近場(chǎng)地震動(dòng)的研究現(xiàn)狀以及存在的問題

徐冠彤

引 言

近年來發(fā)生的地震中，近場(chǎng)地震帶來的災(zāi)害日益顯著，對(duì)近場(chǎng)地震的研究已經(jīng)得到越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，境內(nèi)地震帶及地震斷層眾多，許多城市就位于斷層附近或地震帶中。汶川地震、青海玉樹地震以及云南彝良地震的接連發(fā)生說明我國(guó)很可能又進(jìn)入了一個(gè)新的地震活躍期。

本文對(duì)近場(chǎng)問題的研究進(jìn)行了比較全面的總結(jié)，包括：近場(chǎng)地震動(dòng)的定義和基本特性的研究以及近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)影響研究，并指出目前在研究中仍然存在的問題。

1 近場(chǎng)地震動(dòng)的定義

近場(chǎng)地震動(dòng)也稱為近斷層地震動(dòng)，是指當(dāng)震源距較小時(shí)，震源輻射地震波中的近場(chǎng)和中場(chǎng)相比不能被忽略的區(qū)域的地震動(dòng)[1]。從地震學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，近場(chǎng)被定義為在震源周圍一定比例波長(zhǎng)范圍內(nèi)的位置。目前，雖然關(guān)于近場(chǎng)地震動(dòng)沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，大多數(shù)研究人員都認(rèn)為近場(chǎng)地震動(dòng)是指強(qiáng)烈地依賴于斷層的破裂機(jī)制、包含明顯的破裂方向性效應(yīng)和永久的地面位移的地震動(dòng)[2]。

近場(chǎng)區(qū)域的劃分至少與震級(jí)大小、斷層的類型、斷層的尺度、斷層的埋深和斷層的破裂過程等因素有關(guān)。震源機(jī)制、斷層破裂方向與場(chǎng)地的關(guān)系以及斷裂面的相對(duì)滑動(dòng)方向等因素，使近場(chǎng)地震動(dòng)表現(xiàn)出與一般的遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)明顯不同的性質(zhì)。近場(chǎng)地震動(dòng)最顯著的特點(diǎn)是方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的脈沖型地震動(dòng)，并且以速度脈沖型地震動(dòng)最為常見，可能引起大尺度的永久地面位移。但是，并不是所有的近場(chǎng)地震動(dòng)都含有速度脈沖。

2 近場(chǎng)地震動(dòng)的基本特征

2.1 上盤效應(yīng)

對(duì)于一般的傾斜斷層，破裂面和地表面的夾角成銳角的一側(cè)稱為上盤，另一側(cè)則稱為下盤。在傾斜斷層中，到斷層的地表斷裂跡線C點(diǎn)距離相等的兩點(diǎn)A、B，分別處于上盤和下盤，A點(diǎn)地震動(dòng)比B點(diǎn)的地震動(dòng)要大，而且上盤的強(qiáng)地震動(dòng)衰減比下盤的要緩，強(qiáng)地震動(dòng)的分布區(qū)域要大，強(qiáng)烈地震動(dòng)主要分布在上盤，這就是所謂的上盤效應(yīng)。上盤效應(yīng)是近場(chǎng)地震動(dòng)的一個(gè)重要的特征，特別是逆沖斷層的上盤效應(yīng)十分明顯[2]。在地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系修正過程中將上盤效應(yīng)的影響考慮進(jìn)去是十分必要的。

2.2 破裂的方向性效應(yīng)

當(dāng)斷層破裂面朝著一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)展開，且破裂的傳播速度接近剪切波速時(shí)，將導(dǎo)致斷層面輻射的大部分能量幾乎同時(shí)到達(dá)這個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在該點(diǎn)的記錄開始部分形成一個(gè)明顯的長(zhǎng)周期脈沖[2]，這就是破裂的方向性效應(yīng)。破裂的方向性效應(yīng)可以簡(jiǎn)單地用多普勒效應(yīng)來解釋。

一般而言，方向性效應(yīng)指的都是向前的方向性效應(yīng)，因?yàn)槭芟蚯暗姆较蛐孕?yīng)影響的地震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重[2]。其產(chǎn)生條件須滿足：斷層破裂方向朝向場(chǎng)地（或夾角較小）；斷層破裂速度接近場(chǎng)地的剪切波速。向前方向性效應(yīng)使垂直斷層走向的速度分量的峰值和地震動(dòng)反應(yīng)譜在中長(zhǎng)周期段的譜值明顯比平行斷層走向的大；在速度時(shí)程中，方向性效應(yīng)脈沖型地震動(dòng)一般由兩個(gè)或多個(gè)明顯的半周期速度脈沖組成，多表現(xiàn)為雙向的速度脈沖，在位移時(shí)程中一般不存有殘余位移。

2.3 滑沖效應(yīng)

滑沖效應(yīng)是由地震時(shí)斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，表現(xiàn)為單方向的速度脈沖和階躍式的永久地面位移，這種殘留位移是由地震時(shí)斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。在走滑斷層中平行于斷層方向或傾滑斷層中斷層滑動(dòng)方向均有可能產(chǎn)生滑沖效應(yīng)，在傾滑斷層地震動(dòng)中，滑沖效應(yīng)與向前方向性效應(yīng)對(duì)垂直斷層方向的分量都有貢獻(xiàn)，兩者也可能耦合在一起[3]。

