郭明珠，陳志偉，繆逸飛

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

近斷層地震動(dòng)作用下工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究進(jìn)展

郭明珠，陳志偉，繆逸飛

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

介紹和概括了近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下工程結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)問題的研究成果，以及近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)當(dāng)前近斷層工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的相關(guān)研究進(jìn)行探討和展望。由于結(jié)構(gòu)形式、受力荷載等不同，各類結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也是不同的，但總體來說，工程結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)是顯著增大的。現(xiàn)階段，近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)問題的研究工作開展的比較多，對(duì)于地下工程的研究相對(duì)較少，未來應(yīng)著重關(guān)注對(duì)此方面的研究。

近斷層地震動(dòng)；地震響應(yīng)；建筑結(jié)構(gòu)；建筑隔震結(jié)構(gòu)；橋梁結(jié)構(gòu)；地下結(jié)構(gòu)

0 引言

自21世紀(jì)初以來，相繼發(fā)生了一些大地震，如：2004年印度尼西亞蘇門答臘島附近海域發(fā)生里氏8.9級(jí)強(qiáng)烈地震，2008年中國四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)地震，2009年薩摩亞群島發(fā)生8.0級(jí)強(qiáng)震，2010年智利首都圣地亞哥西南320km的馬烏萊附近海域發(fā)生8.8級(jí)強(qiáng)烈地震，2010年中國青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生兩次地震（最高震級(jí)7.1級(jí)），2011年日本東北部海域發(fā)生里氏9.0級(jí)強(qiáng)震以及2014年中國云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)強(qiáng)震。這些地震造成了大量的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和工程結(jié)構(gòu)的破壞，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震災(zāi)害的預(yù)防開展了進(jìn)一步研究。由近斷層強(qiáng)震觀測(cè)資料的分析，近斷層地震動(dòng)的數(shù)值模擬和地震震源過程的反演，可以得出近斷層地震動(dòng)具有集中性、破裂的方向性效應(yīng)、近斷層速度大脈沖和上盤效應(yīng)等區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的顯著特征［1－10］。研究發(fā)現(xiàn)，這些近斷層地震動(dòng)顯著的特性對(duì)工程結(jié)構(gòu)的失效破壞以及地震響應(yīng)的影響較大。

作者參考大量文獻(xiàn)資料，首先介紹了建筑結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)地震響應(yīng)的研究進(jìn)展，并進(jìn)行初步分析和總結(jié)。進(jìn)一步對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)和基底隔震結(jié)構(gòu)的影響問題進(jìn)行了總結(jié)。隨后概括分析近斷層地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究。最后，提出在近斷層地震動(dòng)作用下工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)方面仍存在的問題和有待進(jìn)一步開展研究的內(nèi)容。

1 近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)及建筑隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

近年來在一些已知的強(qiáng)震中獲得了許多近斷層地面運(yùn)動(dòng)記錄，如1992年Landers地震、1995年Kobe地震、1999年Chi-Chi地震、1999年Turkey地震和2010年Chile地震等。這些寶貴的數(shù)據(jù)資料為進(jìn)一步對(duì)近斷層地震動(dòng)的研究提供了有利的幫助。建筑結(jié)構(gòu)和建筑隔震結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)及近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響逐漸得到得到國內(nèi)外學(xué)者的重視和研究。但是研究發(fā)現(xiàn)，不同特征的近斷層地震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響是不同的。而且從很多震害現(xiàn)象中得出，相比于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，近斷層地震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞更為嚴(yán)重。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的研究主要包括以下幾方面：

1.1 在含前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

Mahlotra［11］、Roeder［12］、DiClel［13］、盧明奇［14］等研究了典型建筑結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)特征；Hall［15］、Makris［16］、Alavi［17］、Mavroeidis［18］等研究了建筑工程結(jié)構(gòu)對(duì)向前方向性脈沖近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)。但是，他們既沒有考慮近斷層地震動(dòng)的滑沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重影響，也沒有區(qū)分建筑工程結(jié)構(gòu)對(duì)滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng)引起的兩種不同速度脈沖運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生何種不同的響應(yīng)。因此，楊迪雄［19］，Kalkan［20］等將含破裂向前方向性的近斷層地震動(dòng)與含滑沖效應(yīng)近斷層地震動(dòng)分別作用于地上框架結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)含向前方向性效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)會(huì)引起框架結(jié)構(gòu)中、上部的層間變形增大，而含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)會(huì)使框架結(jié)構(gòu)的樓層剪力和底部的層間變形顯著增大，其中在含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更加明顯。李旭等［21］研究了在含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑的地震響應(yīng)，證實(shí)近斷層地震動(dòng)的滑沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有一定程度的影響，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于較長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)會(huì)放大結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)；對(duì)于高強(qiáng)度、短周期結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下處于線性階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不會(huì)受到滑沖效應(yīng)的影響，當(dāng)進(jìn)入明顯的非線性階段時(shí)，屈服強(qiáng)度降低的結(jié)構(gòu)對(duì)滑沖效應(yīng)的響應(yīng)會(huì)變得顯著。

