高墩橋梁抗震時程分析輸入地震波選擇

王小龍

（山西振興公路監(jiān)理有限公司，山西太原030000）

0 引言

近年來，在我國中西部強地震危險區(qū)建設(shè)了多座高墩橋梁，以適應(yīng)山地地形，滿足快速安全行車的要求。其中，橋墩高度超過100m 的橋梁并不少見。原《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（JTJ 004—89）規(guī)定橋墩高度大于30m 的橋梁應(yīng)采用時程分析。新出臺的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02—01—2008）（簡稱《08 實施方案》）將橋墩高度30m 以上的橋梁列為非標(biāo)準(zhǔn)橋梁，并建議進行時程分析。地震波的鍵控是時程分析的主要依據(jù)。世界各國普遍規(guī)定，在選擇鍵控時，（若干）地震波反射譜應(yīng)盡可能與標(biāo)準(zhǔn)譜一致。《08實施方案》提出選擇設(shè)計方案譜產(chǎn)生的人工合成地震波或選擇與橋址設(shè)定震級、間距大體一致的地震波，根據(jù)頻域進行調(diào)整，使頻譜與設(shè)計方案頻譜兼容，但缺乏足夠的具體大地震的設(shè)置和頻域調(diào)整方法的指導(dǎo)。

隨著全球范圍內(nèi)許多特定地震波（記錄）的獲取和發(fā)布，利用真實地震波進行結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計越來越受到重視。文中提到的選波方法是根據(jù)臺站信息內(nèi)容所反映的頻譜（頻段）的綜合性設(shè)計方案，它是基于PEER 9 地震記錄數(shù)據(jù)庫的查詢。楊普等人明確提出的雙頻段控制波選擇方法，引入了高模態(tài)形狀危害，以實現(xiàn)對時程分析和反射譜分析統(tǒng)計的一致性要求[1]。在高墩橋梁抗震分析中考慮高振型的危害是非常必要的。

1 高墩橋梁抗震分析輸入地震波的選擇方法

獲取大量地震波（9 級地震記錄）是選擇大地震進行時程分析的基礎(chǔ)。為了更好地推動大地震工程項目的科研發(fā)展，一些國家或地區(qū)已經(jīng)完成了采集地震波的網(wǎng)絡(luò)共享?，F(xiàn)階段最常見的是美國太平洋地震工程研究中心的PEER/NGA 9 級地震記錄。數(shù)據(jù)庫收集了1935年至今的9 級地震記錄3500 余條。

為此，創(chuàng)建了一個中小型工程項目，供基礎(chǔ)創(chuàng)建者使用9 級地震記錄數(shù)據(jù)庫進行查詢，并作為結(jié)構(gòu)抗震分析的初步地震波分析的基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)庫中選擇地震波的標(biāo)準(zhǔn)如下[2]：①地震震級（Ms）在6 級以上；②震中距或斷塊距在20～40km 之間；③瞬時速度最高值0.15g 以上；④高通濾波器截止頻率低于0.2Hz。由于大地震記錄總數(shù)的限制，也選取了少量不完全符合上述標(biāo)準(zhǔn)的地震波。這種做法的效果是：①大地震會對結(jié)構(gòu)造成破壞；②減少斷塊附近的地震震級、震中距和震動對公用設(shè)施危害的影響；③保證長周期反射光譜的計算精度（至少5s）。中小型數(shù)據(jù)庫查詢站點分為硬土、硬（軟）土和軟基處理三種。匹配土層（30m）的平均橫波速度為Vs=360～750m/s，Vs=180～360m/s 且Vs＜180m/s，匹配美國USGS B 類、C 類、D類，類似匹配《08《實施方案》》類別Ⅰ（Ⅱ）類、Ⅲ類、Ⅳ類。參考文獻根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)獲得了選定的地震波條件。每一類場地由10 組雙層地震波（20 級地震波）組成，盡可能包括北嶺地震、神戶地震、赤池地震等造成許多當(dāng)代工程項目破壞的大地震，使震源（斷塊）特征接近隨機分布。汶川地震地震波因場地標(biāo)準(zhǔn)信息內(nèi)容不足而未納入；文章中也沒有考慮近斷層塊地面振動（單脈沖）的影響。

總體來看，較硬的場地和軟基處理場地分別與Ⅲ類場地和Ⅳ類場地吻合較好；硬土場地和Ⅱ類場地吻合；Ⅰ類場地設(shè)計頻譜在0.3～2s 周期內(nèi)符合硬土標(biāo)準(zhǔn)。土壤站點的平均光譜不是很符合，后者的頻譜值略高。工程項目的應(yīng)用將注重安全。在具體的橋梁地震時程分析中，對于Ⅰ（Ⅱ）類場地，建議可以從硬土場地中選取地震波；對于III 類和IV 類場地，可以從硬土和軟基處理場地選擇地震波。