目前，雖然已經(jīng)獲得許多近場(chǎng)地震動(dòng)記錄，但受滑沖效應(yīng)影響的地震動(dòng)記錄還相對(duì)較少，而且滑沖效應(yīng)經(jīng)常和向前方向性效應(yīng)混在一起，不容易區(qū)分。綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果來看，大家對(duì)于滑沖效應(yīng)的研究并不是很深入，僅僅是從定性的角度出發(fā)，還無法從定量或統(tǒng)計(jì)的角度給出特定的規(guī)律。這方面還需要進(jìn)一步的積累資料，進(jìn)行更多的研究。

2.4 豎向加速度效應(yīng)

對(duì)于一般的地震動(dòng)，由于豎向加速度比相應(yīng)的水平加速度要小，峰點(diǎn)值通常被假設(shè)為水平方向的2/3。盡管豎向加速度對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說意義并不大，但是對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)來說并非總是如此。越來越多的近場(chǎng)加速度記錄表明2/3這個(gè)值是偏小的。對(duì)于普遍認(rèn)為的比值2/3，當(dāng)場(chǎng)地離斷層較近時(shí)，短周期段將遠(yuǎn)超過此值，而長(zhǎng)周期段用此值估計(jì)又顯得保守。與遠(yuǎn)場(chǎng)豎向地震動(dòng)相比，近場(chǎng)豎向地震動(dòng)包含更多的高頻成分。雖然從荷載角度上講，近場(chǎng)地震動(dòng)的豎向作用增強(qiáng)，但實(shí)際中按現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)往往在豎向有較大的冗余度，所以近場(chǎng)地震動(dòng)的豎向加速度效應(yīng)是否會(huì)對(duì)目前的結(jié)構(gòu)造成威脅仍是需要研究的問題。

3 國(guó)內(nèi)外關(guān)于近場(chǎng)地震動(dòng)的研究進(jìn)展

對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)特性的研究方面，目前，由于近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)本身所具有的簡(jiǎn)單波形的特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單脈沖模型的方法已被多數(shù)的研究者認(rèn)可。然而應(yīng)該指出，雖然將上述模型稱為簡(jiǎn)單脈沖模型，但事實(shí)上不同模型之間數(shù)學(xué)表達(dá)式的繁簡(jiǎn)程度差異較大，對(duì)實(shí)際地震動(dòng)的近似能力也不盡相同，在具體分析問題時(shí)，應(yīng)在簡(jiǎn)單性與精確性兩者之間合理的進(jìn)行選擇。

對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可以看出，大多學(xué)者研究所選用的地震動(dòng)記錄較少，所得出的結(jié)論只反映了嚴(yán)格挑選出來的個(gè)別近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)記錄的特點(diǎn)，不具有脈沖型地震動(dòng)特征的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響的研究中，存在的缺點(diǎn)主要是選用的近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)記錄較少造成的，缺乏必要的統(tǒng)計(jì)性，并且所作的研究大都只是一些定性的研究。隨著技術(shù)水平的提高和地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站的增多，在最近的幾次地震中，獲得了大量近場(chǎng)地震動(dòng)記錄，使得利用大量地震動(dòng)研究近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的影響成為可能。

對(duì)于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中近場(chǎng)地震動(dòng)的考慮方面，雖然目前人們對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)破壞性的認(rèn)識(shí)有了明顯的提高，一些國(guó)家如美國(guó)、日本等的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)有了明確的考慮。這些考慮或者體現(xiàn)在規(guī)范條文中，或者直接體現(xiàn)在抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜上。相比較而言，我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)的規(guī)定較弱。震源機(jī)制對(duì)近斷層地震動(dòng)反應(yīng)譜影響究竟有多大，各種震源機(jī)制水平分量地震動(dòng)反應(yīng)譜和我國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜相差有多遠(yuǎn)，都需要進(jìn)一步的研究。

4 近場(chǎng)地震動(dòng)研究中存在的問題

（1）由于近場(chǎng)地震動(dòng)記錄有限，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)經(jīng)常采用斷層距一個(gè)參數(shù)來區(qū)分近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，而相對(duì)忽略了各種近場(chǎng)效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)的影響。

（2）場(chǎng)地條件對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)的特性影響分析，需要通過具體的研究才能給出定論。

（3）關(guān)于向前方向性效應(yīng)的研究較多，但是對(duì)于上下盤效應(yīng)和向后方向性效應(yīng)研究較少，有待進(jìn)一步研究。

（4）近場(chǎng)地震動(dòng)水平大尺度永久地面位移已有部分認(rèn)識(shí)，而對(duì)豎向大尺度永久位移還未給予足夠的重視。此外，對(duì)地表破裂與地震震源、傳播效應(yīng)以及場(chǎng)地之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)的還不夠。

（5）對(duì)已有的結(jié)構(gòu)加固方法和性能評(píng)估方法中，近場(chǎng)地震動(dòng)中到底是加速度、速度還是位移脈沖起控制作用還存在爭(zhēng)議，因此近場(chǎng)地震動(dòng)破壞勢(shì)的物理標(biāo)準(zhǔn)也是值得研究。

（6）已有的研究很少探討破裂的向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的兩種不同速度脈沖將對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和抗震性能的影響，對(duì)兩種性質(zhì)不同的脈沖型地震動(dòng)一般是不加區(qū)別的。

參考文獻(xiàn)

[1]俞言祥，高孟譚.2001.臺(tái)灣集集地震近場(chǎng)地震動(dòng)的上盤效應(yīng)[J].地震學(xué)報(bào)，23（6）：615～621.

[2]李爽.近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)影響，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，1～134.

[3]田玉基，楊慶山，盧明奇.近斷層脈沖型地震動(dòng)的模擬方法.地震學(xué)報(bào)，2007，29（1）：77～84.