1.2 有、無速度脈沖效應(yīng)的地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

韋韜等［22］研究發(fā)現(xiàn)，在彈性階段時(shí)，在有速度脈沖和無速度脈沖的近斷層地震動(dòng)分別作用下的鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)無明顯差別。而進(jìn)入彈塑性階段后，結(jié)構(gòu)對(duì)有速度脈沖記錄地震動(dòng)的響應(yīng)和無速度脈沖記錄地震動(dòng)的響應(yīng)相比有明顯的增大。在結(jié)構(gòu)反應(yīng)的各種參數(shù)中，在有、無速度脈沖的近斷層地震動(dòng)的分別作用下，結(jié)構(gòu)速度和加速度的變化區(qū)別不明顯，在彈性階段，層間位移、各層最大位移及各層剪力的區(qū)別非常明顯。而進(jìn)入彈塑性后，反應(yīng)譜方法體現(xiàn)不出速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。江義等［23］通過含破裂向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)的脈沖近斷層地震動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，無速度脈沖的近斷層地震動(dòng)能夠激發(fā)結(jié)構(gòu)的高階振型反應(yīng)，而有速度脈沖的近斷層地震動(dòng)能夠引起結(jié)構(gòu)的基本振型反應(yīng)。故可以發(fā)現(xiàn)，在彈性階段，框架建筑結(jié)構(gòu)在脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生更大的各層剪力、各層最大位移及層間位移。

1.3 建筑群在近斷層地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)

城市建筑群地震響應(yīng)分析較單一建筑更為復(fù)雜、多變。為了分析城市建筑群在近斷層地震動(dòng)作用下的響應(yīng)，建立一個(gè)包含地球介質(zhì)、發(fā)震斷層和建筑結(jié)構(gòu)群的計(jì)算模型顯得尤為重要。Taborda等［24］從地球介質(zhì)、發(fā)震斷層和建筑群入手，研究了建筑群對(duì)近斷層地震動(dòng)的地震響應(yīng)，但未考慮如破裂向前方向性效應(yīng)、上盤效應(yīng)等特殊的近斷層地震動(dòng)地面運(yùn)動(dòng)特征，這些近斷層地面運(yùn)動(dòng)特征會(huì)造成城市建筑結(jié)構(gòu)群嚴(yán)重的地震災(zāi)害和更為復(fù)雜的地震響應(yīng)。因此，鐘偉［25］提出了一種由粘彈性地球介質(zhì)、發(fā)震斷層和框架結(jié)構(gòu)群組成的一體化模型，并基于該模型提出了一種集成模擬方法，該方法可分析結(jié)構(gòu)群中各結(jié)構(gòu)的梁柱構(gòu)件的彎矩、剪力和軸力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，還給出了在假想近斷層地震期間，近斷層框架結(jié)構(gòu)群變形圖和框架結(jié)構(gòu)群中各結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)位置。近斷層地面運(yùn)動(dòng)和近斷層結(jié)構(gòu)群的地震響應(yīng)研究是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，如結(jié)構(gòu)群中不同形式的建筑結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)有何不同等問題亟待解決，這也將是今后進(jìn)一步研究的方向。

1.4 近斷層地震動(dòng)作用下建筑隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是一種不但具有突出的減震效果，同時(shí)還具有靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)的新型抗震手段，因此，國內(nèi)外建筑工程中廣泛地應(yīng)用了建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)。隨著對(duì)近斷層地震動(dòng)認(rèn)識(shí)的逐步深入，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離斷層較近的地震發(fā)生時(shí)，在建筑結(jié)構(gòu)中使用隔震結(jié)構(gòu)會(huì)變成結(jié)構(gòu)破壞的原因，這讓學(xué)者們開始關(guān)注近斷層地震動(dòng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)影響的研究。

