地震学报  2007, Vol. 29 Issue (01): 102-111
近场问题的研究现状与发展方向
李爽1 , 谢礼立1, 2    
1 中国哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程学院
2 中国哈尔滨150080中国地震局工程力学研究所
摘要:针对地震火灾的复杂性和多变性的特点,利用径向基函数网络的自学习、 自适应能力和容错性特性,根据地震火灾的历史资料,建立了基于径向基函数网络的地震火灾损失预测模型,并对该模型进行了检验和讨论,说明本方法的适用性,也为其它自然灾害的损失预测提供了简单、 有效的方法.
关键词近场    近断层    近源    地震动本身的特性    对土木工程结构的影响    
PROGRESS AND TREND ON NEAR-FIELD PROBLEMS IN CIVIL ENGINEERING
Li Shuang1 , Xie Lili1, 2    
1. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;
2. Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
Abstract: In the last twenty years, near-field problems became an important topic for both seismologists and civil engineers. The one aspect is to illuminate mechanisms of earthquakes and explain new phenomena. The another aspect is the ground motions, which are usually assigned by engineers as a type of input load for seismic design of structures, sometimes can control the final design results. The experiments, performance evaluations and other related aspects are all based on the specified type of load. As a result, many aspects related to civil engineering will be influenced by changes of the type of load. Hence, the characteristics of the load and the corresponding response of structures are desired for studying. In this paper, the state-of-the-art of near-field problems in civil engineering is comprehensively reviewed, which include inherent characteristics of near-field ground motions and influences of these ground motions on civil structures. The existing problems are pointed out and work needed to be further investigated in the future is suggested. It is believed that the information in this paper can be useful to advance the state of investigation on near-field problems.
Key words: near-field    near-fault    near-source    inherent characteristics of ground motions    influences on civil structures    
引言

从距断层较近的区域获得的地震动与从较远的区域获得的地震动具有许多显著不同的特征. 地震学家和土木工程师第一次认识到它们之间的差别始于1957年的美国Port Hueneme地震. 在随后几十年的多次地震中,很多建筑物、 构筑物在这种近场地震动的作用下产生了超出人们意识的破坏. 究其原因,是因为人们尚未对这种特殊的荷载形式有足够的认识,而将其与常见的远场地震动等同视之. 一次地震中,极震区(近场)破坏是最严重的,相关的破坏资料也最为丰富,所以应该研究极震区内地震动的性质,找出其作为一种输入荷载对结构的影响特点; 另外,一个好的抗震设计方法也应首先具有可以保护极震区内结构的特点. 然而目前的情况与此相差甚远,我们比较熟知的地域恰恰在极震区之外. 因此一直以来,近场地震动的特性及其对工程结构的影响成为许多学者所思考和焦虑的问题. 近年来几次著名的大地震,尤其是1994年美国Northridge、 1995年日本Kobe、 1999年土耳其Izmit地震和1999年我国台湾集集地震均取得了相对丰富的近场地震动资料,这为研究近场问题提供了前所未有的条件.

本文根据所掌握的资料对近场问题研究的进展进行了系统的回顾和总结,包括两个方面: 近场地震动这种荷载形式本身特性的研究和近场地震动对工程结构影响的研究,并指出目前存在的问题和进一步应该研究的方向.

1 近场地震动的定义及特点

近场地震动,通常指到断层距离不超过20 km场地上的地震动. 但关于近场地震动的定义并不统一,其原因在于近场效应在距离断层一定距离后已经有所减弱,此时受震级和场地条件等因素的影响逐渐明显,给出一个固定的界限值用以区分近场和远场并不符合实际情况,而给出一个区间是比较合理的. Stewart等(2001)认为断层距的界限值应取在20~60 km之间. 目前从大量文献研究的结果来看,这一界限值范围是被趋于认同的. 对于近场的名称也不确定,目前有3种提法: 近场(near-field)、 近断层(near-fault)和近源(near-source). 本文统一称作近场,至于究竟如何称呼合适,是件值得讨论的事情.

