近場地震動的研究現狀以及存在的問題

徐冠彤

引 言

近年來發生的地震中，近場地震帶來的災害日益顯著，對近場地震的研究已經得到越來越多國內外學者的關注。我國是一個地震多發國家，境內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生說明我國很可能又進入了一個新的地震活躍期。

本文對近場問題的研究進行了比較全面的總結，包括：近場地震動的定義和基本特性的研究以及近場地震動對工程結構影響研究，并指出目前在研究中仍然存在的問題。

1 近場地震動的定義

近場地震動也稱為近斷層地震動，是指當震源距較小時，震源輻射地震波中的近場和中場相比不能被忽略的區域的地震動[1]。從地震學的觀點出發，近場被定義為在震源周圍一定比例波長范圍內的位置。目前，雖然關于近場地震動沒有一個統一的定義，大多數研究人員都認為近場地震動是指強烈地依賴于斷層的破裂機制、包含明顯的破裂方向性效應和永久的地面位移的地震動[2]。

近場區域的劃分至少與震級大小、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。震源機制、斷層破裂方向與場地的關系以及斷裂面的相對滑動方向等因素，使近場地震動表現出與一般的遠場地震動明顯不同的性質。近場地震動最顯著的特點是方向性效應和滑沖效應引起的脈沖型地震動，并且以速度脈沖型地震動最為常見，可能引起大尺度的永久地面位移。但是，并不是所有的近場地震動都含有速度脈沖。

2 近場地震動的基本特征

2.1 上盤效應

對于一般的傾斜斷層，破裂面和地表面的夾角成銳角的一側稱為上盤，另一側則稱為下盤。在傾斜斷層中，到斷層的地表斷裂跡線C點距離相等的兩點A、B，分別處于上盤和下盤，A點地震動比B點的地震動要大，而且上盤的強地震動衰減比下盤的要緩，強地震動的分布區域要大，強烈地震動主要分布在上盤，這就是所謂的上盤效應。上盤效應是近場地震動的一個重要的特征，特別是逆沖斷層的上盤效應十分明顯[2]。在地震動參數衰減關系修正過程中將上盤效應的影響考慮進去是十分必要的。

2.2 破裂的方向性效應

當斷層破裂面朝著一個觀測點展開，且破裂的傳播速度接近剪切波速時，將導致斷層面輻射的大部分能量幾乎同時到達這個觀測點，在該點的記錄開始部分形成一個明顯的長周期脈沖[2]，這就是破裂的方向性效應。破裂的方向性效應可以簡單地用多普勒效應來解釋。

一般而言，方向性效應指的都是向前的方向性效應，因為受向前的方向性效應影響的地震動對建筑結構的破壞更嚴重[2]。其產生條件須滿足：斷層破裂方向朝向場地（或夾角較小）；斷層破裂速度接近場地的剪切波速。向前方向性效應使垂直斷層走向的速度分量的峰值和地震動反應譜在中長周期段的譜值明顯比平行斷層走向的大；在速度時程中，方向性效應脈沖型地震動一般由兩個或多個明顯的半周期速度脈沖組成，多表現為雙向的速度脈沖，在位移時程中一般不存有殘余位移。

2.3 滑沖效應

滑沖效應是由地震時斷層兩盤的相對運動造成的，表現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斷層兩盤的相對運動引起的。在走滑斷層中平行于斷層方向或傾滑斷層中斷層滑動方向均有可能產生滑沖效應，在傾滑斷層地震動中，滑沖效應與向前方向性效應對垂直斷層方向的分量都有貢獻，兩者也可能耦合在一起[3]。

目前，雖然已經獲得許多近場地震動記錄，但受滑沖效應影響的地震動記錄還相對較少，而且滑沖效應經常和向前方向性效應混在一起，不容易區分。綜合國內外的研究成果來看，大家對于滑沖效應的研究并不是很深入，僅僅是從定性的角度出發，還無法從定量或統計的角度給出特定的規律。這方面還需要進一步的積累資料，進行更多的研究。

