深厚軟弱場地上城市大跨徑橋梁地震安全對策研究

楊偉林　陶小三　瞿紅梅

摘要：以建于深厚軟弱場地上的某大跨徑橋梁為例，研究了不同地震動強度下場地的地震動特征、地震動的空間效應以及不同沖刷工況下場地地震動效應的差異，分析了深厚軟弱場地特定地震動效應對大橋安全性的影響，提出了工程建設不同階段大橋的地震安全對策。

關鍵詞：深厚軟弱場地；地震動效應；大跨徑橋梁；地震安全對策

中圖分類號：U442 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0046-07

0 引言

城市橋梁是重要的生命線工程，在城市抗震減災中的地位十分突出。自20世紀70年代以來，美國San Fernado M6.6地震、Loma Prieta M7.0地震、Northridge M6.7地震、日本阪神M7.2城市直下型地震及我國唐山M7.8地震、臺灣集集M7.6地震等，都對城市橋梁造成了比較大的破壞（劉恢先，1986；劉聰桂，陳文山，2000；EERI，1990，1995；Priestley et al；1995出國赴日地震考察團，1995），即使是中等強度的地震，也往往會導致作為城市交通樞紐的橋梁產生較大的破壞。

近20年來，我國經濟高速發(fā)展，國家及地方有足夠的經濟實力興建大型橋梁工程。對濱江市而言，大型跨江大橋是城市重要的交通通道，也是重要的生命線工程。這些城市過江通道，多數(shù)采用大跨徑斜拉橋或懸索橋，具有塔高、跨徑大、自振周期長的特點，是交通工程中的核心工程，地震時一旦遭到破壞，不僅工程本身的功能喪失，還將嚴重影響救災工作，導致巨大的直接、間接經濟損失。由于沿江、沿海地區(qū)，第四紀覆蓋層往往厚達數(shù)十米、數(shù)百米甚至超過千米，且軟弱土層較厚。深厚軟弱場地地震動的特點是長周期地震動分量相對豐富（胡聿賢，1988；謝禮立等，1991）。對大地震的遠場場地來說，地震波經過長距離傳播的衰減、深厚軟弱土層的濾波和放大后，特定長周期段的地震動分量比較突出，表現(xiàn)為地震加速度反應譜長周期段較現(xiàn)行規(guī)范要高出很多（楊偉林，2003a）。特別是工程結構周期與場地的地震動卓越周期相同或接近時，將產生共振或類共振現(xiàn)象，對工程結構的破壞性極大。1985年9月19日墨西哥M8.1地震中墨西哥城數(shù)百棟高層建筑遭到破壞就是典型的實例（胡聿賢，1988；劉大海等，1993；Andersm et al，1985）。

對橋梁的地震安全對策，國內外學者進行過許多研究（Priestley et al，1996；范立礎，1997；劉鑫，2013），但往往是從橋梁抗震設計和結構抗震、減震措施方面研究橋梁的地震安全對策，鮮見對工程建設不同階段進行系統(tǒng)的地震安全對策研究。

本文以建于深厚軟弱場地上的某大跨徑橋梁為例，在充分研究工程所處的地震環(huán)境基礎上，進行場址地震危險性分析，并針對上覆軟弱土層較厚和沖刷較為突出的特點，輸入長周期地震動分量較為豐富的地震波進行場地土層地震反應分析，研究了不同地震動強度下自由場和不同層位的地震動特征、地震動的空間效應、沖刷對場地地震動效應的影響等，提出大橋工程建設不同階段的地震安全對策。

1 場地特點

大橋橋位區(qū)屬長江三角洲沖積平原地貌，地勢平坦開闊。北岸地面標高相對較低，為2～3m；南岸地面標高3～4m，同屬長江低漫灘。橋位區(qū)水下地形因江心洲發(fā)育，形成深槽與沙洲間互展布、主支汊深淺不同及寬度多變的復雜地貌。橋位處江面寬5.7～5.9km，中間為主航道，水深超過10m的水面寬約2km，水深超過20m的水面寬約1.2km。橋位區(qū)最大水深達40m以上。

橋位區(qū)第四紀地層較厚。根據工程場地鉆探、物探成果，橋位區(qū)上覆土層厚度變化較小，沿橋軸線總體上為北薄南厚，北岸及水域部分北端厚275～300m，其它地段厚度較為穩(wěn)定，為310～320m，局部可達330～340m。

大橋工程場地為Ⅳ類場地，屬于典型的深厚軟弱場地。根據工程場地19個鉆孔的土層彈性波速原位測試（測試深度110～138m），剪切波速達500m·s^-1的土層的深度超過100m。按下式統(tǒng)計回歸各類土的剪切波速隨土層深度的變化關系：式中，V_S為土層的剪切波速，單位m·s^-1；日為深度，單位m；a、b為回歸系數(shù)。計算結果見表1。

