橋梁地震危險(xiǎn)性分析的原理和方法

包清林

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展與技術(shù)水平的提高，公路橋梁工程得到了飛躍的發(fā)展。但是在橋梁工程施工過(guò)程中，抗震設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是當(dāng)前工程師非常重視的問(wèn)題。在實(shí)際工作中，我們只有對(duì)地震的危險(xiǎn)性以及橋梁的抗震性能進(jìn)行全面的分析，才能夠有效的提高橋梁的抗震性能。本文從橋梁工程的危害出發(fā)，淺要闡述了橋梁工程的地震危險(xiǎn)性分析方法，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；地震危險(xiǎn)性；抗震設(shè)計(jì)；分析原理；方法

公路交通作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，它的建設(shè)與發(fā)展在很大程度上加快了城市化的進(jìn)度。我國(guó)地處地震多發(fā)帶，特別是近幾年來(lái)，我國(guó)地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，不僅毀壞了地面上各種建筑物與基礎(chǔ)設(shè)施，直接威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，還造成交通的中斷，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。公路交通是國(guó)家抗震救災(zāi)的生命線工程之一，如果受到了損壞，就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)救援工作無(wú)法進(jìn)行，這就造成了更大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，我國(guó)在建設(shè)道路工程的過(guò)程中，仍然采用的是《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，這一規(guī)范要求由于比較單一，并且規(guī)定中并沒(méi)有根據(jù)實(shí)際情況以及構(gòu)造措施來(lái)防止橋墩等構(gòu)件的破壞，也沒(méi)有對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的延伸性予以保證，因此已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前工程的建設(shè)需要。因此我們必須要在實(shí)際工作中，通過(guò)總結(jié)與歸納，采用有效的分析方法來(lái)提高橋梁工程的抗震能力，以此來(lái)避免地震造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 橋梁工程的地震危害

我們從國(guó)內(nèi)外的地震因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害進(jìn)行分析，很多橋梁工程都會(huì)受到各種損壞，以下簡(jiǎn)單介紹了地震因素對(duì)橋梁工程各個(gè)部位產(chǎn)生的危害。

1.1 對(duì)橋臺(tái)產(chǎn)生的危害。這一危害主要表現(xiàn)為：（1）橋臺(tái)與路基共同作用，會(huì)一起移動(dòng)到核心，導(dǎo)致橋頭、樁柱等各個(gè)部位受到不同程度的影響，例如不均勻沉降、裂縫、傾斜、折斷等；（2）由于橋頭出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致橋梁工程的翼墻出現(xiàn)損壞，并且產(chǎn)生不同程度的裂縫，這就導(dǎo)致整個(gè)橋臺(tái)而機(jī)構(gòu)下沉，最終無(wú)法正常使用。

1.2 對(duì)橋墩產(chǎn)生的危害。如果橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中沒(méi)有對(duì)地震危險(xiǎn)性以及抗震性能進(jìn)行合理的分析，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，橋梁工程的橋墩就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，例如傾斜、不均勻沉降、滑移、折斷等。

1.3 對(duì)支座產(chǎn)生的危害。我們對(duì)當(dāng)前的各種橋梁工程進(jìn)行分析與總結(jié)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一些橋梁的支座設(shè)計(jì)當(dāng)中，工程師并沒(méi)有考慮到工程的抗震性能，例如在施工過(guò)程中沒(méi)有采用合理的支座形式、選用的建筑材料質(zhì)量不合格、構(gòu)造措施不足等，如果發(fā)生地震，橋梁結(jié)構(gòu)的支座就會(huì)因?yàn)樽饔昧Φ挠绊懚霈F(xiàn)不同程度的變形或者位移，存在較大的安全隱患。

1.4 對(duì)地基或者基礎(chǔ)部分產(chǎn)生的危害。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，地震的作用力就會(huì)導(dǎo)致橋梁地基中的土層液化，這就導(dǎo)致土層的穩(wěn)定性不足，最終造成不均勻沉降、變形、斷裂、滑移等問(wèn)題的發(fā)生。若是較為嚴(yán)重的地震災(zāi)害，那么就會(huì)直接導(dǎo)致橋梁的地基或者基礎(chǔ)部分發(fā)生坍塌，不僅加大了維修與加固的難度，還需要投入大量的人力、物力與財(cái)力。

1.5 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害。這一危害一般都是由上述幾種危害綜合而形成的，其主要表現(xiàn)也就是橋梁的柱梁發(fā)生墜落，這是橋梁結(jié)構(gòu)中最嚴(yán)重的一種地震危害。

2 輸入地震動(dòng)參數(shù)的確定

地震危險(xiǎn)性分析計(jì)算原理：

設(shè)有N個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的地震危險(xiǎn)性有貢獻(xiàn)，相應(yīng)于第對(duì)個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)的場(chǎng)點(diǎn)地震動(dòng)年超越概率為Pn，則場(chǎng)點(diǎn)總的地震動(dòng)年超越概率為

