近断层地震动特性及其对工程结构抗震设计规范的影响

　　0 引言

　　地震灾害调查发现，在极震区明显体现出震害的集中性，因此，地震学和地震工程学界对近断层地震高度重视。自从 1933 年在美国 Long Bench 地震中获得第一条强震加速度记录以来，地震工程领域学者一直试图建立强震动记录和震中区震害集中性的联系，但由于地震发生的时间和地点的不确定性，实际地震中得到的近断层地震记录很少。从上世纪末的几次强烈地震尤其是 1994 年美国 Northridge 地震、1995 年日本 Kobe 地震、1999 年土耳其 Izmit 地震和 Duzce 地震以及 1999 年我国台湾 Chi-Chi 地震中获得的大量近断层地震记录，证实了极震区震害集中性与强震动的关联性，并为进一步研究地震的发生机理和发展过程提供了宝贵的基础数据资料。许多学者对近断层地震记录的幅值、频谱等特性开展了分析研究，发现近断层地震动与远场地震动有显着差别，并逐步发现了断层破裂方向性效应、滑冲效应、上盘效应和强烈竖向地震动等特性。这些显着的近断层地震动特性对工程结构的地震响应以及失效破坏影响较大。进入本世纪以来，近断层地震动特性及其对工程结构的地震响应和抗震设计规范的影响研究取得了长足的进步，并已取得了丰硕成果。

　　作者参考大量文献资料，首先对近断层地震动特性的研究进展进行系统的回顾和总结; 然后，分别介绍水平和竖向近断层地震动对工程结构的地震响应的研究进展，并进行初步分析和总结; 进一步就近断层地震动对抗震设计反应谱和规范的影响进行概况总结; 最后，提出在近断层地震动特征及其对工程结构地震响应的影响方面仍存在的问题和有待进一步开展研究的内容。

　　1 近断层地震动特性

　　关于近断层地震动的名称，目前国内主要有近场、近断层和近源等 3 种，对应国外的名称分别为near-field、near-fault 和 near-source，在一般的研究中大多没有特意区分，本文中称之为近断层。Aki 等［1］指出近场地震动是指震源距较小、震源辐射地震波中的近场和中场项不能忽略的区域的地震动; 刘启方等［2］认为在近断层区域，由于距离断层很近，显然不能忽略近场和中场项，因此近断层地震动包含在近场地震动以内。近断层区域通常指到断层距离不超过20 km 的范围［3-4］; 但也有研究者认为断层距界限值应取在20 ～60 km 之间较为合适［5-6］。目前对近断层地震动的定义和近断层范围的确定还存在争议。

　　早在 1958 年 Housner 等［7］对 1957 年美国 PortHueneme 4. 7 级地震中距离震中 5 英里左右的台站记录到的含有一个单脉冲的地震动记录进行分析，指出该记录表现出显着的脉冲特性，即使在震级较小的情况下仍具有较强的破坏性。Bolt［8］通过对1971 年美国 San Fernando 地震记录开展研究，首先认识到速度脉 冲可 能 产 生 于 快 速 的 断 层 滑 动。

　　Bertero 等［9-10］对考虑近断层地震的地震动评估方法以及 San Fernando 地震中近断层地震记录在结构抗震设计中的应用开展了相关研究。Baker［11］采用小波分析方法研究地震记录，提出用三个条件来量化判定近断层地震动，分别为脉冲指数大于 0. 85、脉冲应该在速度时程的前期到达( 速度时程前 20% 时间的累积速度平方大于脉冲时程前 10% 的累积速度平方) 以及地面峰值速度大于 30 cm/s。后续的研究中，有学者采用这种方法对 2011 年日本 9. 0 级地震［12］和 1986 年 Dharamsala 5. 5 级地震［13］的强震记录进行量化识别和判定，结果表明该方法能较好地量化和识别近断层地震动。

　　通过对近断层区域地震动记录的分析研究，人们逐渐认识到，近断层地震动受到震源机制、断层破裂过程、场地条件等因素的影响，体现出方向性效应和滑冲效应引起的脉冲效应、断层破裂的上盘效应和显着的竖向地震动等特性。