1.4.1 近斷層地震動(dòng)作用下層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

層間隔震結(jié)構(gòu)作為一種新型的隔震結(jié)構(gòu)形式，是把隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的某一層柱頂，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)控制。層間隔震結(jié)構(gòu)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，靈活設(shè)置隔離層的位置，有明確的工程需求，但研究成果不夠完善。由于層間隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的研究較少，所以研究層間隔震結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)是非常必要的［26－28］。

Makris和Chang［29］計(jì)算研究了在近斷層地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)記錄下隔震結(jié)構(gòu)的各種耗能效率，指出近斷層地震動(dòng)的長(zhǎng)周期脈沖和高頻成分給傳統(tǒng)的隔震設(shè)計(jì)帶來了考驗(yàn)。由于隔震體系會(huì)使結(jié)構(gòu)的自振周期增大，這就產(chǎn)生了矛盾的問題：在保護(hù)結(jié)構(gòu)免受高峰值和高頻加速度破壞的同時(shí)，長(zhǎng)周期的近斷層地震動(dòng)也會(huì)增大隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)［30］。Anderson和Bertero［31］對(duì)非隔震建筑做了分析，認(rèn)為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依賴于脈沖持時(shí)與結(jié)構(gòu)自振周期之比。Hall和Heaton［32］指出具有明顯速度脈沖的近斷層地震動(dòng)會(huì)使建筑隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的基底剪力、頂層位移和層間位移角。而且建筑的隔震層位移增大的會(huì)更加明顯，但在遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下時(shí)，隔震層位移的變化接近［33］。譚平［34］、韓淼［35］等分析了參數(shù)對(duì)層間隔震偏心結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，其中譚平［35］研究發(fā)現(xiàn)在層間隔震體系隔震層處設(shè)置參數(shù)合適的黏滯阻尼器，可有效地控制上部結(jié)構(gòu)、隔震層與下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并減小結(jié)構(gòu)的基底剪力。韓淼［36］分析不同層的建筑隔震結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著隔震層位置升高，結(jié)構(gòu)頂層最大加速度逐漸增大，隔震支座的最大位移逐漸減小，而且隔震層設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)中下部位的減震效果比設(shè)置在結(jié)構(gòu)中上部位的減震效果明顯好。所以，在具有高速度長(zhǎng)持時(shí)脈沖的近斷層地震動(dòng)作用下，具有長(zhǎng)周期的層間隔震結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更大的基底剪力、層間位移角、頂層位移。此時(shí)，通過數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)等方式研究參數(shù)合適的阻尼器，合理設(shè)置層間隔震結(jié)構(gòu)的位置更為重要。

1.4.2 近斷層地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)通過在建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，增大結(jié)構(gòu)自振周期以避開地震動(dòng)的特征周期，從而減小地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。作為一種有效的建筑結(jié)構(gòu)防震減災(zāi)的技術(shù)措施，近些年該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外發(fā)展勢(shì)頭迅猛。隨著近斷層地震動(dòng)研究的深入，近斷層地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

Marano［37］，楊迪雄［33］，黨育［38］，葉昆［39］，繩雯［41］等對(duì)比了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)地震響應(yīng)的區(qū)別，認(rèn)為由于近斷層地震動(dòng)具有長(zhǎng)周期的速度脈沖，大幅值的峰值加速度以及永久性地面位移等特點(diǎn)，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下較遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下不利。其中葉昆［39］對(duì)近斷層脈沖地震作用下偏心基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在近斷層地震動(dòng)作用下偏心的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)更為敏感，并且不同近斷層脈沖地震動(dòng)的脈沖周期會(huì)對(duì)偏心隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。賀秋梅［40］和繩雯［41］等通過分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)對(duì)有、無脈沖地震動(dòng)的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)脈沖型地震動(dòng)使得基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)顯著增加，底部位移反應(yīng)明顯大于上部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)引起基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)更大的層間位移角，但是對(duì)各層最大速度、最大加速度的影響并不明顯。故在脈沖型地震動(dòng)作用下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯增大，且底部更明顯。當(dāng)存在隔震層偏心時(shí)，偏心基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)更敏感。在近斷層地震動(dòng)作用下，隔震結(jié)構(gòu)的安全性受到了更大的考驗(yàn)。

