橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析法天然地震波的選擇

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，全國各地橋梁的建設(shè)都呈現(xiàn)出大規(guī)模的趨勢，特別是一些欠發(fā)達(dá)的中西部地區(qū)，將是未來橋梁建設(shè)的主要陣地，而這些地區(qū)很多都是高烈度震區(qū)，因此非線性問題愈加突出，使得傳統(tǒng)的反應(yīng)譜法已經(jīng)不能很好的計(jì)算橋梁在地震下的響應(yīng)。

時(shí)程分析方法是將現(xiàn)有地震臺(tái)站所采集的實(shí)際天然地震動(dòng)記錄或者人工擬合的地震波直接加載到結(jié)構(gòu)上，帶入動(dòng)力方程后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行積分，從而得到結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的地震動(dòng)反應(yīng)，該方法能很好的考慮結(jié)構(gòu)非線性問題。

然而，由于地震災(zāi)害和工程結(jié)構(gòu)本身均具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性和不確定性[1]，輸入不同的地震波，結(jié)構(gòu)反應(yīng)可能千差萬別，因此要保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性,必須合理選擇輸人地震波。正確的選擇輸入的天然地震波需要滿足地震動(dòng)三要素的要求,即峰值、頻譜特征和持時(shí),并使地震動(dòng)三要素和選擇的地震波數(shù)量要滿足現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或地震安全性評(píng)價(jià)中經(jīng)土層反應(yīng)分析得到相應(yīng)結(jié)果的相關(guān)要求[2]。

一、合理選取地震波需要考慮的因素

不同的橋梁由于其動(dòng)力特性、場地類別及所處震區(qū)的差異，適合特定橋梁所需要的天然地震波也是不同的。因此，應(yīng)綜合考慮各方面的因素來選擇合理的地震波進(jìn)行時(shí)程分析。一般而言，地震波的合理選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素[3]；

1)地震持時(shí)。持續(xù)時(shí)間的定義可分為兩大類，一類是以地震動(dòng)幅值的絕對(duì)值來定義的絕對(duì)持時(shí)，即指地震地面加速度值大于某值的時(shí)間總和，即絕對(duì)值|a(t)|>k*g的時(shí)間總和，k常取為0.05；另一類為以相對(duì)值定義的相對(duì)持時(shí)，即最先與最后一個(gè)k*amax之間的時(shí)段長度，k一般取0.3～0.5。不論實(shí)際的天然地震記錄還是人工模擬波形，所選地震波持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于橋梁基本周期的5～10倍。

2)頻譜特性。頻譜特性可用地震影響系數(shù)曲線表征，依據(jù)所處的場地類別和設(shè)計(jì)地震分組確定，簡單的說兩者的特征周期Tg值應(yīng)接近或相同。

3)峰值加速度。峰值加速度反映了地震的強(qiáng)度，在其他條件都相同的前提下，峰值加速度越大，地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度也就越大。因此，應(yīng)將地震記錄的峰值與規(guī)范規(guī)定相接近作為選波的控制條件之一，要求輸人結(jié)構(gòu)的地震波峰值加速度應(yīng)與設(shè)防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相當(dāng)。

4)地震波數(shù)量。輸人地震波數(shù)量太少,不足以保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性;輸人地震波數(shù)量太多,則工作量較大。在充分考慮地震動(dòng)三要素的情況下,采用3條地震波可基本保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性。

二、工程實(shí)例

某公路橋梁橋跨為變截面懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鋼筋混凝土等截面連續(xù)箱梁，全橋長 167.08 m，寬 12 m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路I級(jí)。橋址位于8度設(shè)防區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，場地類別為Ⅰ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期 0.40s結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

(一)確定目標(biāo)反應(yīng)譜。選擇地震波的基本原則是要求現(xiàn)有記錄的地震反應(yīng)譜與場地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相一致。根據(jù)我國《公路橋梁抗震細(xì)則》[4]，阻尼比為0.05的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜S由下式確定：

式中Tg為特征周期，T為結(jié)構(gòu)自振周期，Smax水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。

根據(jù)《公路橋梁抗震細(xì)則》中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算E1 地震作用(中震，常遇地震，50 年 5%的超越概率)橋梁結(jié)構(gòu)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖1所示。

圖1 水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

圖2 三條地震波與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

(二)天然地震波的選取。根據(jù)我國《公路橋梁抗震細(xì)則》及美國抗震規(guī)范都建議采用 3 條或 7 條地震波進(jìn)行抗震時(shí)程分析，采用 3 條地震波時(shí)取其響應(yīng)的最大值為代表值。根據(jù)上述選波原則和要素，從PEER中選取3條符合場地條件的地震波如表1，圖2為所選地震波擬合的反應(yīng)譜和與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比。

表1 地震記錄參數(shù)

由圖2 可知，三條地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜在短周期和中長周期都有較好的匹配，可反映規(guī)范設(shè)計(jì)譜的頻譜特性，因此所選擇的三條天然地震波合理。E2 地震作用下的地震動(dòng)輸入可通過 E1 地震動(dòng)調(diào)幅獲得。

三、結(jié)論

本文總結(jié)了橋梁抗震時(shí)程分析法中合理選擇地震波需要考慮的因素和原則，并結(jié)合具體工程實(shí)例，闡述了合理選擇地震波的流程和方法。在對(duì)具體橋梁進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，應(yīng)該根據(jù)其實(shí)際情況，選擇適合該橋梁地震時(shí)程分析所需要的地震波。目前，合理選擇地震波的問題依舊是橋梁抗震設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)，它是對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析的基礎(chǔ)，也是客觀評(píng)價(jià)橋梁抗震性能并對(duì)其進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。