、(1 )12(tansin4)1 ()(22212212222222122222utuueuXuutuuuXtxtggg其中其中情形情形1情形情形2情形情形312 1/2gu12 1/2gu1 1u18)1/2(tansin) 12(1242111222uguugutXx情形情形1 1/gutXxggsin與地面位移振動差一個符號，與地面位移振動差一個符號，地震儀，阻尼中等。地震儀，阻尼中等。12 2當(dāng)當(dāng)19)12(tansin) 12(21214222uutuuuXxgg情形情形2 1/gu)sin(1sinsin22222tXdtdtXtuXxggggggg與地面加速度成正比，與地面加速度成正比，加速度儀，阻尼中等。加速度儀，阻尼中等。12 2當(dāng)當(dāng)20