在對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，一般考慮的是近斷層地震動(dòng)的水平分量，而忽視了豎直分量的影響。研究發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)中含有豐富的豎向分量，忽視或取值過小都會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成顯著的影響。包華［42］分析了在近斷層地震動(dòng)水平分量和豎向地震分量共同作用下基礎(chǔ)隔震支座的受力狀態(tài)和隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)豎向分量可能會(huì)改變隔震支座的受力狀態(tài)，從而對(duì)支座產(chǎn)生較大影響，且明顯大于非脈沖型地震波的影響。因此重視近斷層地震動(dòng)作用豎向分量的影響可能會(huì)有效保證隔震支座的安全。

2 近斷層地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

橋梁結(jié)構(gòu)作為交通生命線系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，保證其順利暢通才能為震后災(zāi)區(qū)應(yīng)急救災(zāi)工作提供便利條件。因此，對(duì)于近斷層區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)制進(jìn)行研究，提高其抗震能力具有重要意義［43－45］。

周前［46］、孔德成［47］等對(duì)大跨度剛構(gòu)橋在近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在近斷層豎向地震動(dòng)作用下橋梁的地震響應(yīng)更為顯著，會(huì)對(duì)橋墩軸力和跨中豎向位移產(chǎn)生較大影響，而對(duì)橋梁的水平位移和內(nèi)力影響較小。其中周前［46］發(fā)現(xiàn)在近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下橋梁破壞特征突出，在相同峰值加速度作用下，引起大跨度橋梁地震響應(yīng)比一般遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)引起的響應(yīng)大。

鮑敏［48］、陳令坤［50］和孫兆敬［51］等研究發(fā)現(xiàn)近斷層脈沖地震動(dòng)水平分量引起的橋墩頂點(diǎn)位移、墩底剪力和彎矩、支座剪力的反應(yīng)都大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)引起的反應(yīng)，其中陳令坤［50］指出短周期結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下更為明顯，近斷層地震動(dòng)豎向分量相較于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)會(huì)增加梁體豎向撓度，改變橋墩軸力。喬敏源［49］也認(rèn)為近斷層地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)豎向響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，而且無脈沖近斷層地震動(dòng)作用下的橋梁豎向響應(yīng)小于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)。

Liao［52］、李英勇［53］、王勇［54］等對(duì)近斷層地震動(dòng)下連續(xù)梁橋進(jìn)行了分析，Liao和李英勇都認(rèn)為近斷層地震動(dòng)會(huì)顯著增大連續(xù)梁橋的墩底剪力和橋梁位移，其中李英勇發(fā)現(xiàn)支座是橋梁比較薄弱的部位，但在支座破壞的同時(shí)，可以抵消掉一部分能量，從而降低橋墩塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。王勇還分析了不同跨徑連續(xù)梁橋在近斷層地震動(dòng)豎向分量作用下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有脈沖的近斷層地震動(dòng)豎向分量較無脈沖近斷層地震動(dòng)豎向分量對(duì)主梁的剪力、豎向彎矩和跨中豎向位移的影響大，普遍大于無脈沖豎向地震動(dòng)對(duì)剪力、彎矩和跨中位移的影響。

邢帆［55］、段昕智［56］等研究了鋼系桿拱橋梁對(duì)具有典型脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)，邢帆發(fā)現(xiàn)由于近斷層地震動(dòng)中含有豐富的低頻信息，會(huì)對(duì)鋼管混凝土拱橋造成嚴(yán)重破壞，段昕智發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)的速度大脈沖會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生顯著影響，滑沖效應(yīng)會(huì)引起長(zhǎng)振動(dòng)周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移。

段昕智［56］、顏曉偉［57］等研究了大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)，段昕智指出近斷層地震動(dòng)滑沖效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期的大跨橋梁關(guān)鍵部位產(chǎn)生更大的內(nèi)力和位移變化，而近斷層地震動(dòng)的速度大脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)位移不會(huì)產(chǎn)生太大影響，但是會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力顯著增大。顏曉偉對(duì)比研究了不同特征的近斷層地震動(dòng)對(duì)大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，指出滑沖效應(yīng)引起主塔彎矩、縱向位移及剪力值隨塔高的變化值比無速度脈沖的近斷層地震動(dòng)、破裂前方效應(yīng)及遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)都要大，相比較于下盤和中立區(qū)域，上盤區(qū)域地震動(dòng)顯然明顯増大結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，尤其在結(jié)構(gòu)位移方面。

