曾永平 ，陈克坚，庞林，董俊

近断层地震一般是指场地距发震断层20 km以内的地震，与远场地震显著不同的，其低频成份丰富，具有向前方向性的速度脉冲和滑冲效应[1]。震害调查显示，近断层区域内的桥梁和房屋等结构的震损情况往往更为严重[2]。随着人们对地震机理研究的逐渐深入及对近断层地震记录资料收集的不断积累，在第 12届世界地震工程会议上近断层地震的危害开始得到广泛的关注。各国抗震设计规范也尝试为此作出了一些规定，美国统一建筑标准UBC97首次提出近断层因子的概念，规定在对距发震断层15 km以内的结构进行抗震设计时应考虑近场效应。我国《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[3]则规定当处于发震断层10 km以内时输入地震波应考虑近场系数，5 km以内宜取1.5，5 km以外可取不小于1.25。我国《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)[4]只是本着预防的原则仅做了一般性原则规定，当绕避不利地段有困难时，应采取相应的有效措施。国内外很多学者在围绕近断层地震动特性展开的研究主要集中在比较近断层和一般远场地震动的弹性和非弹性反应谱差别，对于存在差别的地方，通过分段线性拟合设计反应谱或提出修正系数来考虑近断层地震动的影响，取得了较多有意义的结论和成果。韦韬等[5]对比研究有速度脉冲和无速度脉冲地震记录的反应谱和特征周期。江辉等[6]深入分析了近断层脉冲型地震竖向和水平分量加速度反应谱的变化规律，发现两者的比值大于现行规范的取值。杜永峰等[7]从美国太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库选取典型近断层地震记录，通过标准化和求平均值的方法研究和拟合速度设计反应谱。此外，宋廷苏等[8-10]也对近断层地震特性开展了研究，但关于近断层地震动的脉冲特性及反应谱特性的研究仍不够深入。并且我国现行铁路抗震规范[4]仍主要基于远场地震记录进行抗震设计并且仍未针对近断层地震动提出抗震措施。随着铁路的发展，成兰铁路、川藏铁路等铁路干线需要穿越西部高烈度地震区。特别是川藏铁路，所经区域现今地壳变形十分强烈、地震活动频繁，其中拉萨至林芝段穿越或邻近的断裂带多达21条(图1)。近断层地震灾害将是影响这些地区铁路桥梁安全的主要因素，迫切需要开展近断层地震反应谱特性研究，为近断层地区桥梁抗震设计提供依据。因此，本文从美国PEER强震数据库中筛选出具有典型脉冲特性的126条近断层地震波，并将其按照断层类型(正逆断层，斜向滑动断层和走滑断层)分类，深入对比研究3类近断层脉冲型地震动引起弹性反应谱的特性，并与美国 UBC97规范和我国现行建筑抗震设计规范进行对比分析。

图1 川藏铁路沿线断裂及地震活动图示Fig. 1 Diagram of fracture and seismic activity along the Sichuan-Tibet railway

1 近断层地震动特性

滑冲效应和方向性效应是引起近断层脉冲型地震动的2个主要原因[1]。滑冲效应的产生是由于断层两盘的相对运动，速度脉冲表现为单方向或偏向单侧的形式，产生平行于断层滑动方向的阶跃式位移。如果桥梁等长大结构跨越断层，断层两侧较大的相对位移将导致结构的破坏形式主要表现为“撕裂”。针对这类形式的破坏目前只能通过被动回避的方式加以解决。比如在选线时尽量回避断层，即使无法回避也应保证同跨桥墩尽量位于断层同一侧。由于本文分析选用的美国太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库中的地震记录均经过位移漂移矫正的处理，没有体现滑冲效应的记录。因此本文考虑的脉冲型地震动没有包含这类地震动。

与滑冲效应不同，受方向性效应影响的地震动速度时程中常出现2个相反方向的半脉冲或多个连续正负交错的半脉冲。为了方便说明具有方向效应的近断层地震动特性，本文各挑选了1条典型的近断层脉冲型地震波和远场地震波并对2条地震波作了归一化和截断处理来消除幅值和持时的影响，如图2所示。如图2(a)中的近断层地震动的两个连续半脉冲发生在15～25 s之间。按照断层破裂方向与震中指向场地方向的夹角，方向性效应分为前、后和中性方向性效应。其中前方性效应引起的速度脉冲主要发生于垂直于断层方向，破裂前锋朝观测点传播。根据“多普勒效应”原理，能量将在前方性区累积，能量密度相对于中性方向区和后方向性区最大，因而对建筑结构造成的破坏也最大。特别是当断层破裂速度与场地剪切波速接近时，前方性效应将非常明显[11]。从方向性效应对地面运动的影响来看，主要表现为长周期和短持时的冲击型速度大脉冲，地面峰值速度PGV与地面峰值加速度PGA的比值较大。如图 2中该近断层地震波的 PGV/PGA=0.38(PGA=9.8 m/s2, PGV=3.73 m/s)，远大于远场地震波的PGV/PGA=0.04(PGA=9.8 m/s2， PGV=0.43 m/s)。因而PGV/PGA的比值大小常作为判断脉冲型地震的重要指标。求得图2中地震波的功率谱并绘制在图3中，可以看出，该近断层地震动包含低频信号(长周期信号)的能量较远场地震波更为丰富。特别是周期在1 s以上时，与近断层地震波是显著不同，远场地震波的能量几乎为0。

