水運工程結構水平向地震作用分析
——論水運工程地震動參數的正確取用

劉少聰，馮海波

(中交四航局港灣工程設計院有限公司,廣東 廣州 510290)

隨著社會經濟技術進步，人類對地震和地震破壞的認識越來越深入，對地震安全的要求越來越高。強制性國家標準GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》(即第五代區劃圖，簡稱《區劃圖》)于2016年6月實施，標準取消了不設防地區，在附錄中將地震動參數明確到鄉鎮，全國設防參數整體上有一定的提高。《區劃圖》是涉及抗震設防要求的基礎性標準。其他有關建設工程的抗震設防下游標準也應依此進行修改和調整，以達到《中華人民共和國防震減災法》中所要求的“銜接”[1]。

水運行業現行JTS 146—2012《水運工程抗震設計規范》(簡稱《水運抗規》)有關地震動參數基于第四代區劃圖(GB 18306—2001)，目前還未針對《區劃圖》作相應修訂。根據《水運抗規》5.1.2條條文說明，水平向地震系數KH和設計反應譜曲線目前采用中國科學院工程力學研究所1973年的研究成果[2]，在一定程度上與社會經濟發展和科技進步要求不相稱。

掌握和理解地震動參數是抗震設計的基本要求，然而實際工程中，從巖土工程勘察到工程設計，地震動參數誤用的情況時有發生。違反《區劃圖》即構成了違反《中華人民共和國防震減災法》。因此，正確理解和使用地震動參數十分重要。本文分析《水運抗規》水平向地震系數和動力放大系數在水運工程抗震設計中的意義，根據《區劃圖》規定，對考慮場地影響的水平向地震系數和動力放大系數正確取值給出了建議。

1 《區劃圖》變化對行業抗震設計規范的影響

《區劃圖》的主要變化：1)考慮場地條件影響，地震動峰值加速度作調整。原規定只根據場地條件調整加速度反應譜特征周期，即單參數調整改為雙參數調整。2)提出了“4級地震作用”及其地震動參數的比例系數，增加了極罕遇地震動參數的要求，對防止極端地震造成重大人員傷亡有重要作用。3)《區劃圖》F.1條，明確反應譜放大系數β=2.5[3]。在第四代區劃圖里已經提到反應譜放大系數β=2.5[4]，根據強震動觀測記錄統計分析和國際相關規范，反應譜放大系數取2.5或更大值更合理[5]。

《區劃圖》的5.1、5.2、6.1、7.1、8.2、附錄A、附錄B、附錄C為強制性條文，其余為推薦性條文，《區劃圖》8.1條考慮場地類別對地震動峰值加速度amax的調整非強制要求。《區劃圖》自實施以來，部分行業抗震設計規范已做了解釋和修訂。

在《區劃圖》頒布之前，GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》[6]5.2.1條和5.2.2條，考慮場地設計地震動加速度反應譜動力放大系數最大值βm=2.5和場地類別對地震動峰值加速度amax的調整。

GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(簡稱《建筑抗規》)3.3.2條和3.3.3條，考慮場地類別的影響，Ⅰ類場地降低抗震構造措施，Ⅲ、Ⅳ類場地提高抗震構造措施[7]。如果同時考慮場地類別對地震動峰值加速度amax的調整，將重復提高抗震要求。因此《建筑抗規》2016年局部修訂時，并未修訂場地對地震動峰值加速度amax的調整。

NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》3.0.2條規定：“對依據GB 18306《中國地震動參數區劃圖》確定其設防水準的水工建筑物，對一般工程應取該圖中其場址所在地區的地震動峰值加速度的分區值，按場地類別調整后，作為設計水平向地震動峰值加速度代表值”[8]。

GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計標準》3.0.2條規定：“各類水工建筑物的抗震設防水準應以經場地類別調整后的平坦地表設計烈度和水平向設計地震動峰值加速度代表值表征。”3.0.3條規定：“對依據現行國家標準GB 18306《中國地震動參數區劃圖》確定其設防水準的水工建筑物，一般工程應取該圖中其場址所在地區的地震動峰值加速度的分區值作為水平向設計地震動峰值加速度代表值”[9]。

GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》3.1.3條規定：“地下結構的抗震設防應分為多遇地震、基本地震、罕遇地震和極罕遇地震4個設防標準。”5.1.3條規定：“場地的地表水平向峰值加速度應乘以場地地震動峰值加速度調整系數”[10]。

以上現行行業抗震設計規范，除了《建筑抗規》，都考慮了場地類別對地震動峰值加速度amax的調整。《水運抗規》目前尚未修訂，《區劃圖》作為地震動參數的基礎性規范，是各行業抗震規范地震動參數的主要依據，從水運工程抗震設計發展的趨勢，建議盡快修訂，以便與《區劃圖》更好銜接。

2 水平向地震系數和動力放大系數的意義和沿革

根據1974年《海港碼頭結構設計手冊》，水平地震力為：

P=ma=(W/g)a=KW

(1)

式中：地震水平加速度與重力加速度的比值即為水平地震系數 K[11]，與抗震設防烈度存在一一對應的關系;P為地震慣性力；m為結構質量；W為結構重力；a為地震水平加速度。

1978年9月《水運工程水工建筑物抗震鑒定標準》頒發試行，在該標準基礎上頒布了JTJ 201—1987《水運工程水工建筑物抗震設計規范》，1999年6月實施JTJ 225—1998《水運工程抗震設計規范》，2012年3月實施JTJ 146—2012《水運工程抗震設計規范》。水平向地震系數的變化見表1。

表1 水平向地震系數KH的變化

對于同一類場地土及同一種結構形式與斷面的水工建筑物，在外荷載相同的條件下，地震慣性力P應是定值，即動力放大系數β與綜合影響系數C的乘積應不變[12]。綜合影響系數C值，包含了結構的彈塑性影響、岸坡影響、上部結構扭轉影響及動土壓力(即由于地震作用所增加的那部分土壓力)、動水壓力影響等。這些影響的理論研究尚不成熟，難以分別給出合理的系數，目前只能分析震害實例，給出一個綜合值。為了便于工程抗震設計，采用設計反應譜來計算地震作用，設計反應譜曲線的變化見圖1。

圖1 設計反應譜曲線的變化

JTJ 225—1998版規范修訂，設計反應譜由3條改為4條，由I、Ⅱ、Ⅲ類場地改為I、II、Ⅲ、IV類場地，設計反應譜形狀由原來Tg/T改為(Tg/T)0.9。JTJ 146—2012版規范修訂設計反應譜的表達形式將原來的4條合并為1條，并將自振周期延長至6.0 s。假定設計地震分組第1組，結構自振周期T=0.5 s，動力放大系數變化見表2。

表2 動力放大系數β的變化

整體上看，特別是I、Ⅱ類場地，動力放大系數β隨著規范的發展逐步提高。各版規范中綜合影響系數C的規定基本不變，因此水平向地震作用也得到提高。

根據《水運抗規》3.2.4條和5.1.2條可以得出以下結論：1)地震作用只考慮設防地震(基本地震)作用。2)水平向地震系數KH和設計基本地震加速度amax一一對應，即KH=amax/g。3)不同場地類別對水平地震作用的影響，是根據場地類別調整特征周期Tg，再調整動力放大系數β。即：場地類別?特征周期Tg?動力放大系數β。

3 水平向地震作用的對比分析

《水運抗規》的水平向地震作用考慮綜合影響系數C的折減，與《建筑抗規》的多遇地震作用相當。假定7度0.1g地區，設計地震分組第1組，場地類別為Ⅱ類，Tg=0.35 s；建筑物自振周期為T=0.5 s，換算質點總重力標準值W或結構等效總重力荷載為Geq。根據《水運抗規》5.2.1條和《建筑抗規》5.2.1條分別計算水平向地震作用，并做對比。

