近斷層強地震動的特點研究

董林林

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

雅安地震的悲劇讓我們再次感傷于大自然的巨大破壞力，從2008年的汶川特大地震到2010年的玉樹災(zāi)情再到如今的雅安地震，我們在感嘆民族多災(zāi)多難的同時，似乎我們更需要為減小災(zāi)難損失做些什么。在持續(xù)不斷地受到震源的影響下，近斷層地震動產(chǎn)生強烈的破壞，其影響范圍及其強度與地震大小、斷層尺寸規(guī)模密切相關(guān).目前許多專家學(xué)者一致認(rèn)為，近斷層的斷層距一般是小于20至60 km的范圍。在我國一些重要的城市，例如成都、蘭州和西寧等均處于地震的近斷層區(qū)區(qū)域范圍內(nèi)，因此，加強對近斷層強地震動的特點研究和對我國的建筑抗震設(shè)計及減小災(zāi)難損失有著重要的現(xiàn)實意義。

一 近斷層地震的定義及特點

近斷層地震動一般表示斷層距小于20～60km的范圍場地的地震動，又稱為近場地震動或近源地震動。受斷層破裂方向，震源機制與場地的關(guān)系和斷裂面相對滑動方向等各種因素的影響，近斷層地震動和一般的遠(yuǎn)場地震動有顯而易見的不同之處。由于方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的長周期脈沖型永久地面位移是地震動最顯著的特點，最為常見的便是速度脈沖型運動，同時受上盤效應(yīng)和集中性的影響，近斷層地震動還具有許多新特點.前人已全面地歸納近斷強地震動的特點，本文在其基礎(chǔ)上簡要解釋近斷層地震動的概念及形成機理。

二 近斷層強地震動的特點

1.集中性

從大量模擬的試驗結(jié)果不難看出，近斷層地震動隨著斷層距的增加而很快的衰減，強地震動的范圍很小，一般主要集中于斷層在地表的投影中心。如果不在這一范圍之內(nèi)，其震動幅值明顯下降，從近年來的一些震害數(shù)據(jù)資料也可看出，斷層在地表投影中心是破壞性最嚴(yán)重的區(qū)域。近斷層區(qū)域位錯源輻射地震波的幾何衰減是導(dǎo)致強地震動集中性的主要原因。

2.滑沖效應(yīng)

滑沖效應(yīng)是一種靜力永久位移，是由于地震的靜力形變場所產(chǎn)生的永久地面位移引起的，又被形象地稱為“fling step”。主要在斷層滑動的部位會發(fā)生滑沖效應(yīng)，走滑破裂主要發(fā)生在平行斷層走向的分量上;而傾滑斷層主要發(fā)生在垂直斷層走向的分量上.近年來的地震震害中已經(jīng)表明，這種與地表破裂有關(guān)的滑沖效應(yīng)會產(chǎn)生巨大地破壞力，特別是對斷層穿過或靠近斷層中心線的建筑物和構(gòu)筑物。

3.上盤效應(yīng)

上盤效應(yīng)是指對延伸至地表斷層相同距離的場地，上盤場地要比下盤場地更接近于斷層。上盤效應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重性明顯大于下盤的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重性。其特點如下，首先上下兩盤的地震動加速度峰值有明顯差異，上盤地震最大加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下盤，并且下盤地震動加速度的衰減速率要明顯大于上盤，另外受上盤效應(yīng)的影響，加速度反應(yīng)譜短周期段譜值有明顯的增大。

4.破裂方向效應(yīng)

當(dāng)破裂在斷層面上朝著一個觀測點傳播，并且傳播速度約等于于剪切波速時，幾乎可以同時觀測到斷層面輻射的大部分能量，形成一個長周期脈沖 ，即破裂傳播的方向性效應(yīng)。多普勒效應(yīng)可以用來解釋破裂的方向性效應(yīng)。正向破裂方向效應(yīng)兩個必要條件：①斷層面的破裂傳播方向指向場地②斷層的滑動方向指向場地，這兩個條件缺一不可。

5.長周期速度脈沖

破裂方向效應(yīng)和滑沖效應(yīng)是長周期速度大脈沖產(chǎn)生的原因，其中破裂方向效應(yīng)產(chǎn)生的是動力學(xué)的雙向速度脈沖，主要出現(xiàn)在遠(yuǎn)離震中的近斷層場地上;滑沖效應(yīng)產(chǎn)生單向速度脈沖，接近近斷層且與震中位置無關(guān)。

斷層破裂以幾乎和剪切破裂速度同樣大的速度向場地傳播，于是乎正向破裂方向效應(yīng)產(chǎn)生的雙向速度脈沖，使其破裂釋放的能量以一雙向長周期速度脈沖到達(dá)，并且在出現(xiàn)時開始記錄。這種速度脈沖與雙向速度脈沖不同，是單向的。

6.近斷層地震動的方向性

方向性效應(yīng)分為前、后、中三個方向的方向性效應(yīng)，我們平時所說的主要是前方向性效應(yīng)。由于受斷層上剪切錯位的影響，在垂直于斷層的方向上將發(fā)生雙向長周期速度脈沖，從而導(dǎo)致了平行斷層走向的峰值速度遠(yuǎn)小于垂直斷層走向的峰值速度，而滑沖效應(yīng)主要發(fā)生在斷層滑動的方向上。對于走滑地震，雙向速度脈沖垂直斷層走向方向，而滑沖位移則與斷層走向平行。對于傾滑地震，在垂直斷層面的方向上有鉛直、垂直斷層走向的兩個方向分量;一般地面位移與斷層滑動方向一致且平行于斷層面，也可分成鉛直、垂直斷層走向的兩個水平方向分量。單向速度脈沖方滑沖效應(yīng)發(fā)生的方向一致，即在斷層滑動的方向上。

三 前景與展望

我國關(guān)于近斷層問題的研究起步較晚，針對于結(jié)構(gòu)反應(yīng)展開的研究不全面，對于場地條件的影響，后方向性效應(yīng)的特點，近斷層地震動的扭轉(zhuǎn)分量等的研究存在缺陷，近斷層地震動對耗能減振和隔震結(jié)構(gòu)的影響還需進一步深入研究。

美國規(guī)范在理論上考慮了近斷層效應(yīng)的影響，引入了近斷層反應(yīng)譜放大因子的概念。而我國的抗震設(shè)計規(guī)范中僅僅采用避讓距離來進行抗震設(shè)防，這種簡單的概念設(shè)計表明我國規(guī)范對斷層認(rèn)識不足，同時目前研究所得的設(shè)計反應(yīng)譜在設(shè)計中仍無法應(yīng)用，也就是說目前設(shè)計理論還無法定量考慮此種影響，研究適用于近斷層區(qū)的抗震設(shè)計方法有著很大的實用意義。相信通過不斷地創(chuàng)新研究，一定可以合理進行近斷層區(qū)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防，為我國的抗震減災(zāi)工作作出應(yīng)有的貢獻。

[1]李新樂，朱唏.2003.近場地震速度脈沖效應(yīng)及模擬模型的研究.中國安全科學(xué)學(xué)報，13(12)：48～52

[2]倪永軍.2004.近斷層地震動的加速度峰值比和反應(yīng)譜分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，28(4)：125