震源机制、 断层破裂方向与场地的关系和断裂面相对滑动方向等因素,使近场地震动表现出与一般的从远场获得的地震动明显不同的性质. 近场地震动最显著的特点是方向性效应和滑冲效应引起的脉冲型地面运动,并以速度脉冲型运动最为常见. 这种速度脉冲型地震动具有类似脉冲的波形、 较长的脉冲周期和丰富的中长周期分量,地面速度峰值与地面加速度峰值的比值(vPG/aPG)较大,可能引起大尺度永久地面位移. 另外,上盘效应和竖向效应的影响也使近场地震动具有许多新特点.

2 近场效应

虽然早在1957年人们就已经对近场地震动有所认识,但一直以来对这一问题的研究进展缓慢. 在这段时期内,应该说Housner和Hudson(1958)Bolt(1971)Bertero等(1978)的工作是开创性的. 通过对1957年美国Port Hueneme地震记录的研究,Housner和Hudson指出近场地震动中包含有能量脉冲,这种地震动即使在里氏震级较小(M4.7)、 加速度峰值较低(aPG=0.78 m/s2)的情况下仍具有较强的破坏性. 通过对1971年美国San Fern and o地震记录的研究,Bolt首先认识到速度脉冲可能产生于快速的断层滑动; Bertero等指出近场地震动具有破坏作用的主要原因是记录中包含有1~1.5 s的长周期脉冲. 这段进展缓慢的时期一直延续到1994年美国Northridge地震和1995年日本Kobe地震的发生. 由于地震发生在人口众多的城市附近,导致此后大量的地震学家和土木工程师关注近场问题,近场地震动的特性和其对土木工程结构的影响成为地震学和工程学共同关注的话题(Loh et al,2002).

图1 上盘效应示意图
2.1 上盘效应

上盘效应出现在斜断层地震中,由位于上盘的场地要比下盘距断层延伸至地表处相同 距离(L)的场地更接近于断层引起,见图 1(R2R1). 上盘效应的影响具有以下特点: ① 上盘地震动和下盘地震动加速度峰值之间存在着系统差异,上盘明显高于下盘,并且上盘 地震动加速度峰值衰减比下盘缓慢(Abrahamson,Somerville,1996); ② 上盘效应对加速度反应谱短周期段谱值有明显的增大作用(Somerville,2000). 1999年台湾集集地震吸引了众多研究者(俞言祥,高孟谭,2001Shabestari,Yamazaki,2003),同时此次地震进一步证实了上盘效应对地震动的影响. 针对我国的具体情况,目前所采用的地震动参数衰减关系还没有考虑断层的上盘效应,在某些情况下不可避免地会给近场地面运动预测、 地震危险性分析和震害预测等工作带来很大的误差(俞言祥,高孟谭,2001),而这些工作会进一步影响到工程设计中地震动参数的取值,因此在未来的地震动参数衰减关系修正中将此因素考虑进去是十分必要的.

2.2 方向性效应

方向性效应可根据断层破裂方向与场地的关系分为前方向性效应、 后方向性效应和中性方向性效应,见图 2. 因为一般认为地震动受前方向性效应影响时将加重工程结构的破坏,并且是脉冲型地震动产生的主要原因之一,所以通常所提及的方向性效应均指前方向性效应. 本文也将只针对前方向性效应的研究进行讨论.

图2 方向性效应示意图

很多学者研究过前方向性效应的产生条件(Somerville et al,1997Stewart et al,2001Bray,Rodriguez-Marek,2004). 这些条件可归纳为两点: ① 断层破裂方向朝向场地(或夹角较小); ② 断层破裂速度接近场地剪切波速. 以上原因同声学中的“多普勒效应”. 将破裂断层视为移动震源,当破裂达到场地时,由前期断层破裂释放出来能量的一部分与场地处断层当前破裂释放的能量累积在一起. 当断层破裂速度接近场地剪切波速时,累积效应非常明显. 事实上,这种能量累积效应并未改变通过各点的总能量,只是改变了通过各点的总能量在时间上的分布,即能量密度,它使破裂传播方向上的点的能量密度增大. 当地震动受到方向性效应影响时,能量密度可能是反应这种效应的一个重要参数(李爽,2005).