段昕智［56］、丁幼亮［58］等研究了多塔懸索橋在近斷層地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)，丁幼亮發(fā)現(xiàn)橋塔和主梁的內(nèi)力和位移分布規(guī)律在近斷層地震動(dòng)和普通地震動(dòng)作用下并無明顯不同，主梁的地震響應(yīng)與梁端約束有關(guān)，中塔和邊塔的地震響應(yīng)與主塔截面形式和主纜約束有關(guān)。段昕智發(fā)現(xiàn)對(duì)于近斷層地震動(dòng)豎向分量的輸入，能引起塔頂縱向位移增大，塔柱的軸力顯著增加。

王京哲［59］、李新樂［60］、Phan［61］等對(duì)橋墩在脈沖型地震動(dòng)作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析，王京哲發(fā)現(xiàn)脈沖型近斷層地震動(dòng)會(huì)引起橋墩產(chǎn)生很大的墩底剪力和墩頂位移。李新樂認(rèn)為隨著橋墩的增高（自振周期的增大），具有速度脈沖的近斷層地震動(dòng)記錄比不具有脈沖近斷層地震動(dòng)記錄會(huì)引起橋墩響應(yīng)顯著增大。Phan指出近斷層地震動(dòng)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的永久位移比遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)要大得多。楚芹［62］、江輝［63］以鐵路深水橋梁的等效單墩模型為對(duì)象，對(duì)其在脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與無水環(huán)境下相比，動(dòng)水壓力的存在使得橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)變化顯著，并且在近斷層地震動(dòng)作用下橋墩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)。

王芳［64］對(duì)高速鐵路－無砟軌道－橋梁系統(tǒng)在脈沖型地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在高幅值長(zhǎng)周期脈沖型地震動(dòng)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)變得更加復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生明顯的大位移需求，無砟軌道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與地震強(qiáng)度和列車速度呈正相關(guān)，同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)地震動(dòng)的響應(yīng)比對(duì)列車速度的響應(yīng)要更加明顯。

通過對(duì)剛構(gòu)橋、簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、鋼系桿拱橋、斜拉橋、懸索橋以及橋墩和高速鐵路－無砟軌道－橋梁系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，含有顯著脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)比遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)和無脈沖地震動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)要大。但是由于近斷層地震動(dòng)中含有豐富的豎向地震動(dòng)分量，其有可能接近、達(dá)到或超過水平地震動(dòng)峰值，故豎向近斷層地震動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也不可忽視。通過研究表明，水平方向的近斷層地震動(dòng)和豎直方向的近斷層地震動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)不同位置的地震響應(yīng)是不同的：水平方向的脈沖地震動(dòng)作用主要引起橋墩頂點(diǎn)位移、墩底剪力和彎矩、支座剪力的反應(yīng)增大，而豎直方向的脈沖地震動(dòng)作用主要引起主梁的剪力、豎向彎矩和跨中豎向位移的反應(yīng)增大。雖然對(duì)各類橋梁在近斷層地震動(dòng)作用下的探究各國專家已做了相當(dāng)多的努力，但類似高速鐵路－無砟軌道－橋梁系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究卻不盡完善，這也將是下一步研究的方向之一。

3 近斷層地震動(dòng)作用下地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

通過對(duì)近年來地震引起地下結(jié)構(gòu)破壞的案例分析，不難看出在近斷層地震動(dòng)的作用下地下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的破壞：日本阪神地震對(duì)山嶺隧道產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，臺(tái)灣集集地震中距離斷層較近位置處的隧道嚴(yán)重受損，中國四川汶川地震、云南寧洱地震對(duì)距離震源區(qū)較近的隧道造成損壞。因此，國內(nèi)學(xué)者對(duì)此展開了深入的研究。

陳磊［65］、劉洋［67］、朱育才［68］、易誼［69］等研究了近斷層地震動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，陳磊發(fā)現(xiàn)隧道外側(cè)對(duì)近斷層地震動(dòng)的響應(yīng)比隧道內(nèi)側(cè)要大，近斷層地震動(dòng)比遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)引起的隧道的地震響應(yīng)也要大。劉洋認(rèn)為隨著地震影響的增強(qiáng)，隧道襯砌各部位的響應(yīng)值都逐步的增強(qiáng)，而且隧道的拱頂和邊墻是隧道抗震比較薄弱部位。朱育才分析指出，隨著隧道襯砌剛度增加，近斷層地震動(dòng)比遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)會(huì)引起隧道更大的應(yīng)力、位移和加速度響應(yīng)，隨著隧道埋深增加，隧道位移響應(yīng)峰值有明顯減小的趨勢(shì)。易誼發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度峰值大小總是拱頂最大，其次是拱腰，仰拱最小，且隧道各位置加速度峰值響應(yīng)會(huì)隨著埋深的增加而不斷增大。由已有研究可以看出，在隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、加速度等方面近斷層地震力作用下較遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)反應(yīng)更大，且隧道的拱頂是抗震比較薄弱部位。隨著隧道埋深增加，隧道位移峰值有減小趨勢(shì)，而隧道加速度峰值在不斷增大。