地震統(tǒng)計(jì)區(qū)是地震活動(dòng)性分析的基本單元，它應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)上的完整性和地震活動(dòng)趨勢(shì)的一致性。地震時(shí)間過(guò)程符合分段的泊松過(guò)程，t年內(nèi)平均發(fā)生率為V1，則其中Pkt為統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)未來(lái)t年內(nèi)發(fā)生K次地震的概率：

統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)大小地震的比例遵從修正的Guternberg-Richter震級(jí)頻度關(guān)系，相應(yīng)的震級(jí)概率函數(shù)為

其中，β=b*Ln 10，Mμ為統(tǒng)計(jì)區(qū)的震級(jí)上限。

根據(jù)分段泊松分布模型和全概率定理，一個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)所發(fā)生的地震在場(chǎng)點(diǎn)所產(chǎn)生的地震動(dòng)（A）超越給定值（a）的概率為

其中，P（mj）為統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)地震落在震級(jí)檔mj±0.5Δm內(nèi)的概率：

由以上兩式可得

式中即為計(jì)算一統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)發(fā)生的地震在場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生地震動(dòng)的年超越概率公式。其中P（A≥a「E）為第i個(gè)潛在震源區(qū)內(nèi)所發(fā)生的一特定的事件（震級(jí)為mj±0.5Δm及橢圓長(zhǎng)軸走向均確定）時(shí)場(chǎng)地地震動(dòng)超越a的概率。fi（0）為第i個(gè)潛在震源區(qū)橢圓長(zhǎng)軸走向的取向概率。式中的地震活動(dòng)性參數(shù)，如年平均發(fā)生率對(duì)及產(chǎn)值都是在統(tǒng)計(jì)區(qū)范圍得到的。式中的震級(jí)上限也是指統(tǒng)計(jì)區(qū)的震級(jí)上限，而不是某一確定的潛在震源區(qū)的震級(jí)上限。

關(guān)于危險(xiǎn)性分析中衰減關(guān)系殘差項(xiàng)的不確定性校正，采用通用的校正公式：

3 橋址地震反應(yīng)計(jì)算與地震動(dòng)參數(shù)

3.1 地震反應(yīng)計(jì)算

用一維等效線性波動(dòng)法對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行土層地震反應(yīng)計(jì)算。給出各孔地面三種概率水準(zhǔn)下的加速度時(shí)程和峰值加速度表3，并計(jì)算相應(yīng)的加速度反應(yīng)譜。用FFT技術(shù)給出各點(diǎn)地面三種概率水準(zhǔn)下的速度時(shí)程和峰值速度。由于每個(gè)孔在同一概率水準(zhǔn)下有3條地震動(dòng)輸入波，所以每個(gè)孔有3組地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)，取平均值作為控制點(diǎn)的輸出，得到4個(gè)孔位的地面峰值加速度和峰速度以及加速度反應(yīng)譜。

3.2 設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜的雙參數(shù)標(biāo)定

我國(guó)一般工業(yè)與民用建筑的抗震設(shè)計(jì)方法仍建立在反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)上，為便于工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜上3個(gè)頻段之間的分界點(diǎn)是十分明確的，但事實(shí)上，地震反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期是不明確的；就一條強(qiáng)震記錄而言，反應(yīng)譜拐點(diǎn)是模糊的；就不同的記錄（同一地點(diǎn)的不同記錄或同一地震不同地點(diǎn)的記錄）而言，拐點(diǎn)周期可能變化很大。研究表明，用地震動(dòng)峰加速度和峰速度值標(biāo)定設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜更為合理。本文采用設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜的雙參數(shù)標(biāo)定模型。

抗震設(shè)計(jì)的加速度反應(yīng)譜一般表示為

用比值V/a標(biāo)定β（T）的模型為

式中，i為強(qiáng)震記錄數(shù)，T3=3s，a為峰加速度，v為峰速度。

為確定式中的常數(shù)b1，b2，b3，r，要求目標(biāo)函數(shù)

為最小。選用世界范圍內(nèi)254個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的500條水平向強(qiáng)震記錄，所有水平峰加速度a≥0.05g，接式的要求，用搜索法求得：

b1=1，b2=2.25，b3=10，r=1

將式（20）代人式（18），則得拐點(diǎn)周期T1和T2的標(biāo)定式，T2即為特征周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，對(duì)橋梁工程的地震危險(xiǎn)性分析是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)，其中所需要涉及的學(xué)科非常多，工程師首先需要對(duì)橋梁工程的震害進(jìn)行全面的分析與了解，然后通過(guò)分析來(lái)提高橋梁工程的抗震性能，并逐步完善橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能構(gòu)造。另外，在分析過(guò)程中，工程還需要從當(dāng)前我國(guó)公路橋梁的特點(diǎn)以及實(shí)際情況出發(fā)，不斷探索與創(chuàng)新，尋找一項(xiàng)適用于我國(guó)公路橋梁工程的抗震加固技術(shù)，以期提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，達(dá)到抗震的效果。

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