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建設了多座高墩橋梁，以適應山地地形，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《公路工程抗震設計規范》（JTJ 004—89）規定橋墩高度大于30m 的橋梁應采用時程分析。新出臺的《公路橋梁抗震設計細則》（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準橋梁，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。世界各國普遍規定，在選擇鍵控時，（若干）地震波反射譜應盡可能與標準譜一致。《08實施方案》提出選擇設計方案譜產生的人工合成地震波或選擇與橋址設定震級、間距大體一致的地震波，根據頻域進行調整，使頻譜與設計方案頻譜兼容，但缺乏足夠的具體大地震的設置和頻域調整方法的指導。

隨著全球范圍內許多特定地震波（記錄）的獲取和發布，利用真實地震波進行結構抗震分析和設計越來越受到重視。文中提到的選波方法是根據臺站信息內容所反映的頻譜（頻段）的綜合性設計方案，它是基于PEER 9 地震記錄數據庫的查詢。楊普等人明確提出的雙頻段控制波選擇方法，引入了高模態形狀危害，以實現對時程分析和反射譜分析統計的一致性要求[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。為了更好地推動大地震工程項目的科研發展，一些國家或地區已經完成了采集地震波的網絡共享。現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。數據庫收集了1935年至今的9 級地震記錄3500 余條。

為此，創建了一個中小型工程項目，供基礎創建者使用9 級地震記錄數據庫進行查詢，并作為結構抗震分析的初步地震波分析的基礎。在數據庫中選擇地震波的標準如下[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的限制，也選取了少量不完全符合上述標準的地震波。這種做法的效果是：①大地震會對結構造成破壞；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）。中小型數據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。參考文獻根據現場標準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準信息內容不足而未納入；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類場地設計頻譜在0.3～2s 周期內符合硬土標準。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）為預制混凝土連續剛構橋，跨度布置為90m、170m、90m。 主墩為空心厚壁墩，高126.06m。大橋全長350m。橋址區地震烈度為7 度（設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進行測量并相互比較。例如，假設根據E2 地震的影響，橋梁必要性指數為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。根據上述方法，估計跨橋波選擇周期時間的操作指標值和權重指標為：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%。縱橋方向波選擇周期時間操作指標值和權重指標為：T2=2.72s 和λ2=64.11%；T9=0.56s 和λ9=7.18%。根據《08 實施方案》，橋梁地震時程分析應選擇3 個地震波或7 個地震波作為重點。第一個取分析結果的最大值，后者取分析結果的平均值。國外很多抗震標準也有類似的要求。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，關鍵因素是橫向和縱向橋梁方向設計方案的相同頻譜。

2.2.2 時程分析和反應譜分析比較

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果與反射譜分析結果沿墩高基本一致，剪應力分析結果變化為類似，但效果比較大。橫橋時程分析結果比率反映了最大28%的頻譜結果（位于底部），剪應力比率反映了最大50%的頻譜結果（位于頂部）。

圖1 橫橋向時程分析與反應譜分析結果比較（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，而剪應力值相距較遠。縱向橋梁方向時程分析彎曲距離結果比例最多反映譜結果的30%（位于底部），剪應力比最多反映譜結果的40%（位于底部）。橫縱橋梁的時程分析結果一般都超過反射譜分析的結果，但較大的距離操縱在50%以內，設計方案可以接受。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，彎曲距離結果最多為85%，剪應力比最多為67%。這種比較更強調時程分析鍵入地震波選擇的必要性，也說明當εw和εT控制在15%以內時，本文的選波方法是合理的。時程可以通過判別分析，結果在反射譜結果的統計分析意義上符合地震分析規定[3]。

圖2 縱橋向時程分析與反應譜分析結果比較(第2 組)

3 結語

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（設計方案）反射譜分析統計的一致性要求。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準的候選地震波，生成工程項目查詢9 個地震記錄庫。其次，根據現場條件，選取的地震波反射譜與設計方案反射譜之間的服務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）是雙控開關的指標值，用于確定時程分析地震波的實際類型。本文的選波標準可適用于大跨度橋梁、高層建筑等復雜建筑的專業施工，但仍需加強候選地震波數據庫查詢的基礎建設。