图2 典型近断层脉冲型地震波Fig. 2 Typical near fault pulse seismic wave

图3 地震波傅里叶功率谱Fig. 3 Fourier power spectrum of seismic wave

2 近断层地震反应谱与规范反应谱对比分析

为反映近断层、远场地震波放大系数与规范地震影响系数差异，计算图2所示的典型近断层地震动放大系数，并与规范反应谱进行对比(图4)。从图4可以发现，规范放大系数基本能包络住远场地震波放大系数；近断层地震动放大系数在周期大于0.6 s时大于规范放大系数，特别是在周期大于1 s后与规范处于下降段相反，仍然有上升趋势，其数值是规范放大系数的数倍。考虑到图4仅有2条地震波，因此必须选用较多的地震波来分析其平均值来反映近断层地震反应谱的特性。

图4 地震放大系数Fig. 4 Seismic amplification coefficient

对近断层脉冲型地震的选择目前国际上尚无明确统一的标准。李明[12]在对国内外文献中近断层地震波定量选择标准归纳整理中发现动速度时程中第一大速度峰值是第二大速度峰值的 2倍以上(如有2个速度峰值较接近，则峰值较小者是其余最大峰值的2倍以上)，是典型的近断层地震波均具有的特点。因此本文将此条件作为判断近断层地震波的定量标准，从PEER强震数据库中进行筛选，选取了共计126条峰值加速度均不小于0.05 g(g为重力加速度)具有典型脉冲特征的地震波。并根据断层两盘相对位移方向划分为正逆断层、走滑断层和斜向滑动断层3类。其中发生上下垂直错动的为正逆断层，两盘顺断层面走向相对移动的为走滑断层，两者皆有的为斜向滑动断层。分别计算所选地震波的放大系数，并取平均值绘图如图5所示。

同时为了详细对比近断层与远场地震波的不同，本文还选取了 39条已应用于建筑结构的倒塌性能评价的 ATC63-FF地震波作为远场地震波代表。该组地震波信息：1)震级MM(6.5～7.6)；2)震中距＞10 km；3)地震动记录峰值加速度PGA＞0.2g，峰值速度PGV＞15 cm/s。部分选取的地震波信息如表1所示。

表1 部分选用的地震波信息Table 1 Part of selected seismic information

图5 中国规范、ATC63及近断层平均值地震放大系数比较Fig. 5 Comparison of seismic amplification coefficients for Chinese standard, ATC63 and the average value of near fault

将3类近断层脉冲型地震波的地震放大系数的平均值和我国规范规定函数以及 ATC63远场地震波的平均值绘制于图5中。通过对比可以发现：

1) 在 3种类型断层的脉冲型地震波放大系数对比中，当特征周期大于1.0 s时，正逆断层的脉冲型地震放大系数最大，这说明该地震成因对周期较长的桥梁结构破坏作用最大。

2) 对于低于场地特征周期的结构，我国规范规定的放大系数基本能包络各类型地震影响，而对于长周期结构而言，应采用正逆断层脉冲型地震进行分析。

3) 脉冲型地震波的放大系数在长周期段(大约1.5～20 s)和远场地震放大系数都比我国规范规定的放大系数要高。

4) 在 1.5～20 s区间正逆断层脉冲型地震波放大系数比规范规定的放大系数要高许多，最大可达3.7倍，桥梁抗震设计时应特别注意。

3 结论

1) 本文通过对126条典型近断层地震波和39条远场地震波的地震放大系数研究，并与我国规范反应谱对比分析发现，正逆近断层脉冲型地震波与远场地震波在中长周期段(大约 1.5～20 s)的加速度放大系数明显大于我国规范放大系数，尤其是正逆近断层脉冲型地震波放大系数最大可达规范的 3.7倍。这对于桥梁等自振周期较长的结构来说无疑将产生较大的影响，按照我国规范规定的反应谱进行抗震设计将偏于不安全。

2) 与我国抗震规范所采用绝对加速度反应谱的地震影响系数曲线不同，美国桥梁统一标准所用的设计谱为拟加速度谱，因此不能直接套用。

3) 由于在3类脉冲型地震波中，正逆断层的脉冲反应谱最大，在进行近断层桥梁抗震分析时应采用正逆断层脉冲型地震进行计算，选波时应特别注意考虑近断层对长周期结构抗震分析的影响。

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