陶連金等［70］以單層三跨典型地鐵車站為例，發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)的滑沖效應(yīng)會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，而破裂向前方向性次之，結(jié)構(gòu)上部的加速度響應(yīng)會(huì)在含破裂向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)的作用下被放大，而在滑沖效應(yīng)地震動(dòng)作用下被縮小。意味著近斷層地震動(dòng)同時(shí)含有破裂向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)時(shí)，地鐵上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可能會(huì)由于兩者抵消而不發(fā)生明顯變化。

崔臻等［71］對(duì)地下洞室群的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在近斷層地震動(dòng)作用下，地下廠房洞圍巖產(chǎn)生較大程度的地震變形，層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)生較大的滑移，圍巖應(yīng)力擾動(dòng)劇烈，塑性區(qū)大量增加，故地下廠房洞室群在近斷層地震動(dòng)作用下有發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)性。近斷層地震動(dòng)豎向分量特性更為復(fù)雜，因此，對(duì)于水工地下洞室群這樣的大跨度、高邊墻地下工程在近斷層地震動(dòng)作用下響應(yīng)的問題研究中考慮豎向地震動(dòng)，也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。

4 結(jié)論與展望

近年來，隨著近斷層地震動(dòng)記錄的增多，國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)近斷層地震動(dòng)的研究上取得了巨大的突破和進(jìn)展，但有些方面還處于初步探究階段，仍需不斷完善并應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)以下幾點(diǎn)還需展開更深入的研究：

（1）對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)：與無脈沖近斷層地震動(dòng)和遠(yuǎn)場(chǎng)近斷層地震動(dòng)相比，在含破裂向前方向性與滑沖脈沖的近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大，而且長(zhǎng)周期建筑結(jié)構(gòu)對(duì)滑沖脈沖的響應(yīng)更大。含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)引起建筑結(jié)構(gòu)底部層間變形和樓層剪力顯著增大，并使建筑的上部加速度響應(yīng)有所增加，這表明滑沖效應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞比破裂向前方向性效應(yīng)大。盡管近年來發(fā)生過幾次破壞性地震，但含有滑沖效應(yīng)和破裂向前方向性近斷層地震動(dòng)記錄仍然較少，雖然結(jié)論具有一定的代表性，但以后應(yīng)隨該類記錄的增多，進(jìn)一步深入探究含滑沖效應(yīng)等特征的近斷層地震動(dòng)作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題。

（2）對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)群：近斷層地面運(yùn)動(dòng)和近斷層結(jié)構(gòu)群的地震響應(yīng)研究是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，當(dāng)前的研究相對(duì)較少，尚有許多方面的工作需要進(jìn)行深入的研究與探討。例如，具有典型特征的近斷層地面運(yùn)動(dòng)（如上盤效應(yīng)、方向性效應(yīng)、近斷層速度脈沖以及永久位移等）會(huì)導(dǎo)致近斷層城市建筑結(jié)構(gòu)群復(fù)雜的地震響應(yīng)和嚴(yán)重的地震災(zāi)害，故應(yīng)區(qū)分各種效應(yīng)引起的不同速度脈沖運(yùn)動(dòng)將對(duì)結(jié)構(gòu)群動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生何種不同的不利影響；當(dāng)發(fā)生實(shí)際的城市結(jié)構(gòu)群震害時(shí)，結(jié)構(gòu)通常存在彈塑性變形狀態(tài)，土體也通常處于塑性變形狀態(tài)，為了能夠模擬強(qiáng)震時(shí)結(jié)構(gòu)群的實(shí)際震害問題，需要進(jìn)一步研究能夠模擬土體中塑性波和結(jié)構(gòu)中彈塑性波傳播的方法；研發(fā)高效的算法，減少結(jié)構(gòu)群這類大尺度的實(shí)際問題的計(jì)算時(shí)間；近斷層地震動(dòng)可能會(huì)引起的滑坡、滾石等可造成嚴(yán)重破壞的地震災(zāi)害，將其考慮入結(jié)構(gòu)群的地震響應(yīng)問題是也是下一步研究的方向。