　　1. 1 方向性效应

　　方向性效应是断层在破裂时造成位于近断层区域的地震动显着区别于远场地震动的重要特性之一，根据断层破裂朝向与断层滑动方向的不同，可分为向前的方向性效应和向后的方向性效应。向前的方向性效应是引起近断层地震动脉冲特性的主要原因之一，这种脉冲特性对工程结构的地震响应具有重要影响，因此多数研究主要是针对向前的方向性效应。

　　在以往的强地震动记录中体现出明显的方向性效应引起近断层地震动的脉冲特性，1966 年美国Parkfield 地震中，在破裂前方断层距仅为 80 m 的 C02台站获得的垂直于断层走向的速度时程是观测到的第一条包含方向性效应的地震记录［14］。1992 年美国 Landers 地震、1999 年我国台湾 Chi-Chi 地震、2003年美国加州中部的 San Simeon 地震［15］中的记录都显示了明显的方向性效应。2008 年汶川地震中速度脉冲记录出现在沿地震断层破裂传播的方向上，且与地表断裂的距离都在 30 km 内，这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起［16］。

　　近断层方向性效应对近断层区域的地震动影响主要有以下特点: 1) 强震发生时，断层破裂以接近于剪切波速的速度向前传播时［17］，会在断层破裂的前方场地聚集大量的断层破裂能量，引起类似脉冲形式的地面运动，由于剪切波是横波，会在这些场地上的垂直断层方向的记录中显示出明显的大幅值、长周期脉冲特性。2) 具有向前方向性效应的近断层脉冲记录可以用有限个地震动参数描述的等效脉冲来表现［18-20］，国内外许多学者已经提出了多种简化脉冲函数，如三角形脉冲和矩形脉冲［21-22］、简谐函数脉冲及其组合形式［23-25］、简谐函数和指数函数组合脉冲形式［26-28］。一般来讲，简谐脉冲比矩形脉冲能更好地表现脉冲特性; 分段模拟脉冲函数比单个脉冲函数精度高，可在一定程度上反映实际地震动的非平稳随机性，但几乎每个简化脉冲函数都有其局限性。简化脉冲函数可用有限的几个与震源参数相关的地震动参数来确定，主要包括脉冲周期和脉冲幅值［3-4，22，29-31］、脉冲个数或脉冲持时［32］和脉冲形状参数［26］等。Ｒajesh［33］采用 Mavroeidis 等［3］提出的简化脉冲模型评估了多自由度系统地震响应，验证了采用等效数学模型仍然能够很好地评估多自由度建筑结构的地震响应。武钢等［34］采用正弦等效脉冲模型对大跨越输电塔-线体系进行动力响应分析，认为塔-线体系在等效脉冲与实际近场脉冲型地震动作用下的响应相近，在大跨越输电塔-线体系地震响应分析采用等效脉冲作用能够弥补实际近场脉冲型地震动记录过少的不足。3) 方向性效应对地面运动加速度的影响相对较小，但对速度和位移的影响较大［4］，进而引起近断层区域较大的峰值速度( PGV) 与峰值加速度( PGA) 的比值［35］，而 PGV 与 PGA 比值的大小将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［36］。

　　目前，一般认为破裂的方向性效应受诸多复杂因素的影响，包括断层破裂的正断层、逆断层以及走滑断层等类型，断层破裂方向和破裂速度以及断层面的滑动方向和位错分布，还有观测点位置和场地条件等［30］。方向性效应是近断层区域较为普遍的地面运动特性，因此，更为准确地表现具有方向性效应的地面运动以及在设计中考虑这种效应是目前关注较多的重要课题，但仍没有较为成熟的研究成果。

　　1. 2 滑冲效应

　　滑冲( fling-step) 效应也是近断层地震动的重要特性之一，是地震过程中由于静力位移的影响，地震时断层两盘发生相对错动或滑动最后在滑动方向上产生地面永久位移的现象［4］。在地面运动记录上表现为在断层滑动方向的速度时程中出现一个单向的速度脉冲，而位移时程中出现一个“台阶”状的永久位移。对走滑断层地震，fling-step 效应表现在平行断层方向; 对于正断层或逆断层地震则与断层滑动方向一致，此时可能与断层破裂发展造成的脉冲效应在垂直于断层方向出现耦合的情况。