2 場地地震動特征

2.1 自由場地震動特征

根據波速實測結果，將地下120m處土層作為地震動輸入界面。在場址區(qū)地震危險性分析基礎上，合成滿足地震動三要素的基巖地震動加速度時程，并根據工程場地土動力性能試驗和波速實測結果，進行場地土層的地震反應分析。每個水準采用多條地震動輸入，結果取其平均值。

在50～5000a地震重現(xiàn)期范圍內，橋位區(qū)自由基巖面及場地地表的地震動峰值加速度見表2。

不同地震重現(xiàn)期時，各場點不同層位地震動峰值加速度沿高程的變化特征為：場地地表的峰值加速度最大，在土層中迅速衰減至地表峰值加速度的2/3～1/2，至樁尖處約為地表的1/2。

圖1為5%阻尼比時計算得到的6個地震重現(xiàn)期的場地地震相關反應譜與《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ166-2011）反應譜的比較。結果表明：地震重現(xiàn)期為50～100a時，兩者反應譜較為接近；地震重現(xiàn)期為500～1000a時，場地地震相關反應譜的長周期部分明顯變大；地震重現(xiàn)期為2500～5000a時，地表的地震動峰值加速度在0.15～0.20g之間，由于地震動強度相對較大和橋位區(qū)上覆厚度較大的軟弱土層，地震時土體剛度將明顯軟化，加上厚軟土層對高頻地震動的濾波作用，地震動長周期分量變得相對突出，表現(xiàn)在反應譜曲線形狀上就是在反應譜的長周期部分形成突出的尖峰（一個或多個）。在墨西哥地震和我國臺灣集集地震中，軟土場地實際地震記錄的反應譜具有相似的特征。

因此，深厚軟弱場地的地震反應譜與現(xiàn)行城市橋梁抗震設計規(guī)范反應譜的差異是明顯的，特別是罕遇地震時，兩者在長周期段存在較大的差別。對于建在深厚軟弱場上的結構自振周期較長的城市大跨徑橋梁來說，要抗御大地震破壞，實現(xiàn)工程抗震設防目標，應對設計地震動參數(shù)進行專門研究。

2.2 局部沖刷對場地地震動的影響

特大型跨江大橋橋墩附近的沖刷十分突出，已有的研究成果表明，最大沖刷深度可達20m以上。當采用高樁承臺方案時，場地地震動效應的變化對橋體結構的抗震性能影響十分敏感，因此需要對不同的沖刷條件下特大型城市跨江大橋場地的地震動效應進行深入研究。

考慮到大橋主塔墩的沖刷最為突出，選擇主墩位置進行沖刷對場地地震動的影響進行研究。主塔墩的沖刷最大深度為22.49m，沖刷前后場地地震動對比見圖2。從圖中可看出，沖刷前后場地淺部地震動存在較大差異。對高樁基礎，在橋梁抗震計算中應充分考慮沖刷的影響，確定對橋梁抗震的最不利工況。

2.3 場地地震動的空間效應

城市大跨徑橋梁往往采用沉井基礎或采用大型群樁基礎。沉井基礎剛度大、抗震性能好，但綜合考慮施工風險等因素，該大跨橋梁仍采用大型群樁基礎。采用有限元法進行地震反應分析（SASSI2000），考慮大橋橋墩-群樁-土體的動力相互作用，研究大型群樁基礎時的場地地震動的空間效應。計算中采用簡化模型，土體采用平面四邊形等參單元模擬，樁體采用梁單元模擬，索塔承臺采用剛體塊單元模擬，鋼筋混凝土索塔簡化成等效質量作用于承臺上?？紤]到地震波在介質中散射和反射，為減小邊界效應影響，土體兩側邊界寬度分別取基礎寬度的5倍。模型中樁與土的接觸面處滿足位移協(xié)調條件。群樁簡化為33根等效樁，按照梁單元考慮。二維計算有限元網格劃分結點共計5932個，其中土體單元5700個、樁單元1551個、剛體塊單元1個。對于每個土體單元，每個結點有兩個自由度，即水平和豎向平動；對樁單元，每個結點具有3個自由度，即2個平動自由度和1個轉動自由度；剛體塊單元同樣具有2個平動和1個轉動自由度。地震動輸入界面為地下120m處，該層位土層剪切波速已達500m/s。在場址區(qū)地震危險性分析基礎上，合成滿足地震動三要素的基巖地震動加速度時程，作為地震動輸入，每個水準采用3條地震動輸入，結果取其平均值。