2 某百米高墩橋梁抗震時程分析實例

2.1 實例

高墩橋（主橋）為預(yù)制混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨度布置為90m、170m、90m。 主墩為空心厚壁墩，高126.06m。大橋全長350m。橋址區(qū)地震烈度為7 度（設(shè)計方案基本為瞬時速度0.10g 的大地震），類似Ⅱ類場地。反映頻譜特征周期0.30s。

2.2 抗震分析

各自選擇了《08 實施方案》反射譜法和時程分析法對橋梁地震反應(yīng)進行測量并相互比較。例如，假設(shè)根據(jù)E2 地震的影響，橋梁必要性指數(shù)為1.7，反射譜法匹配輸入瞬時速度的最大值為0.17g。

2.2.1 輸入地震波選擇

在橋梁時程分析中，從水平和垂直方向分別測量，僅輸入水平地面震動。根據(jù)上述方法，估計跨橋波選擇周期時間的操作指標(biāo)值和權(quán)重指標(biāo)為：T1=3.91s 和λ1=62.4%；T4=1.55s 和λ4=5.8%；T7=0.75s和λ7=2.4%；T10=0.55s 和λ10=12.8%?？v橋方向波選擇周期時間操作指標(biāo)值和權(quán)重指標(biāo)為：T2=2.72s 和λ2=64.11%；T9=0.56s 和λ9=7.18%。根據(jù)《08 實施方案》，橋梁地震時程分析應(yīng)選擇3 個地震波或7 個地震波作為重點。第一個取分析結(jié)果的最大值，后者取分析結(jié)果的平均值。國外很多抗震標(biāo)準(zhǔn)也有類似的要求。以選取3 個地震波為例（會合理減少時程分析的勞動），橫向橋梁橋方向有2 組。第一組εw和εT的偏差基本控制在15%，第二組控制在25%，以便能夠比較；地震波縱向橋梁方向選擇與第一組橫向橋梁方向相同，關(guān)鍵因素是橫向和縱向橋梁方向設(shè)計方案的相同頻譜。

2.2.2 時程分析和反應(yīng)譜分析比較

如圖1所示，第一組地震波在橋梁橫向輸入下，橋樁的彎曲距離和剪應(yīng)力沿橋墩高度分布。除Bld090地震波輸入外，彎曲距離時程分析結(jié)果與反射譜分析結(jié)果沿墩高基本一致，剪應(yīng)力分析結(jié)果變化為類似，但效果比較大。橫橋時程分析結(jié)果比率反映了最大28%的頻譜結(jié)果（位于底部），剪應(yīng)力比率反映了最大50%的頻譜結(jié)果（位于頂部）。

圖1 橫橋向時程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果比較（第1 組）

第一組地震波在橋梁縱向輸入下，橋樁沿橋墩高度分布的彎曲距離和剪應(yīng)力情況。彎曲距離時程值和反射譜值沿墩高相對一致，而剪應(yīng)力值相距較遠(yuǎn)?？v向橋梁方向時程分析彎曲距離結(jié)果比例最多反映譜結(jié)果的30%（位于底部），剪應(yīng)力比最多反映譜結(jié)果的40%（位于底部）。橫縱橋梁的時程分析結(jié)果一般都超過反射譜分析的結(jié)果，但較大的距離操縱在50%以內(nèi)，設(shè)計方案可以接受。同時，從安全的角度，要注意百米高墩橋梁地震時程分析的選擇。

在橫橋輸入的第二組地震波下（見圖2），橋樁的彎曲距離和剪應(yīng)力沿橋墩高度分布。與第一組相比，可以看出時程分析與反射譜分析之間的距離不斷增加。在時程分析中，彎曲距離結(jié)果最多為85%，剪應(yīng)力比最多為67%。這種比較更強調(diào)時程分析鍵入地震波選擇的必要性，也說明當(dāng)εw和εT控制在15%以內(nèi)時，本文的選波方法是合理的。時程可以通過判別分析，結(jié)果在反射譜結(jié)果的統(tǒng)計分析意義上符合地震分析規(guī)定[3]。

圖2 縱橋向時程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果比較(第2 組)

3 結(jié)語

針對高墩橋梁的抗震要求，明確提出了在真實地震波中鍵入時程分析的選擇方法，可以滿足與（設(shè)計方案）反射譜分析統(tǒng)計的一致性要求。首先，在PEER9 地震記錄庫查詢中選擇滿足震級、距離、最大瞬時速度和頻域特征等不同空間標(biāo)準(zhǔn)的候選地震波，生成工程項目查詢9 個地震記錄庫。其次，根據(jù)現(xiàn)場條件，選取的地震波反射譜與設(shè)計方案反射譜之間的服務(wù)平臺段與高墩橋梁上一周期時間點的譜值的相對偏差（平均值）是雙控開關(guān)的指標(biāo)值，用于確定時程分析地震波的實際類型。本文的選波標(biāo)準(zhǔn)可適用于大跨度橋梁、高層建筑等復(fù)雜建筑的專業(yè)施工，但仍需加強候選地震波數(shù)據(jù)庫查詢的基礎(chǔ)建設(shè)。