　　已有的近断层地震动记录中表现 fling-step 效应的相对较少，因此对 fling-step 效应比其他近断层效应的研究更少［37］，但在 1999 年我国台湾 Chi-Chi 地震和土耳其 Izmit 地震和 Duzce 地震中的地表破裂造成的很大的永久地面变形对横穿或者接近于断层线的工程结构造成了致命的损害，直接造成结构的断裂或倒塌。因此，fling-step 效应及其对结构的影响不可忽视，目前由于能体现这种特性的近断层记录还较少，无法从统计意义上进行定量研究，近年来迅速发展的近断层地震动模拟技术或许是研究 fling-step效应成因及其对工程结构影响的较好途径。

　　1. 3 上盘效应

    近断层上盘效应是近断层地震动的另一特性，特别是逆断层的上盘效应十分明显［38］。上盘效应是在距离断层线相同的上盘场地比下盘场地更接近于发震断层面，造成上盘场地上的地震动更为强烈，而且地震波在地表和断层面之间的多次反射也可能放大上盘的地震动［2］，并且上盘场地的地面运动的衰减较下盘场地缓慢［38］。

　　1994 年美国 Northridge 地震［38］和1999 年我国台湾 Chi-Chi 地震［31，39］中，在地震动速度、加速度幅值和频谱特性上表现出明显的上盘效应。Chi-Chi 地震是典型的逆断层地震，我国有许多地区易发生逆断层地震，如龙门山断裂带、天山、祁连山以及台湾地区等，一些省会城市如成都、乌鲁木齐、兰州、西宁等处于逆断层型地质构造之上，在进行这些地区的地震危险性分析、结构抗震设计和震害预测时，考虑其可能发生地震的震源机制对地震动的影响非常必要。我国规范当前的峰值加速度衰减关系使用的是椭圆型衰减关系，相对于发震断层也是对称分布的，将椭圆型衰减关系使用在逆断层型地震时，会造成较大误差［39］。

　　1. 4 显着的竖向地震动特性

　　虽然以往的地震中曾记录到强烈的竖向地震动，但记录数量较少而且近断层竖向地震动记录更少。近年来的几次强烈地震中特别是在距离断层较近的极震区，都获得了相当数量的竖向地震动记录，如 1979 年美国 Imperial Valley 地震、1994 年美国Northridge 地震、1995 年日本 Kobe 地震、1999 年我国台湾 Chi-Chi 地震和 2008 年我国汶川地震［40］等地震中一些竖向地震动强度远超过了水平地震动。1994年美国加州 Northridge 地震是竖向地震运动研究的里程碑，第一次观测到地震中很多强烈的竖向加速度和由于竖向地震造成现代建筑物的结构损害［41］。

　　1999 年 Chi-Chi 地震近断层竖向地震动中明显包含有低频分量，断层地表的竖向位移达 2 ～9 m［42］，远超过水平向地表位移( 2 ～3 m) ，巨大的永久性地表竖向位移可能与竖向地震动中的长周期分量有很大关系［31］。

　　强烈地震中记录到的显着竖向地震动引起不少学者的关注，近断层区域的竖向地震动特性逐步得到研究。竖向地震动研究主要集中在竖向加速度幅值和频谱特性方面，加速度幅值特性包括竖向地震动峰值加速度衰减关系［43-45］和竖向与水平加速度幅值比，频谱特性主要包括竖向地震动反应谱和竖向与水平反应谱比等。已有研究表明近断层竖向地震动大致有以下特点: 1) 近断层区域竖向和水平峰值加速度的比值与震级和距离相关，一般大于规范规定的 2/3，甚至可以达到或超过 1［46-48］; 断层距在20 km以内的近断层区域、软弱土层场地，在中等震级地震和逆断层大震级中长周期范围等条件下，具有较大的竖向地震动［49］。2) 与远场竖向地震动相比，近断层竖向地震动可能含有更多的低频成分，但相对于近断层水平地震动，近断层竖向地震动具有相对较高的频率［45］。3) 随着强震记录的增多，统计分析结果表明，竖向与水平加速度谱的比值在反应谱不同周期范围内不是简单的常数，而与震级、震中距、场地类别等因素相关［46，50-52］。4) 有学者提出PGV 与 PGA 的比值大于 0. 2 s 可作为识别近断层脉冲型地震动的一个强度指标［35］，但对于竖向地震动而言，只将该指标作为识别近断层地震动的强度指标是不够的［53］。

