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?cè)俅胃袀诖笞匀坏木薮笃茐牧Γ瑥?008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?cè)诟袊@民族多災(zāi)多難的同時(shí),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(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞,其影響范圍及其強(qiáng)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(guó)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(qiáng)對(duì)近斷層強(qiáng)地震動(dòng)的特點(diǎn)研究和對(duì)我國(guó)的建筑抗震設(shè)計(jì)及減小災(zāi)難損失有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
近斷層地震動(dòng)一般表示斷層距小于20~60km的范圍場(chǎng)地的地震動(dòng),又稱為近場(chǎng)地震動(dòng)或近源地震動(dòng)。受斷層破裂方向,震源機(jī)制與場(chǎng)地的關(guān)系和斷裂面相對(duì)滑動(dòng)方向等各種因素的影響,近斷層地震動(dòng)和一般的遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)有顯而易見(jiàn)的不同之處。由于方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的長(zhǎng)周期脈沖型永久地面位移是地震動(dòng)最顯著的特點(diǎn),最為常見(jiàn)的便是速度脈沖型運(yùn)動(dòng),同時(shí)受上盤效應(yīng)和集中性的影響,近斷層地震動(dòng)還具有許多新特點(diǎn).前人已全面地歸納近斷強(qiáng)地震動(dòng)的特點(diǎn),本文在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要解釋近斷層地震動(dòng)的概念及形成機(jī)理。
從大量模擬的試驗(yàn)結(jié)果不難看出,近斷層地震動(dòng)隨著斷層距的增加而很快的衰減,強(qiáng)地震動(dòng)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(dòng)幅值明顯下降,從近年來(lái)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(cuò)源輻射地震波的幾何衰減是導(dǎo)致強(qiáng)地震動(dòng)集中性的主要原因。
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(chǎng)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(dòng)的部位會(huì)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(lái)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(huì)產(chǎn)生巨大地破壞力,特別是對(duì)斷層穿過(guò)或靠近斷層中心線的建筑物和構(gòu)筑物。
上盤效應(yīng)是指對(duì)延伸至地表斷層相同距離的場(chǎng)地,上盤場(chǎng)地要比下盤場(chǎng)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(diǎn)如下,首先上下兩盤的地震動(dòng)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(dòng)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。
當(dāng)破裂在斷層面上朝著一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)傳播,并且傳播速度約等于于剪切波速時(shí),幾乎可以同時(shí)觀測(cè)到斷層面輻射的大部分能量,形成一個(gè)長(zhǎng)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(lái)解釋破裂的方向性效應(yīng)。正向破裂方向效應(yīng)兩個(gè)必要條件:①斷層面的破裂傳播方向指向場(chǎng)地②斷層的滑動(dòng)方向指向場(chǎng)地,這兩個(gè)條件缺一不可。
破裂方向效應(yīng)和滑沖效應(yīng)是長(zhǎng)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(dòng)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(chǎng)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(wú)關(guān)。
斷層破裂以幾乎和剪切破裂速度同樣大的速度向場(chǎng)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(zhǎng)周期速度脈沖到達(dá),并且在出現(xiàn)時(shí)開(kāi)始記錄。這種速度脈沖與雙向速度脈沖不同,是單向的。
方向性效應(yīng)分為前、后、中三個(gè)方向的方向性效應(yīng),我們平時(shí)所說(shuō)的主要是前方向性效應(yīng)。由于受斷層上剪切錯(cuò)位的影響,在垂直于斷層的方向上將發(fā)生雙向長(zhǎng)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(dòng)的方向上。對(duì)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(duì)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(gè)方向分量;一般地面位移與斷層滑動(dòng)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(gè)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(dòng)的方向上。
我國(guó)關(guān)于近斷層問(wèn)題的研究起步較晚,針對(duì)于結(jié)構(gòu)反應(yīng)展開(kāi)的研究不全面,對(duì)于場(chǎng)地條件的影響,后方向性效應(yīng)的特點(diǎn),近斷層地震動(dòng)的扭轉(zhuǎn)分量等的研究存在缺陷,近斷層地震動(dòng)對(duì)耗能減振和隔震結(jié)構(gòu)的影響還需進(jìn)一步深入研究。
美國(guó)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(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中僅僅采用避讓距離來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)防,這種簡(jiǎn)單的概念設(shè)計(jì)表明我國(guó)規(guī)范對(duì)斷層認(rèn)識(shí)不足,同時(shí)目前研究所得的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在設(shè)計(jì)中仍無(wú)法應(yīng)用,也就是說(shuō)目前設(shè)計(jì)理論還無(wú)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(jì)方法有著很大的實(shí)用意義。相信通過(guò)不斷地創(chuàng)新研究,一定可以合理進(jìn)行近斷層區(qū)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防,為我國(guó)的抗震減災(zāi)工作作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
[1]李新樂(lè),朱唏.2003.近場(chǎng)地震速度脈沖效應(yīng)及模擬模型的研究.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),13(12):48~52
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