方向性效应引起的影响具有以下特点: ① 从场地处来看,方向性效应使能量在短时间内累积,进而引起冲击型的地面运动,反映在时程上表现为大的幅值、 明显的脉冲波形和短的地震动持时. 时程中脉冲的个数与结构的反应直接相关,同时是将近场地震动简化成简单脉冲的基本依据之一. 理论上的研究表明,受方向性效应影响的地震动速度时程中将出现两个相反方向的连续半脉冲,但实际上由于断层面的不规则和不连续等原因,记录到的地震动速度时程中包含的半脉冲个数是不确定的,出现两个半脉冲只在统计意义上成立(Bray,Rodriguez-Marek,2004李新乐,朱晞,2004a); ② 由于高频波不太可能以连续一致的方式传播,所以方向性效应对地面位移和速度的影响相对较大,对加速度的影响相对较小(Singh,1985邬鑫,朱晞,2003). 此现象是导致近场地震动vPG/aPG较大的原因之一,而vPG/aPG的大小又会直接影响到反应谱加速度敏感区和速度敏感区的界限周期(Tc); ③ 受断层剪切错位辐射模式影响,使方向性效应在垂直断层走向方向更显著. 垂直断层走向地震动速度分量的峰值明显比平行断层走向大(Archuleta,Hartzell,1981Somerville,Graves,1993),垂直断层走向地震动的反应谱在中长周期段的谱值明显比平行断层走向大(Somerville,Graves,1993Somerville et al,1997). 抗震规范中一些参数的取值是根据地震动衰减关系得出的,这意味着应该改变传统的地震动衰减关系,以反映方向性效应对地震动参数的影响,或者直接提出适合于工程应用的反应谱放大系数模型; ④ 以往对于方向性效应的研究多限于大地震. 然而对于中小震级地震,由于距离断层很近其方向性效应也是存在的,并且由于中小震级地震产生的脉冲周期相对较小,对刚性结构可能更具破坏性(Bray,Rodriguez-Marek,2004李新乐,朱晞,2004b).

目前,普遍认为方向性效应在断层距20 km范围内,对周期大于1 s的反应谱谱值有较大影响,并与地震震级及断层和场地之间的几何关系有关. 而且由于反应谱加速度敏感区和速度敏感区的界限周期(Tc)的变化,不能通过同步调整固定形状反应谱的谱值来适当描述. 与其它影响地震动的效应相比,方向性效应更具普遍性和主导性,对受到影响的区域应该给予足够的重视.

2.3 滑冲效应

从1999年土耳其Izmit地震和我国台湾集集地震的SKR、 YPT、 TCU052和TCU068等台站获得的记录使人们有了新的认识,在台湾集集地震中接近9 m的地面最大水平位移可以摧毁几乎所有的土木工程结构. 这两次地震已经突显了与地表破裂有关的永久地面位移对横穿或位置接近活断层的工程结构的重要性. 滑冲效应的产生原因是断层两盘的相对运动,其使地震动的速度时程中出现单方向半脉冲,地面出现阶跃式的不可恢复位移,这种位移又被形象地称为“fling step”. 滑冲效应可能出现在走滑断层地震的平行断层走向方向或倾滑断层地震中的断层滑动方向. 在倾滑断层地震中,滑冲效应与方向性效应对垂直断层走向的地震动分量都有贡献,两种效应可能出现耦合. 当这种大的阶越式位移与地面震动过程中出现的动力位移最大值同时出现时,由于相当于“一致”的荷载将使地震动的破坏势增加(Somerville,2002).

尽管已获得一定数量的近场地震动,但受滑冲效应影响的地震动记录还相对很少. 目前对滑冲效应的研究并不深入,仅仅是从定性的角度出发,还无法从定量或统计的角度给出规律. 这方面还需进一步的积累资料,才能获得更多的认识.