2.4 豎向加速度效應

對于一般的地震動，由于豎向加速度比相應的水平加速度要小，峰點值通常被假設為水平方向的2/3。盡管豎向加速度對大多數結構設計來說意義并不大，但是對于近場地震動來說并非總是如此。越來越多的近場加速度記錄表明2/3這個值是偏小的。對于普遍認為的比值2/3，當場地離斷層較近時，短周期段將遠超過此值，而長周期段用此值估計又顯得保守。與遠場豎向地震動相比，近場豎向地震動包含更多的高頻成分。雖然從荷載角度上講，近場地震動的豎向作用增強，但實際中按現有規范設計的結構往往在豎向有較大的冗余度，所以近場地震動的豎向加速度效應是否會對目前的結構造成威脅仍是需要研究的問題。

3 國內外關于近場地震動的研究進展

對于近場地震動特性的研究方面，目前，由于近場脈沖型地震動本身所具有的簡單波形的特點，采用簡單脈沖模型的方法已被多數的研究者認可。然而應該指出，雖然將上述模型稱為簡單脈沖模型，但事實上不同模型之間數學表達式的繁簡程度差異較大，對實際地震動的近似能力也不盡相同，在具體分析問題時，應在簡單性與精確性兩者之間合理的進行選擇。

對于近場地震動對建筑結構的影響方面，國內外相關研究可以看出，大多學者研究所選用的地震動記錄較少，所得出的結論只反映了嚴格挑選出來的個別近場脈沖型地震動記錄的特點，不具有脈沖型地震動特征的統計規律。

對于近場地震動對橋梁結構的影響的研究中，存在的缺點主要是選用的近場脈沖型地震動記錄較少造成的，缺乏必要的統計性，并且所作的研究大都只是一些定性的研究。隨著技術水平的提高和地震動觀測臺站的增多，在最近的幾次地震中，獲得了大量近場地震動記錄，使得利用大量地震動研究近場地震動對于橋梁結構的影響成為可能。

對于抗震設計規范中近場地震動的考慮方面，雖然目前人們對近場地震動破壞性的認識有了明顯的提高，一些國家如美國、日本等的抗震設計規范中對于近場地震動有了明確的考慮。這些考慮或者體現在規范條文中，或者直接體現在抗震設計反應譜上。相比較而言，我國抗震設計規范對近場地震動的規定較弱。震源機制對近斷層地震動反應譜影響究竟有多大，各種震源機制水平分量地震動反應譜和我國規范反應譜相差有多遠，都需要進一步的研究。

4 近場地震動研究中存在的問題

（1）由于近場地震動記錄有限，在進行統計分析時經常采用斷層距一個參數來區分近場和遠場，而相對忽略了各種近場效應對地震動的影響。

（2）場地條件對近場地震動的特性影響分析，需要通過具體的研究才能給出定論。

（3）關于向前方向性效應的研究較多，但是對于上下盤效應和向后方向性效應研究較少，有待進一步研究。

（4）近場地震動水平大尺度永久地面位移已有部分認識，而對豎向大尺度永久位移還未給予足夠的重視。此外，對地表破裂與地震震源、傳播效應以及場地之間的關系認識的還不夠。

（5）對已有的結構加固方法和性能評估方法中，近場地震動中到底是加速度、速度還是位移脈沖起控制作用還存在爭議，因此近場地震動破壞勢的物理標準也是值得研究。

（6）已有的研究很少探討破裂的向前方向性效應和滑沖效應引起的兩種不同速度脈沖將對結構動力響應和抗震性能的影響，對兩種性質不同的脈沖型地震動一般是不加區別的。

參考文獻

[1]俞言祥，高孟譚.2001.臺灣集集地震近場地震動的上盤效應[J].地震學報，23（6）：615～621.

[2]李爽.近場脈沖型地震動對鋼筋混凝土框架結構影響，哈爾濱：哈爾濱工業大學碩士學位論文，2005，1～134.

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