大跨度懸索橋地震動(dòng)峰值加速度取值分析

王寶喜

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

對(duì)于大跨度懸索橋、斜拉橋和拱橋等特殊橋梁結(jié)構(gòu)，要根據(jù)橋梁所在的場(chǎng)地條件來確定其相關(guān)的地震動(dòng)參數(shù)，而橋梁設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的確定是一個(gè)基于一定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期的概率問題。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期，計(jì)算得到的地震動(dòng)峰值加速度不同。對(duì)于常規(guī)橋梁，抗震設(shè)計(jì)時(shí)一般均可根據(jù)現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施，即以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年、超越概率為10%的地震動(dòng)峰值加速度作為基本地震動(dòng)峰值加速度，其他超越概率下的峰值加速度通過乘以重要性系數(shù)來調(diào)整。而對(duì)于大跨度懸索橋、斜拉橋和拱橋等特殊橋梁結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾枰捎酶邩?biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期[1]，其抗震設(shè)計(jì)所采用的地震動(dòng)參數(shù)一般都不在現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范的適用范圍內(nèi)。

鑒于現(xiàn)行抗震規(guī)范對(duì)大跨度懸索橋的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜沒有明確規(guī)定，確定此類結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期下的地震動(dòng)峰值加速度取值，對(duì)于還沒有進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)，無法獲得地震動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的橋梁抗震設(shè)計(jì)來說尤其重要。

本文通過建立基本烈度、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期與地震動(dòng)峰值加速度之間的聯(lián)系，總結(jié)現(xiàn)行抗震規(guī)范對(duì)于大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定，分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年時(shí)地震動(dòng)峰值加速度的取值方法，計(jì)算不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和重現(xiàn)期下的地震動(dòng)對(duì)峰值加速度，由此確定重現(xiàn)期為1000年和2500年可適用于大跨度懸索橋的反應(yīng)譜值。

1 我國現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

我國現(xiàn)行各類橋梁規(guī)范對(duì)大跨度懸索橋等特殊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期、重現(xiàn)期和地震動(dòng)峰值加速度規(guī)定并不一致，現(xiàn)梳理如下。

（1）依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）[2]，懸索橋抗震設(shè)防類別為甲類，《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的甲類橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 甲類橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1條規(guī)定：對(duì)于甲類橋梁，當(dāng)承受所在地區(qū)的E1和E2地震作用時(shí)，相應(yīng)的地震重現(xiàn)期應(yīng)分別為475年和2500年。但是，《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定甲類橋梁應(yīng)根據(jù)專門的過程場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)確定地震作用，故規(guī)范中沒有關(guān)于甲類橋梁的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的規(guī)定。因此甲類大跨度懸索橋無法依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行反應(yīng)譜分析。

（2）現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）[3]規(guī)定：懸索橋法人抗震設(shè)防類別應(yīng)該為A類，《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的A類橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)如表2所示。

表2 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的A類橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的A類橋梁E1和E2地震作用重現(xiàn)期分別為475年和2000年。

（3）現(xiàn)行《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-05—2015）[4]規(guī)定：懸索橋應(yīng)采用E1、E2兩個(gè)水準(zhǔn)下地震作用進(jìn)行抗震設(shè)防。E1地震作用一般采用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年超越概率為10%的地震動(dòng)；而E2地震作用應(yīng)該采用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年超越概率為4%的地震動(dòng)。E1、E2地震作用所采用的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜應(yīng)進(jìn)行專門的地震安全評(píng)價(jià)，根據(jù)安全評(píng)價(jià)結(jié)果確定相應(yīng)的地震作用。

根據(jù)上述論述可知，雖然《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了甲類橋梁相應(yīng)的E1和E2地震重現(xiàn)期分別為475年2500年，但規(guī)范適用范圍不包括相應(yīng)的反應(yīng)譜值，因此無法用于大跨度懸索橋的抗震設(shè)計(jì)?，F(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的A類橋梁E1和E2地震作用重現(xiàn)期分別為475年和2000年；《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》又規(guī)定懸索橋E1和E2地震作用重現(xiàn)期分別為1000年和2500年。

2 超越概率和重現(xiàn)期的確定

根據(jù)重現(xiàn)期T0與超越概率F（t）的關(guān)系[5]如下。

因此，《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的100年超越概率10%地震動(dòng)的重現(xiàn)期如下。