2.4 竖向效应

近场竖向地震动具有以下特点: ① 与远场地震动相比,竖向分量与水平分量的加速度峰值比(aPV/aPH)增大,此比值在某些情况下远超过目前规范中常采用的2/3,并且值得注意的一点是软土场地上的比值明显较其它场地大(Wang et al,2002Li,Zhu,2004倪永军,朱晞,2004); ② 与远场地震动相比,竖向分量与水平分量的反应谱比值(SV/SH)随结构基本周期和场地到断层距离变化. 对于普遍认为的比值2/3,当场地离断层较近时,短周期段将远超过此值,而长周期段用此值估计又显得保守(Bozorgnia et al,1995); ③ 与远场竖向地震动相比,近场竖向地震动包含更多的高频成分. 虽然从荷载角度上讲,近场地震动的竖向作用增强,但实际中按现有规范设计的结构往往在竖向有较大的冗余度,所以近场地震动的竖向作用是否对目前的结构构成威胁仍是件需要检验的事情. 遗憾的是目前这方面的工作很少. Kikuchi等(2000)曾针对一个实际的钢筋混凝土框架结构进行研究,得到的结论是: 虽然近场的竖向地震动相对远场竖向地震动较大,但竖向地震动对结构破坏的影响很小,破坏的主要原因仍是来自于垂直断层走向的水平向地震动. 但此结论仅是根据两条地震动和一个结构得到的,需要更多的验证; 并且文中仅考虑了构件的弯曲破坏,并未考虑因为大的竖向地震作用引起的柱中轴力变化,而轴力的变化极可能使柱首先出现剪切破坏.

3 近场地震动对工程结构的影响

由于近场地震动所表现出的与远场地震动显著不同的性质,人们开始反思这种由于荷载形式的变化所带来的影响,近场地震动作用下的结构反应也因此逐渐受到人们重视. 目前,关于近场地震动对工程结构的影响主要是考虑近场经常出现的脉冲型地震动对结构的影响.

3.1 工程结构在近场地震动作用下的反应

大部分研究者认为近场地震动对结构的破坏作用与其速度脉冲有关,但也存在不同的意见. Hall等(1995)认为与近场地震动中大的速度脉冲相比,在速度脉冲的时间段内所发生的地面位移更能表现地震动的破坏势. Makris和Black(2003)认为与速度脉冲相比更应该重视近场地震动中包含的加速度脉冲,而一般情况下速度脉冲只对周期大于4 s的结构才有影响. Iwan(1997)认为结构在受到脉冲型地震动作用时,地震动将会以波动的形式在结构中扩散,所以基于传统反应谱的方法可能无法合理地描述脉冲对结构的影响,而基于剪切梁模型的层间位移谱方法会更好地解决这个问题. 但从已有的研究(Chopra,Chintanapakdee,1998)来看,值得庆幸的是反应谱方法用于工程的准确性还是可以接受的. 这意味着虽然将现有规范直接用于近场区可能会不保守,但反应谱作为一种已被广泛使用的方法在近场区仍然适用.

