水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)水平向地震作用分析
——論水運(yùn)工程地震動參數(shù)的正確取用

劉少聰，馮海波

(中交四航局港灣工程設(shè)計院有限公司,廣東 廣州 510290)

隨著社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)進(jìn)步，人類對地震和地震破壞的認(rèn)識越來越深入，對地震安全的要求越來越高。強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(即第五代區(qū)劃圖，簡稱《區(qū)劃圖》)于2016年6月實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)取消了不設(shè)防地區(qū)，在附錄中將地震動參數(shù)明確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全國設(shè)防參數(shù)整體上有一定的提高。《區(qū)劃圖》是涉及抗震設(shè)防要求的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。其他有關(guān)建設(shè)工程的抗震設(shè)防下游標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)依此進(jìn)行修改和調(diào)整，以達(dá)到《中華人民共和國防震減災(zāi)法》中所要求的“銜接”[1]。

水運(yùn)行業(yè)現(xiàn)行JTS 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范》(簡稱《水運(yùn)抗規(guī)》)有關(guān)地震動參數(shù)基于第四代區(qū)劃圖(GB 18306—2001)，目前還未針對《區(qū)劃圖》作相應(yīng)修訂。根據(jù)《水運(yùn)抗規(guī)》5.1.2條條文說明，水平向地震系數(shù)KH和設(shè)計反應(yīng)譜曲線目前采用中國科學(xué)院工程力學(xué)研究所1973年的研究成果[2]，在一定程度上與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步要求不相稱。

掌握和理解地震動參數(shù)是抗震設(shè)計的基本要求，然而實(shí)際工程中，從巖土工程勘察到工程設(shè)計，地震動參數(shù)誤用的情況時有發(fā)生。違反《區(qū)劃圖》即構(gòu)成了違反《中華人民共和國防震減災(zāi)法》。因此，正確理解和使用地震動參數(shù)十分重要。本文分析《水運(yùn)抗規(guī)》水平向地震系數(shù)和動力放大系數(shù)在水運(yùn)工程抗震設(shè)計中的意義，根據(jù)《區(qū)劃圖》規(guī)定，對考慮場地影響的水平向地震系數(shù)和動力放大系數(shù)正確取值給出了建議。

1 《區(qū)劃圖》變化對行業(yè)抗震設(shè)計規(guī)范的影響

《區(qū)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(diào)整。原規(guī)定只根據(jù)場地條件調(diào)整加速度反應(yīng)譜特征周期，即單參數(shù)調(diào)整改為雙參數(shù)調(diào)整。2)提出了“4級地震作用”及其地震動參數(shù)的比例系數(shù)，增加了極罕遇地震動參數(shù)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(qū)劃圖》F.1條，明確反應(yīng)譜放大系數(shù)β=2.5[3]。在第四代區(qū)劃圖里已經(jīng)提到反應(yīng)譜放大系數(shù)β=2.5[4]，根據(jù)強(qiáng)震動觀測記錄統(tǒng)計分析和國際相關(guān)規(guī)范，反應(yīng)譜放大系數(shù)取2.5或更大值更合理[5]。

《區(qū)劃圖》的5.1、5.2、6.1、7.1、8.2、附錄A、附錄B、附錄C為強(qiáng)制性條文，其余為推薦性條文，《區(qū)劃圖》8.1條考慮場地類別對地震動峰值加速度amax的調(diào)整非強(qiáng)制要求。《區(qū)劃圖》自實(shí)施以來，部分行業(yè)抗震設(shè)計規(guī)范已做了解釋和修訂。

在《區(qū)劃圖》頒布之前，GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[6]5.2.1條和5.2.2條，考慮場地設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜動力放大系數(shù)最大值βm=2.5和場地類別對地震動峰值加速度amax的調(diào)整。

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(簡稱《建筑抗規(guī)》)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(gòu)造措施，Ⅲ、Ⅳ類場地提高抗震構(gòu)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(diào)整，將重復(fù)提高抗震要求。因此《建筑抗規(guī)》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(diào)整。

NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》3.0.2條規(guī)定：“對依據(jù)GB 18306《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》確定其設(shè)防水準(zhǔn)的水工建筑物，對一般工程應(yīng)取該圖中其場址所在地區(qū)的地震動峰值加速度的分區(qū)值，按場地類別調(diào)整后，作為設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》3.0.2條規(guī)定：“各類水工建筑物的抗震設(shè)防水準(zhǔn)應(yīng)以經(jīng)場地類別調(diào)整后的平坦地表設(shè)計烈度和水平向設(shè)計地震動峰值加速度代表值表征?！?.0.3條規(guī)定：“對依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》確定其設(shè)防水準(zhǔn)的水工建筑物，一般工程應(yīng)取該圖中其場址所在地區(qū)的地震動峰值加速度的分區(qū)值作為水平向設(shè)計地震動峰值加速度代表值”[9]。

GB/T 51336—2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》3.1.3條規(guī)定：“地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防應(yīng)分為多遇地震、基本地震、罕遇地震和極罕遇地震4個設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)?！?.1.3條規(guī)定：“場地的地表水平向峰值加速度應(yīng)乘以場地地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)”[10]。

以上現(xiàn)行行業(yè)抗震設(shè)計規(guī)范，除了《建筑抗規(guī)》，都考慮了場地類別對地震動峰值加速度amax的調(diào)整。《水運(yùn)抗規(guī)》目前尚未修訂，《區(qū)劃圖》作為地震動參數(shù)的基礎(chǔ)性規(guī)范，是各行業(yè)抗震規(guī)范地震動參數(shù)的主要依據(jù)，從水運(yùn)工程抗震設(shè)計發(fā)展的趨勢，建議盡快修訂，以便與《區(qū)劃圖》更好銜接。

2 水平向地震系數(shù)和動力放大系數(shù)的意義和沿革

根據(jù)1974年《海港碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù) K[11]，與抗震設(shè)防烈度存在一一對應(yīng)的關(guān)系;P為地震慣性力；m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；W為結(jié)構(gòu)重力；a為地震水平加速度。

1978年9月《水運(yùn)工程水工建筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》頒發(fā)試行，在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上頒布了JTJ 201—1987《水運(yùn)工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，1999年6月實(shí)施JTJ 225—1998《水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范》，2012年3月實(shí)施JTJ 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范》。水平向地震系數(shù)的變化見表1。

表1 水平向地震系數(shù)KH的變化

對于同一類場地土及同一種結(jié)構(gòu)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(yīng)是定值，即動力放大系數(shù)β與綜合影響系數(shù)C的乘積應(yīng)不變[12]。綜合影響系數(shù)C值，包含了結(jié)構(gòu)的彈塑性影響、岸坡影響、上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(shù)，目前只能分析震害實(shí)例，給出一個綜合值。為了便于工程抗震設(shè)計，采用設(shè)計反應(yīng)譜來計算地震作用，設(shè)計反應(yīng)譜曲線的變化見圖1。

圖1 設(shè)計反應(yīng)譜曲線的變化

JTJ 225—1998版規(guī)范修訂，設(shè)計反應(yīng)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(shè)計反應(yīng)譜形狀由原來Tg/T改為(Tg/T)0.9。JTJ 146—2012版規(guī)范修訂設(shè)計反應(yīng)譜的表達(dá)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(shè)計地震分組第1組，結(jié)構(gòu)自振周期T=0.5 s，動力放大系數(shù)變化見表2。

表2 動力放大系數(shù)β的變化

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

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

3 水平向地震作用的對比分析

《水運(yùn)抗規(guī)》的水平向地震作用考慮綜合影響系數(shù)C的折減，與《建筑抗規(guī)》的多遇地震作用相當(dāng)。假定7度0.1g地區(qū)，設(shè)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(zhì)點(diǎn)總重力標(biāo)準(zhǔn)值W或結(jié)構(gòu)等效總重力荷載為Geq。根據(jù)《水運(yùn)抗規(guī)》5.2.1條和《建筑抗規(guī)》5.2.1條分別計算水平向地震作用，并做對比。