　　已有初步研究结果［46-48］显示，近断层区域的竖向地震动相对显着，远场竖向地震动相对较小，结构抗震设计的目的正是要考虑地震动强烈的极震区即距离断层较近的工程结构的抗震能力，过去由于近断层地震动记录缺乏而不得不以远场地震动为基础推测极震区的地震设计输入。近断层区域的竖向地震动已呈现出比较显着的特征并受到较多因素影响，遗憾的是目前对竖向地震动开展研究还比较少。近断层区域竖向地震动特性研究可为抗震设计提供更完善和准确的地震动输入。

　　2 近断层地震作用下的结构地震响应

　　近年来在一些地震中特别是 1999 年我国台湾地区的 Chi-Chi 地震［54］中获得的大量近断层地面运动记录为研究近断层地震动特征提供了有利条件，国内外学者逐渐重视和研究具有显着近场效应的地面运动对工程结构的地震响应以及结构破坏的影响。

　　目前，研究较多的是近断层地面运动的脉冲特性对工程结构的影响，主要是以地震动水平分量为主，近断层竖向地震动对工程结构的影响研究相对较少。

　　2. 1 工程结构近断层水平地震响应

　　工程结构近断层地震响应在近年来几次大地震中均表现出明显的特征，即强烈地震中大量的建筑和桥梁结构直接受到短持时高能量的脉冲型地面运动，甚 至 是 较 大 地 表 破 裂 的 影 响，结 构 破 坏 严重［20，22，55］，而且中等震级的地震中近断层区域的结构损坏也很严重［10，56］。断层破裂的方向性效应引起在破裂传播方向场地上记录到的脉冲周期在1 ～2 s 之间，这与较大跨度桥梁和中高层建筑物等结构的自振周期较为接近，造成严重的结构破坏［57］。近年来，工程结构近断层地震动响应得到了各国地震工程学者的广泛关注［58］。关于工程结构近断层水平地震动响应的研究大致有以下几方面:

　　1) 近断层地面运动具有明显的速度幅值大、速度脉冲周期长等特性，并且 PGV 与 PGA 比值较大［36］。较大的 PGV 与 PGA 比值的地面运动使得加速度反应谱具有较宽的加速度敏感段，将增大高层建筑的基底剪力、层间变形和延性需求［59］，也降低附加阻尼的减震效果。因此，PGV 与 PGA 比值是控制结构地震响应的一个重要参数［36，60-61］。当工程结构的基本周期远大于脉冲周期时，高阶模态的影响相对显着，在某些情况下以低阶模态估计结构地震响应是不准确的［62-65］。

　　2) 近断层脉冲型地面运动将增大结构的非弹性响应和结构的延性需求，可能造成较大的结构残余位移［21，66］，近断层地震作用下结构的非弹性位移比( 非弹性体系最大位移与弹性体系最大位移的比值)明显大于远场地震作用下的非弹性位移比，同样相应于垂直断层方向的非弹性位移比要大于平行断层方向的非弹性位移比。

　　3) 有学者提出持时在 0. 5 ～ 1. 5 s 的加速度脉冲具有较大的破坏性［9］，但多数学者认为，近断层地震动对结构的破坏作用与速度脉冲特性有关［67-70］。一般情况下，近断层速度脉冲只对周期大于 4 s 的结构才有重要影响。地面运动中显着的加速度脉冲也可能是工程结构破坏的一个重要原因，其影响机理和过程有待进一步开展相关研究。另外，Hall 等［21］认为与近断层区域较大的速度脉冲相比，在速度脉冲的持时内发生的地面位移更能体现地震动破坏力。

　　有研究［70］表明，含 fling-step 效应和向前方向性效应的脉冲地震动主要激发结构的基本振型振动，而无速度脉冲的地震动能够激发结构的高阶振型响应，脉冲型地震作用下的结构破坏远强于无速度脉冲地震作用。