二維場地地震反應分析結果表明：由于大橋橋墩一群樁一土體動力相互作用的影響，同高程處的樁體高頻地震動突出，加速度反應峰值較自由場加速度峰值反應增大，但長周期部分則小于自由場?？紤]群樁效應時，在同一高程處地震動頻譜特性與自由場相比有顯著的差別，加速度反應峰值差異也較大，地震動空間效應明顯（楊偉林等，2003b）。因此，對建于深厚軟弱場地的城市大跨徑橋梁進行抗震設計，宜研究采用大型群樁基礎時體系動力相互作用效應的影響。

3 場地地震動效應對橋塔結構的影響

大橋主橋采用雙塔斜拉橋，主塔為倒Y形鋼筋混凝土索塔，塔高約300m。通過分析主橋的自振特性可知：主跨部分橋面的自振周期在10s以上；主塔的一階豎彎、側彎及塔、梁彎曲耦合的周期為3.26～2.15s；其一階對稱扭轉與反扭轉的周期為1.3～2.0s。

根據對應6個地震重現(xiàn)期的場地地表加速度反應譜計算結果，對應500～5000a地震重現(xiàn)期的場地加速度反應譜在0.6～2.4s范圍內的譜值均較大，這對主塔的振動影響較大。在橋體結構抗震設計時，應充分考慮這一具體地震環(huán)境和深厚軟弱場地所產生的特定地震動效應的影響，確保大橋工程安全。

4 地震安全對策

城市大跨徑橋梁工程投資及社會影響大，工程的地震安全是大橋設計、施工及建成后運營階段必須要考慮的問題。進行大橋工程的地震安全對策研究，并在工程建設中有針對性地采取措施，對大橋工程尤為重要。

4.1 工程可行性研究階段

在工程規(guī)劃階段，工程選址是工程建設中的重要環(huán)節(jié)。大跨徑橋梁如建于抗震不利甚至危險的地段，地震引起的山崩、滑坡、地陷以及地面變形等對橋體結構及相關設施將直接構成危害，尤其是若工程建設未避開活斷層，地震時將帶來災難性的后果。1995年1月17日日本阪神7.2級地震中，尚未完工的明石海峽大橋（懸索橋，主跨1990m）淡路島一側的主塔墩位移1.3m，錨碇位移1.4m，致使主跨增長0.8m，對工程建設造成極大影響。

因此，在大跨徑橋梁建設中一定要注重選址，避開活斷層等對工程地震安全性影響較大的危險地段和抗震不利地段，對工程場址的地震危險性進行充分研究，對近場區(qū)尤其是橋位區(qū)的晚第四紀活動斷裂對擬建橋梁的影響進行研究，充分論證所選工程場地的穩(wěn)定性及建設大跨徑橋梁的適宜性。

4.2 工程設計階段

4.2.1 確定安全、經濟、合理的抗震設防標準

強地震的發(fā)生是小概率事件，但其破壞性極大，工程抗震設防是抵御地震破壞的重要措施。建設工程設防水準偏低導致結構抗力不足，是國內外歷次地震中建（構）筑物遭到破壞的主要原因之一。但限于經濟等原因，對所建設工程也不能采取很高的抗震設防水準，其抗震設防既要保證橋梁工程有足夠的地震安全性，又要兼顧經濟這一準則。在城市特大型橋梁工程建設中，應根據其功能、重要性及所允許承擔的風險，進行抗震設防標準研究，對不同結構型式可采用不同的抗震設防標準，使全橋的抗震設防安全、經濟、合理。

4.2.2 充分研究深厚軟弱場地地震動效應

深厚軟弱場地遭遇強震時場地的地震動效應，取決于橋址所處的地震環(huán)境和場地條件。上覆軟弱土層對高頻地震動的濾波及對一定范圍長周期地震動分量的放大，使長周期地震動得到增強，場地地震動的特點是長周期地震動分量相對豐富。因此即使是遠場大震，雖然其地震波傳遞到橋址下部基巖面時地震動較小，但到達場地地表后也可能成為對大跨徑橋梁安全影響較大的強震動。城市大跨徑橋梁建于深厚軟弱場地時，需充分考慮大橋工程所處的地震環(huán)境，特別是區(qū)域范圍內高震級潛在震源的影響，在地震危險性分析基礎上研究深厚軟弱場地的地震動效應，為工程抗震設計提供科學依據。

4.2.3 充分研究場地地震動長周期特征

現(xiàn)行橋梁規(guī)范設計反應譜僅給到6～10s，而城市大跨徑橋梁的第一周期往往超過10s，特別是深厚軟弱場地的地震動效應研究和一些典型的實際地震紀錄加速度反應譜表明，其與現(xiàn)行橋梁抗震設計規(guī)范反應譜在長周期部分差異較大。直接采用規(guī)范譜有應用上的局限，往往偏不安全。應根據城市大跨徑橋梁所處的地震環(huán)境及工程場地條件研究不同設防水準下的地震動長周期特征，確定長周期反應譜用于大橋工程的抗震設計。