近场地震动对结构反应的影响具有以下特点:① vPG/aPG值较远场地震动大,这使得反应谱的加速度敏感区较远场地震动宽,进而使更多的结构呈刚性,增大了短周期结构受到的作用力(Malhotra,1999); ② 位移反应谱长周期谱值的增长使长周期结构位移反应增大(Bertero et al,1978; Anderson,Bertero,1987); ③ 在结构周期远大于脉冲周期时,高频模态在反应中的贡献增加,使用基频模态近似多模态的方法来估计结构的反应在某些情况下不准确(Huang,2003Roberts,Lutes,2003); ④ 近场地震动作用下结构的非弹性反应有明显增大的趋势,某些情况下用平方和开平方组合(SRSS)以及绝对值组合(SAV)等方法估计结构的非弹性位移不保守(Baez,Miranda,2000MacRae,Mattheis,2000MacRae et al,2001黄建文,朱晞,2003). 所以仅通过改变规范设计反应谱考虑近场效应的方法有一定的局限性,因为其不能考虑到近场地震动对结构非弹性反应的影响;⑤ 对于强度折减系数,同一延性条件下近场地震动给出的强度折减系数在反应谱的加速度敏感区往往小于由远场地震动给出的强度折减系数,但在相同的频段其对应的强度折减系数谱的形状是相同的. 此现象是由于两类地震动的加速度敏感区与速度敏感区的界限周期(Tc)不同造成的. 只要给出各频段合适的界限周期,则近场和远场地震动所对应的强度折减系数可以使用同一公式表达(Chopra,Chintanapakdee,2001Mavroeidis,2004); ⑥ 对于耗能减振结构,大的vPG/aPG将使结构附加阻尼的作用减弱; 与每个往复作用内消耗的总能量相比耗能机制与结构反应的关系更密切(Makris,Chang,1998Malhotra,1999). 对于使用隔震支座的结构,支座位移主要是由垂直断层走向地震动引起的,增大支座阻尼仍可起到减小支座位移的作用,但阻尼增加到一定程度后位移减少的同时会导致上部结构产生大的加速度,存在一个特定的支座阻尼值使上部结构的加速度达到最小(Jangid,Kelly,2001).

3.2 简单脉冲模型的发展与应用

近场地震动在方向性效应、 滑冲效应的影响下,速度时程往往表现为包含单个或多个脉冲的简单波形. 如果能在满足一定精度的条件下给出一种脉冲表达式来近似代替实际的近场地震动,则将会给理论研究和工程应用带来很大的方便,因为此时脉冲的峰值和周期等参数很容易确定,同时也可以得到一些定量的结论. 从当前的应用来看,简单脉冲模型的用途表现在以下几个方面: 进行结构反应分析的理论研究; 通过控制参数的回归,代替实际地震动进行结构抗震分析、 加固和试验; 修正现有规范设计反应谱,弥补近场地震动用于统计分析时数量不足的问题.

简单脉冲模型的出发点都是从波形上对原始地震动给予近似,所以近似的方法很多,可以用三角形、 矩形和简谐函数等. 一般来讲,模型包含以下3个基本参数: 脉冲周期、 脉冲幅值和脉冲形状. 其中脉冲形状根据具体建立模型方法的不同可以预先指定或据其它相关的条件求出. 表 1给出了文献中出现的几种简单脉冲形式.

由于近场地震动本身所具有的简单波形的特点,这种使用简单脉冲代替实际近场地震动的方法已被多数的研究者认可. 然而应该指出,虽然将上述模型称为简单脉冲模型,但事实上不同模型之间数学表达式的繁简程度差异较大,对实际地震动的近似能力也不尽相同. 在分析具体问题时,应在简单性与精确性两者之间合理地进行选择. 再者,采用简单脉冲模型进行分析时还存在着一些问题,如不能反应实际地震动中的频谱分布,尤其是高频部分.

表1 主要简单脉冲模型小结
3.3 现有规范对近场问题的考虑

美国UBC-97规范(International Conference of Building Officials,1997 )是第一部从设计理论上考虑近场效应的设计规范. 其中引入了近场设计反应谱放大因子,并将设计反应谱的长周期段设置成等谱值的平台,这对没有考虑近场效应的抗震规范而言有较好的借鉴意义. UBC-97规范对近场效应考虑的合理性表现为同时考虑了近场地震动对刚性结构和柔性结构的影响. 但UBC-97规范对于近场问题的规定并不完善,存在以下问题: ① 近场因子是根据矩震级小于7.0的地震记录得到的,并且采用的记录较少. 近几年来,在土耳其Izmit地震和我国台湾集集地震等矩震级大于7.0的地震中获得了许多近场记录,近场因子需要用这些资料检验其适用性; ② 没有考虑矩震级小于6.5时的近场效应,认为近场效应只有在大震级地震中才会出现,然而对于近场中小矩震级情况很多的研究者提出了不同的观点(Bray,Rodriguez-Marek,2004Li,Zhu,2004李新乐,朱晞,2004b); ③ 近场设计反应谱在速度敏感区略显不保守,而在位移敏感区的等谱值平台段反而过于保守,所以设计中等周期结构可能不安全,设计长周期结构不经济(Malhotra,1999); ④ 不能考虑近场地震动对结构非弹性反应的影响. 另外,在1995年Kobe地震和1999年集集地震发生后,日本和我国台湾分别修订了本地区抗震设计规范,加强了近场区设防的措施.