　　4) 上世纪末发展起来的结构控制技术特别是基础隔震技术在近断层地震作用下的有效性和适用性逐渐得到更多关注。具有较长周期的隔震结构受到近断层长周期脉冲地震作用，隔震支座位移显着增加，可能会超过支座的变形能力造成支座和耗能单元的破坏［21，60，71-72］。近断层地震动的能量输入、峰值速度 PGV、峰值加速度 PGA、峰值位移 PGD、PGV 与PGA 比值以及断层距与隔震结构动力响应参数的相关程度比较显着［73］。但有学者研究发现，经过合理优化设计，在近断层区域隔震技术仍是适用的［74-75］;也有学者认为，在长周期地面运动激励下刚性结构应该锁在地面上，而不是靠柔性支座来支撑［76］; 还有学者根据近断层地震动对隔震结构的影响特点，发展了新的隔震系统以抵抗近断层脉冲型地面运动影响，如变频摩擦滑移隔震系统［77］、附加弹性装置隔震系统［78］、附加黏滞阻尼器［79］以及一些结合半主动或主动控制系统的混合隔震控制系统［80-81］。李黎等［82］基于近断层地震动进行了桥梁 LＲB 隔震支座的屈服力优化研究，发现在近断层地震作用下可以优化LＲB 屈服力使桥梁的整体响应降低，并且隔震支座最优屈服力与桥墩自振频率相关。部分学者研究了被动吸能控制、半主动控制、主动控制和智能控制系统及混合控制系统［83-84］在近断层地震作用下结构控制的有效性。

　　5) 近年来有学者对近断层地震作用下的桥墩、框架结构等工程结构响应开展了试验研究。伪动力测试结果［85］表明，延性构件遭受显着的脉冲波作用时可能没有机会完全发展延性特性来耗散地震能量就突然破坏。Wu 等［86］通过振动台试验研究了近断层地震作用下 ＲC 柔性框架的动力非线性和倒塌过程。其他试验研究结果［87］也表明，脉冲型地面运动中的主脉冲部分对大部分建筑结构类型起控制作用，几乎与全部脉冲时程具有相同的破坏能力。内华达大学 Phan 等［88］开展了 2 个 1/3 比例的桥梁柱在近断层地震作用下的振动台试验，结果表明非对称的大幅值脉冲可以使桥梁柱产生较大位移的单侧响应，柱的鞭梢效应显着，最后导致较大的残余位移。另外，一些学者提出了针对近断层地震作用下的混合隔震系统，并通过理论分析和试验研究来验证所提出系统的有效性［81］。

　　速度幅值大、长周期的近断层脉冲型地面运动对结构地震响应产生显着影响，将增加工程结构的非弹性响应和延性需求，可能对较长周期的结构造成较大的结构残余位移甚至倒塌等严重损害。近断层速度脉冲、加速度脉冲还是较大地面位移三者中，哪种因素对结构产生更显着的影响，仍需进一步研究和探讨。考虑近断层地面运动时，进行合理的优化设计或采取有效措施减小工程结构水平及竖向地震响应，是提高近断层区域工程结构抗震性能的重要组成部分。

　　2. 2 工程结构近断层竖向地震响应

　　近年来的几次强烈地震后的震害调查和近断层地面运动记录都表明，强烈竖向地面运动将对工程结构造成比较严重的影响［41］。地震调查［41］发现，很多结构破坏是由于近断层区剧烈竖向地震动造成内部框架柱的剪压和压缩破坏，工程结构竖向地震响应研究主要包括以下几方面:

　　1) 强烈竖向地面运动将会造成建筑结构柱和桥墩轴力的急剧变化，甚至可能达到恒载设计值的 2倍，进而导致柱屈曲破坏甚至结构倒塌［89-90］。

　　2) 极大的竖向加速度可能造成柱压力减小甚至受拉，将导致结构柱轴向刚度和受剪能力下降或侧向位移增加，造成桥墩的圆周裂缝和失稳破坏，甚至造成较大的残余变形或剪切破坏，并对结构柱的延性、非线性响应和破坏模式等产生较大影响［91-92］。

　　3) 近断层脉冲型水平和竖直双向激励更会增加结构的延性需求，导致桥墩不稳定的滞回行为和较少的能量耗散，结构更易发生震害［93］。在竖向和水平地震共同作用下，钢筋混凝土框架柱的承载能力可能由拉-弯和拉-剪受力状态控制［94］。