100年超越概率4%地震動(dòng)的重現(xiàn)期如下。

綜上所述，不同規(guī)范中超越概率和重現(xiàn)期的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 不同規(guī)范中超越概率和重現(xiàn)期的對(duì)應(yīng)關(guān)系

考慮到四川地區(qū)地震多發(fā)，并結(jié)合相關(guān)研究，為確保大跨度橋梁結(jié)構(gòu)安全，本文認(rèn)為，大跨度懸索橋抗震設(shè)計(jì)的地震重現(xiàn)期應(yīng)依據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，E1和E2地震作用重現(xiàn)期分別取為1000年和2500年。

常規(guī)橋梁的抗震設(shè)計(jì)，一般都是參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，即常規(guī)橋梁抗震設(shè)計(jì)所采用反應(yīng)譜的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，超越概率為10%。而對(duì)于大跨度懸索橋，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期多采用100年，設(shè)計(jì)地震波重現(xiàn)期超出了規(guī)范規(guī)定，因此需要通過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期來確立結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和橋梁所在場(chǎng)地的地震動(dòng)參數(shù)（主要是地震動(dòng)峰值加速度）。

3 地震動(dòng)峰值計(jì)算

不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下的地震動(dòng)峰值加速度計(jì)算如下[5-7]。

其中：I0——基本烈度；T——設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期；R——重現(xiàn)期。

考慮到目前多數(shù)橋梁均采用100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，表4為100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下不同重現(xiàn)期下地震動(dòng)峰值加速度。

表4 100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)下不同動(dòng)重現(xiàn)期下地震動(dòng)峰值加速度

相關(guān)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中只給出了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年、超越概率為10%所對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度，因此，本文以50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、超越概率10%下的地震動(dòng)峰值加速度（規(guī)范規(guī)定的基本地震動(dòng)峰值加速度）為基準(zhǔn)值，其他基準(zhǔn)期下不同超越概率的地震動(dòng)峰值加速度采用比值關(guān)系來描述。即定義以下比例系數(shù)k。

不同重現(xiàn)期下地震動(dòng)峰值加速度比值如表5所示。

表5 不同重現(xiàn)期下地震動(dòng)峰值加速度比值

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，繪制以系數(shù)k計(jì)算的475年、1000年和2500年重現(xiàn)期地震反應(yīng)譜（圖1），據(jù)此可進(jìn)行大跨度懸索橋的反應(yīng)譜分析。

圖1 不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜

根據(jù)表5和圖1的計(jì)算結(jié)果及反應(yīng)譜曲線可以進(jìn)行人工地震波的擬合，本文采用SeismoArtif軟件進(jìn)行地震波擬合，得到7條時(shí)程曲線，將所得到的7條地震波時(shí)程曲線的反應(yīng)譜與圖1中2500年重現(xiàn)期反應(yīng)譜曲線的對(duì)比（圖2）。由圖2可知，根據(jù)人工波得到的反應(yīng)譜與計(jì)算得到的反應(yīng)譜吻合良好，由此可根據(jù)人工波進(jìn)行大跨度懸索橋的時(shí)程分析。

圖2 2500年重現(xiàn)期擬合地震波反應(yīng)譜與計(jì)算反應(yīng)譜對(duì)比

4 結(jié)語

（1）現(xiàn)行各類橋梁規(guī)范對(duì)大跨度懸索橋等特殊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期、重現(xiàn)期和地震動(dòng)峰值加速度規(guī)定并不一致。E1和E2地震作用下，大跨度懸索橋抗震設(shè)計(jì)的地震重現(xiàn)期應(yīng)分別取1000年和2500年。

（2）以50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、超越概率10%下的地震動(dòng)峰值加速度（規(guī)范規(guī)定的基本地震動(dòng)峰值加速度）為基準(zhǔn)值，50年、100年、1000年和2500年重現(xiàn)期的反應(yīng)譜值分別為基準(zhǔn)值的0.346倍、0.495倍、1.337倍和1.832倍，以此為基礎(chǔ)可以確定不同設(shè)防水準(zhǔn)下的峰值加速度，該設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)工程可行性研究階段甚至初步設(shè)計(jì)階段具有重要的參考意義。