比较而言,我国建筑抗震设计规范对近场区的规定较弱,规范(GB50011—2001)(国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部,2001)中是通过避让距离来对建于近场区的结构进行设防的. 目前还没有形成完善的可应用于近场的设计反应谱,也就是说不能从设计理论上加以考虑.

4 存在的问题和今后的发展方向

本文对与近场地震动有关的主要研究做了尽可能详细的介绍和总结. 总的来说,国外已经进行了一定的研究,但在一些方面仍需加强; 国内关于近场问题的研究起步较晚,针对于结构反应展开的研究不多. 我国一些重要的城市,如成都、 乌鲁木齐、 兰州和西宁等均处于地震的近场区范围. 另外,国家“十五”重大工程项目《城市活断层探测与地震危险性评价》结束后,在已获得的近场区资料基础上对近场地震动本身的性质做进一步了解,以及如何合理进行近场区结构的抗震设防已成为突出的问题.

笔者认为,近场问题在地震学和工程学方面需要研究的工作还很多,许多问题有待进一步仔细商榷和探讨.

由于目前已获得的质量较好的近场记录有限,所以在进行统计分析时,经常采用断层距一个参数来区分近场和远场,而相对忽略了各种近场效应对地震动的影响. 事实上,由于台站位置与断层关系的不同,即使各种效应本身对地震动的影响结果也可能是完全相反的,这种不加区分的做法将导致统计出的结果意义不大.

普遍认为近场地震动主要受震源影响,场地成为相对次要的因素. 而场地条件对近场地震动的特性究竟有何影响,影响有多大,不经过具体的研究还难以给出定论. 另外,现在关于前方向性效应的研究较多,对上盘、 下盘效应和后方向性效应研究较少. 它们对工程结构的影响,特别是对非弹性反应的影响是否有自身的独特之处,还不是很清楚. 目前对地震时出现的水平向大尺度永久位移已经有所认识,而对竖向产生的大尺度永久位移还未给予足够的重视. 对地表破裂与地震震源、 传播效应及场地之间的关系认识的还不够. 如何用数值的方法来模拟断层破裂过程以及近场强地面运动影响场,进而为大跨度结构和高层结构的地震反应分析提供输入地震动也是需要解决的问题.

已有的研究表明,近场地震动的水平和竖向分量均与远场地震动有所区别,但还不了解地震动的转动分量是否也存在着某些差异. 所以应对近场地震动的转动分量进行研究,并与远场地震动进行比较,考察近场地震动的转动分量是否有一些不同于以往的性质.

关于近场问题研究的主要成果集中在地震动本身性质方面,虽然针对于结构的研究也一直在进行,但未取得实用性的进展. 近场地震动对耗能减振和隔震结构的影响还需进一步深入研究. 由于近场地震动的特殊性,将针对单自由度体系得到的一些研究成果直接推广到多自由度体系可能不合适,这方面需要在研究方法上加以考虑.

由于荷载形式的变化,对已有的结构加固方法和性能评估方法的可靠性应进行检验,并可以与试验结合起来,全面研究近场地震动对材料、 构件和结构的影响. 从前文中可以看出,对近场地震动中加速度、 速度还是位移脉冲起控制作用还存在争议,因此近场地震动破坏势的物理标准也是值得研究的,这可为以后近场区抗震规范的修订中某些参数的确定提供参考. 此外,到目前为止还没有形成一套完整、 可靠的适用于近场区的结构抗震设计方法,所以研究适用于近场区的抗震设计方法有着很大的实用意义.

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