（3）對(duì)于建筑隔震結(jié)構(gòu)：近斷層地震動(dòng)會(huì)使隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的基底剪力、層間位移角、頂層位移，而且由于隔震層的存在更會(huì)增大隔震層位移。隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移減小，結(jié)構(gòu)頂層最大加速度增大，所以合理設(shè)置層間隔震結(jié)構(gòu)的位置更為重要?，F(xiàn)階段雖有對(duì)近斷層地震動(dòng)豎向分量的研究，但在建筑隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)過程中考慮的卻不多。在對(duì)強(qiáng)烈地震統(tǒng)計(jì)中不難發(fā)現(xiàn)，近斷層地震動(dòng)的豎向分量可能會(huì)接近或者超過近斷層地震動(dòng)水平分量的峰值。而現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［72］關(guān)于豎向地震動(dòng)設(shè)計(jì)值按水平向三分之二取值的規(guī)定，可能會(huì)使建筑隔震結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［73］。因此，隔震結(jié)構(gòu)在脈沖型地震動(dòng)豎向分量下的動(dòng)力響應(yīng)及隔震裝置的實(shí)用化研發(fā)與優(yōu)化等問題，是未來需要解決的問題。

（4）對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)：近斷層地震動(dòng)會(huì)引起較大的橋墩頂點(diǎn)位移、墩底剪力和彎矩、支座剪力，近斷層地震動(dòng)的豎向分量還會(huì)對(duì)跨中豎向位移和橋墩軸力產(chǎn)生很大影響，因此加固橋墩、橋跨等關(guān)鍵部位，設(shè)置合適參數(shù)的隔震結(jié)構(gòu)是有必要的。在分析復(fù)雜的橋梁系統(tǒng)（如高速鐵路－無砟軌道－橋梁）在近斷層地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)時(shí)，如果僅考慮橋梁而忽視系統(tǒng)內(nèi)的其他成分，得到的結(jié)果會(huì)與實(shí)際相比有較大誤差，故應(yīng)在綜合考慮橋梁系統(tǒng)內(nèi)個(gè)各結(jié)構(gòu)成分，對(duì)其進(jìn)行合理的分析。

（5）對(duì)于地下結(jié)構(gòu)：近斷層地震動(dòng)會(huì)明顯增大隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，而且襯砌剛度越大，其在應(yīng)力、位移、加速度等方面的響應(yīng)也更大（與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)相比）。隨著埋深的變化，隧道加速度響應(yīng)峰值和位移響應(yīng)峰值表現(xiàn)出截然相反的變化趨勢(shì)。相比于建筑結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的研究仍然相對(duì)較少。對(duì)于地鐵隧道，由于地震荷載的隨機(jī)性和圍巖－襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，目前還沒有哪種手段能夠獨(dú)立地對(duì)隧道的動(dòng)力響應(yīng)問題進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。只有將隧道震害調(diào)查、隧道及地下結(jié)構(gòu)抗震理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析以及模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)等手段結(jié)合起來，才能對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)過程和規(guī)律進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。故應(yīng)進(jìn)一步驗(yàn)證和完善數(shù)值模擬分析結(jié)論后續(xù)的理論計(jì)算結(jié)果、模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)。

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Progress of Research on Structures Seismic Responses under Near-fault Ground Motions

Guo Mingzhu，Chen Zhiwei，Miu Yifei
（Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

This paper presented the research achievements of the seismic responses of both engineer structures and the structures，bridges，as well as underground structures under near-fault ground motions made by domestic and foreign scholars in recent years.Besides，present and future researches on the engineer structures seismic responses were also discussed.The seismic responses of structures vary with the structure form and the stress load，but generally the response of structures to near-fault ground motions is prominently increasing.At present，despite more researches on the seismic responses of structures and bridges under near-fault ground motions，less has been done on the underground structures.Therefore，the latter should be brought into focus in future researches.

near-fault earthquake ground motion；seismic response；structures；base-isolated structures；bridges；underground structures

P315.9；TU352

：A

：1673－8047（2017）02－0017－09

2017－01－12

郭明珠（1964—），男，博士，教授，主要從事工程抗震方面的研究。