根據(jù)《水運(yùn)抗規(guī)》：

根據(jù)《建筑抗規(guī)》：

在結(jié)構(gòu)條件同等的情況下，《水運(yùn)抗規(guī)》設(shè)防地震下的水平向地震作用低于《建筑抗規(guī)》多遇地震下的水平向地震作用，F(xiàn)Ek多遇/PH=1.2。

4 場地類別對水平向地震系數(shù)KH的影響

水運(yùn)工程一般位于河海沿岸，場地條件往往較差。根據(jù)場地條件對地震動峰值加速度進(jìn)行調(diào)整，該規(guī)定的實(shí)施對確保我國沿海港灣、沉積平原和內(nèi)部古湖泊等Ⅲ類場地條件地區(qū)的地震安全具有重大意義[13]。

按照《區(qū)劃圖》雙參數(shù)調(diào)整的規(guī)定，《水運(yùn)抗規(guī)》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(shù)KH。2)場地類別?特征周期Tg?動力放大系數(shù)β。即場地類別不僅會影響動力放大系數(shù)β，也影響水平向地震系數(shù)KH。

不同場地類別的水平向地震系數(shù)KH計算流程：1)查《區(qū)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(qū)劃圖》表E.1，得到場地地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)Fa，考慮不同場地類別的調(diào)整amax場地類別=FaamaxⅡ/g;3)KH場地類別=amax場地類別/g。

計算實(shí)例：7度0.1g地區(qū)，即amaxⅡ=0.10g，場地類別為Ⅲ類時的設(shè)計基本地震加速度amaxⅢ。已知amaxⅡ=0.10g，查表E.1，F(xiàn)aⅢ=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(shù)KH見表3。

表3 不同場地類別的水平向地震系數(shù)KH

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

5 動力放大系數(shù)的取值

根據(jù)《區(qū)劃圖》F.1條，基于《區(qū)劃圖》的地震動峰值加速度和加速度反應(yīng)譜特征周期確定地震動反應(yīng)譜曲線時，反應(yīng)譜放大系數(shù)β應(yīng)取為2.5?，F(xiàn)行《建筑抗規(guī)》和《水運(yùn)抗規(guī)》反應(yīng)譜放大系數(shù)β取為2.25，增大(2.5-2.25)/2.25=11%。應(yīng)用《區(qū)劃圖》的規(guī)定，《水運(yùn)抗規(guī)》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(qiáng)震動觀測記錄統(tǒng)計分析結(jié)果和其他國家和地區(qū)規(guī)范的規(guī)定，反應(yīng)譜放大系數(shù)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(yùn)工程碼頭結(jié)構(gòu)有自身的特點(diǎn)，如高樁碼頭一般由樁基、上部結(jié)構(gòu)和接岸結(jié)構(gòu)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(shè)計要求和確定相關(guān)參數(shù)，須統(tǒng)計水運(yùn)工程碼頭結(jié)構(gòu)震害，作進(jìn)一步深入的試驗(yàn)研究和計算分析。

6 結(jié)論

1)《水運(yùn)抗規(guī)》與《區(qū)劃圖》的要求存在較大差距，建議進(jìn)一步完善《水運(yùn)抗規(guī)》的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地震動參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與上一級和同級別抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求合理銜接，以適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)的新要求。

2)《水運(yùn)抗規(guī)》水平向地震系數(shù)和動力放大系數(shù)的理論依據(jù)落后，水平向地震作用低于《建筑抗規(guī)》，建議提高抗震設(shè)防能力，以滿足水運(yùn)工程不斷發(fā)展的需要。

3)建議水運(yùn)工程中考慮場地類別對地震動峰值加速度amax的調(diào)整，不同場地類別的水平向地震系數(shù)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(jìn)展，建議動力放大系數(shù)β取為2.5，對水平向地震作用的相關(guān)參數(shù)作進(jìn)一步研究。

5)水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，需要密切注意上述問題，合理確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，正確選用地震動設(shè)計參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)抗震安全。