根據《水運抗規》：

根據《建筑抗規》：

在結構條件同等的情況下，《水運抗規》設防地震下的水平向地震作用低于《建筑抗規》多遇地震下的水平向地震作用，FEk多遇/PH=1.2。

4 場地類別對水平向地震系數KH的影響

水運工程一般位于河海沿岸，場地條件往往較差。根據場地條件對地震動峰值加速度進行調整，該規定的實施對確保我國沿海港灣、沉積平原和內部古湖泊等Ⅲ類場地條件地區的地震安全具有重大意義[13]。

按照《區劃圖》雙參數調整的規定，《水運抗規》不同場地類別對水平向地震作用的影響：1)場地類別?地震動峰值加速度amax?水平向地震系數KH。2)場地類別?特征周期Tg?動力放大系數β。即場地類別不僅會影響動力放大系數β，也影響水平向地震系數KH。

不同場地類別的水平向地震系數KH計算流程：1)查《區劃圖》附錄C或圖A.1，確定Ⅱ類場地的基本地震動峰值加速度amaxⅡ;2)查《區劃圖》表E.1，得到場地地震動峰值加速度調整系數Fa，考慮不同場地類別的調整amax場地類別=FaamaxⅡ/g;3)KH場地類別=amax場地類別/g。

計算實例：7度0.1g地區，即amaxⅡ=0.10g，場地類別為Ⅲ類時的設計基本地震加速度amaxⅢ。已知amaxⅡ=0.10g，查表E.1，FaⅢ=1.25 ，amaxⅢ=FaⅢamaxⅡ=0.125 0g，KHⅢ=amaxⅢ/g=0.125 0。

不同場地類別的水平向地震系數KH見表3。

表3 不同場地類別的水平向地震系數KH

表3中，Ⅱ類場地的水平向地震系數KH與《水運抗規》一致。《區劃圖》場地地震動峰值加速度調整系數Fa的范圍為0.72～1.30。Fa的規律是amaxⅡ越大調整越小，場地條件越差調整越大(但Ⅳ類場地比Ⅲ類場地調整小)。

5 動力放大系數的取值

根據《區劃圖》F.1條，基于《區劃圖》的地震動峰值加速度和加速度反應譜特征周期確定地震動反應譜曲線時，反應譜放大系數β應取為2.5。現行《建筑抗規》和《水運抗規》反應譜放大系數β取為2.25，增大(2.5-2.25)/2.25=11%。應用《區劃圖》的規定，《水運抗規》KHβ的變化范圍約為1.11Fa=1.11×(0.72～1.3)=0.80～1.44，對水平向地震作用具有較大的影響。

從強震動觀測記錄統計分析結果和其他國家和地區規范的規定，反應譜放大系數β取值不小于2.5。建筑工程的高層建筑高度較大，水平地震作用往往起控制作用。水利工程水工建筑物一般體積大，需要考慮壩體-地基-庫水體系相互作用。而水運工程碼頭結構有自身的特點，如高樁碼頭一般由樁基、上部結構和接岸結構組成，需要考慮岸坡、動土壓力、動水壓力等因素，地震作用有所不同。如何提高抗震設計要求和確定相關參數，須統計水運工程碼頭結構震害，作進一步深入的試驗研究和計算分析。

6 結論

1)《水運抗規》與《區劃圖》的要求存在較大差距，建議進一步完善《水運抗規》的設防標準、地震動參數，實現與上一級和同級別抗震設計規范的相關要求合理銜接，以適應社會經濟發展和防災減災的新要求。

2)《水運抗規》水平向地震系數和動力放大系數的理論依據落后，水平向地震作用低于《建筑抗規》，建議提高抗震設防能力，以滿足水運工程不斷發展的需要。

3)建議水運工程中考慮場地類別對地震動峰值加速度amax的調整，不同場地類別的水平向地震系數KH見表3。

4)近年來場地條件對地震動影響的研究有了較大的進展，建議動力放大系數β取為2.5，對水平向地震作用的相關參數作進一步研究。

5)水運工程結構抗震設計中，需要密切注意上述問題，合理確定抗震設防標準，正確選用地震動設計參數，確保結構抗震安全。