　　4) 近断层竖向速度脉冲地震对钢筋混凝土柱的受剪性能有较大影响，受剪性能系数( 受剪承载力与抗剪需求之比) 随着竖向与水平加速度反应谱比值增大而减小，中等轴压比与断层距、剪跨比与断层距对柱受剪性能有显着影响［95］。

　　目前各国抗震设计规范在一般的结构设计中都未考虑竖向地震作用影响，近断层区域强烈竖向地震动可能造成建筑结构柱或桥墩轴力的剧烈变化，目前的抗震设计规范可能低估柱轴力变化及其对结构整体抗震能力的影响。遗憾的是，目前工程结构竖向地震动特别是近断层竖向地震动响应相关研究还较少，难以在结构抗震设计规范中增补竖向地震动的相关规定。深入开展竖向地震动作用下工程结构地震响应及损伤破坏对完善工程结构抗震设计和加强工程结构安全性具有重要的现实意义。

　　3 考虑近断层地震动效应的抗震设计

　　3. 1 考虑近断层地震动效应的设计谱

　　目前，反应谱设计法是世界各国应用最广泛的结构抗震设计方法，各国学者逐渐认识到结构非线性反应的重要性，特别是近断层区域强震作用下结构一般会进入非线性工作状态，对非线性反应谱的研究也逐渐增多。近断层地震动效应对抗震设计反应谱的影响也得到较多关注。一般认为，近断层地震具有较长的特征周期，与远场地震动相比，近断层地震的反应谱各个敏感区有一定变化［96］，PGV 与PGA 比值越大，加速度敏感段越宽; PGD 与 PGV 比值越小，位移敏感段越宽; 近断层地震动的速度敏感区很窄，加速度和位移敏感区较宽。与远场地震动相比，较窄的速度敏感区向长周期移动，将减少高层建筑和隔震建筑结构本身柔性对抗震的有利作用，增加高层结构的基底剪力、层间变形和延性需求，减少附加阻尼的效果［36，96-97］。因此，在近断层区域工程结构抗震设计时，有必要考虑近断层地震动对抗震设计反应谱的影响［98-99］。

　　强度折减系数是基于性能的抗震设计中确定非弹性反应谱的主要依据。有学者研究了近断层地震动特征对强度折减系数的影响［100］，研究结果显示，根据近断层脉冲型地震动得到的强度折减系数显着小于基于远场地震动得到的强度折减系数，造成结构有更大的强度需求，并且与脉冲波形、持时及其与结构基本周期的比值相关［35，96，101］。近断层地震动记录的增加为定量研究近断层地震动效应对强度折减系数的影响提供了有利条件［101-102］。另外，有学者提出基于结构非线性位移延性行为的能力谱设计方法［103-104］和基于能量谱的设计方法［105-106］，以此考虑近断层地震动对结构的影响，但目前该方面的研究成果及应用还较少。

　　3. 2 各国抗震设计规范对近断层地震动效应的考虑

　　近年来近断层地震动特性及其工程结构响应的研究为工程抗震设计提供了理论基础，但目前只有美国、欧洲、日本和我国台湾地区的相关抗震设计规范［107-111］中简要考虑了近断层地震动效应及其工程抗震设计方法。目前，各国规范中考虑近断层地震动效应主要有以下几种情况: 1) 美国 UBC97 规范中，在美国西海岸加州境内地震区距 A 类、B 类断层15 km 以内的场地的设计谱中采用近场因子考虑近断层地震动效应进行工程结构抗震设计［107］。按照UBC97 规定，震级如小于 6. 5，则不考虑近断层地震动效应; Somerville［108］也建议对于小于 6. 5 级的地震动不考虑近断层地震动效应; 欧洲规范也有类似规定。但这只是初步修正方法，没有考虑断层附近地震动空间分布规律和时频特性［2］，有学者提出，中小震级的近断层地震动效应仍比较明显，应给予重视［4，7］。2) 日本在其 1996 年颁布的桥梁抗震设计规范中规定了两类地震作用，其中第二类地震作用根据 1995 年阪神地震调查结果，考虑发生在断层板块内部的都市直下型地震峰值加速度 2. 0g［109］。日本1998 年对抗震基本法规作了修改，设计谱更多地选取了近断层地震记录。3) 在台湾地区近期修订的抗震规范中，考虑近断层场地桥梁结构的两水平设计方法［110-111］，即在最初的基于力的设计水平不考虑近断层地震动效应，但需限制所设计结构的极限能力超过由近断层地震动效应造成的地震需求的最大值。在验算应力水平时考虑由近断层地震动效应造成的附加地震需求，在目前修订的抗震设计规范中发展了 ＲC 桥墩的极限状态估计和验算条件。

