1999年台湾集集地震中出现了许多桥梁结构跨越地震断裂带而倒塌的案例，原因一方面在于早期的桥梁结构抗震设计较为薄弱，而另一方面在于断层错动产生的地面永久位移对桥梁结构具有很大的威胁。受制于实测跨断层地震动数据的匮乏，目前人们对于跨断层桥梁结构的地震响应特点及倒塌破坏机制还缺乏深入的认识。特别是对于跨越倾滑断层的情况，断层几何效应对地震动的影响显著，常用的高频地震动叠加永久位移的跨断层地震动合成方法并不适用，而相关研究较少。因此，准确模拟跨断层地震动，并研究跨断层地震动作用下桥梁结构的倒塌破坏模式，对于活动断层附近的桥梁结构抗震设计具有重要的指导意义。鉴于此，本文首先采用基于断层物理模型的地震动混合模拟方法模拟了1999年台湾集集地震的跨断层地震动，并与地震动预测方程进行了对比验证；进一步地，基于LS-DYNA模拟了一座典型的三跨简支梁桥在跨断层地震动作用下的倒塌破坏过程，分析讨论了集集地震中跨断层桥梁倒塌的主要原因。

集集地震断层模型采用Wu等人(2001)基于地震动观测数据反演得到的断层滑动模型（见图1）。地震动模拟的观测点选取集集地震中的六座跨断层桥梁，根据GPS坐标计算其在断层地表破裂带的分布位置（见图2）。

低频地震动采用基于弹性动力学表示定理的确定性方法模拟，地面观测点的地震动时程可以表示为格林函数与断层滑动函数在时间和空间上的卷积：

式中，Cijpq为弹性张量；v是垂直于断层的单位量;  △ui(ξ,τ)表示第i个子断层的滑动函数；Gnp(x,t-τ; ξ , 0)为格林函数，表示当x=ξ并且t=τ时刻一个脉冲点源在第p个方向作用下观测点第n个分量的合成位移。其中的格林函数采用了离散波数有限元法计算，包含了地壳结构中所有的P波、S波、面波以及近场项等。其中，子断层的滑动函数△ui(ξ,τ)可以表示为：

式中，△ui(ξ）是子断层的滑动位移，s(t, ξ)是滑动速率和上升时间的函数，描述了整个断层破裂的完整过程，由地震动观测数据反演得到。

高频地震动采用随机性方法模拟，地震动谱可以表示为：

式中，M0表示地震矩；E(M0 ,f)表示震源谱的函数，其幅值可以由M0确定；P(R, f）为地震波的路径效应函数，考虑几何传播、衰减以及由波的传播以及散射引起的持时变化；G(f)是局部场地效应函数，考虑由局部场地放大效应和传播路径能量衰减效应；Ⅰ(f)是单位算子。

地面上某一观测点的完整地震动可以由N个子断层在该点产生的地震动考虑其破裂起始时间和地震波传播时间的延迟叠加而成：

式中，NL和Nw表示断层在长度和宽度方向分割子断层的数量(NL × Nw = N )；△tij是从地震波从第ij个子断层传播到观测点的相对延迟时间；αij是由子断层（模拟点源）破裂导致观测点产生的地震波。

将高频地震动和低频地震动在时域内滤波叠加，合成宽频带跨断层地震动，计算结果如图3所示。可以看出模拟的跨断层地震动的特点如下：（1）显著的空间变异性，上盘观测点相比下盘观测点的地震动强度更大；（2）断层错动产生的地面永久相对位移显著；（3）地震动的低频成分占主导作用。由于无实测跨断层地震动作为对比，故将模拟的跨断层地震动与地震动预测方程进行对比验证。选取ASK14地震动预测方程（特别考虑了台湾地区的场地特点），将模拟的跨断层地震动反应谱与其进行对比（见图4）。可以看出，地震动模拟结果的平均值与地震动预测方程吻合良好，短周期成分十分接近，长周期成分受滑冲效应影响显著，但模拟结果平均值均在一倍标准差范围以内，表明跨断层地震动模拟结果良好。

图3 跨断层地震动模拟结果：(a)加速度；(b)速度；(c)位移

图4 模拟的跨断层地震动与ASK14地震动预测方程伪加速度反应谱（5%阻尼比）对比：(a)下盘观测点；(b)上盘观测点