　　除以上规范在进行修订时初步考虑了近断层地震动的影响外，其他国家和地区的抗震设计规范基本都未考虑近断层地震动效应，如土耳其地震规范( Turkish Earthquake Code ( TEC) ，1998) 和我国 GB50011—2010《建筑抗震设计规范》以及桥梁抗震设计相关规范等，仍基于大部分远场地震动记录进行抗震设计。

　　4 结论与展望

　　进入 21 世纪以来，基于上世纪末几次强烈地震获得的大量近断层地震记录，近断层地震动研究得到了长足发展，取得较为丰硕的成果，但有些方面还处于初步研究阶段，仍需不断完善并应用于工程结构的抗震设计。归纳起来有以下几点值得重视和进一步开展深入研究:

　　1) 目前近断层地震动特性研究主要集中在方向性效应和 fling-step 效应引起的脉冲型地面运动及其等效脉冲模型，对上盘效应引起的垂直断层方向的强烈地震动成因及其特性的定量化、模型化研究仍较少。近断层加速度脉冲和较大地表变形特性及其对工程结构影响还没引起足够重视。另外，除断层破裂机制影响外，关于场地条件、盆地边缘效应、波导效应等对近断层地震动的影响研究还较少。关于近断层区域强烈竖向地震动和转动分量的形成机理、特性及其工程结构响应研究也较少，无法满足更完善的抗震设计需求。

　　2) 自上世纪 50 年代至今，很多学者对地面运动的随机特性开展了较广泛的研究，但其研究成果在目前的抗震设计中仍没有得到广泛应用。近断层地震动受到断层破裂、传播介质、地形地质等因素的影响，可能具有更显着的随机特性，同样值得关注。

　　3) 地震现场调查和地面运动记录已表明，近断层区域具有更为显着的竖向地震动。现有的竖向地震动研究主要为近断层竖向地震动的加速度幅值和反应谱特性研究。但在某些地震中观察到近断层区域较大的竖向地表永久位移，目前对其成因和影响因素认识还较少。对高耸构筑物、大跨空间结构、大跨桥梁结构以及大型坝体等工程结构的抗震设计应考虑竖向地震动效应以及永久地面位移的影响，提高重要工程结构安全性尤为重要。

　　4) 近断层地震动作用下，工程结构一般要进入非线性工作状态，考虑近断层水平及竖向地震动共同作用下工程结构的弹塑性地震响应及失效破坏机理，进而完善抗震设计规范，是地震工程学者面临的新挑战。临近活断层的已有工程结构地震危险性评估中也需要考虑到近断层地震动效应。另外，包括基础隔震在内的已有结构振动控制技术在近断层地震动作用下的有效性和适用性，以及近断层地震动作用下非线性结构体系的减震控制问题，是未来振动控制技术发展的一个新问题。考虑近断层地震动效应的工程结构基于性能的抗震设计方法是未来结构抗震设计的一个重要发展方向。

　　5) 目前大多基于现有近断层地震记录的统计分析的研究，尽管在一些强烈地震中已获得大量的近断层地震记录，但从统计意义的角度来定量研究近断层地震动以及用于抗震设计还远远不够。因此，借助于迅速发展的理论分析和数值模拟技术，根据已有地震资料反演断层破裂发生发展过程，对未来可能的地震进行近断层地震动数值模拟，可能是近断层地震动研究的另一有效途径。

　　经济的快速发展造成财富和人口向大中城市高度集中，但同时也暗示着大中城市面临地震的危险性，一旦这些大城市特别近断层的城市发生强烈地震，将不可避免地造成重大人员伤亡和财产损失。

　　因此，近断层地震动特性及工程结构响应是近年来地震学和地震工程学领域中都十分关注的课题，具有重要的社会价值和现实意义，未来仍需要大量深入的科学研究以完善现有抗震设计理论和方法，保证工程结构的安全。

　　参 考 文 献

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