近斷層豎向地震的特征及對(duì)川藏鐵路連續(xù)梁橋的影響分析

王 勇

(中鐵三局集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030000)

0 引言

川藏鐵路拉薩至林芝段為例,該線路緊鄰岡底斯—拉薩地塊與喜馬拉雅地塊之間的雅魯藏布江縫合帶.根據(jù)最新調(diào)查及研究資料,僅該段線路穿越的活動(dòng)斷裂帶多達(dá)18條,鄰近的活動(dòng)斷裂帶3條,歷史記載以來(lái)發(fā)生7.0級(jí)以上地震多達(dá)8次,5.5～7.0級(jí)地震多達(dá)15次.

在一般的抗震設(shè)計(jì)或分析中常不考慮豎向地震動(dòng)的影響,事實(shí)上,忽略豎向地震動(dòng)的影響是非常不合理的[1],國(guó)內(nèi)外部分強(qiáng)震地震波實(shí)錄結(jié)果表明,豎向地震動(dòng)的分量不容忽視[2];越來(lái)越多的專家學(xué)者也逐漸意識(shí)到抗震分析中忽略豎向地震動(dòng)的作用是偏于不安全的.

近斷層區(qū)域始終沒有一個(gè)比較公認(rèn)的定義,一般來(lái)說(shuō),將在斷層破裂面20 km以內(nèi)的區(qū)域作為近斷層區(qū)域[3-4].目前,國(guó)內(nèi)國(guó)外針對(duì)近斷層豎向地震動(dòng)的研究比較缺少,抗震設(shè)計(jì)中對(duì)于豎向地震動(dòng)的考慮也是比較粗略,常常是規(guī)定豎向地震動(dòng)是水平地震動(dòng)的1/2～2/3[5],然而,研究發(fā)現(xiàn)這一比值和震級(jí)、震中距、周期等因素有著非常密切的關(guān)系[5-9].近斷層地震的豎向振動(dòng)會(huì)對(duì)大跨度橋梁的上部結(jié)構(gòu)以及施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)帶來(lái)非常不利的影響,因此,本文以川藏線為依托,對(duì)近斷層豎向地震動(dòng)的特征及對(duì)橋梁等結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析.

1 近斷層豎向地震動(dòng)特征分析

1.1 數(shù)據(jù)源

本文所分析的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)都來(lái)自于美國(guó)太平洋地震工程中心(PEER)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心和四川省地震局提供的部分?jǐn)?shù)據(jù).從這些國(guó)內(nèi)外地震動(dòng)數(shù)據(jù)中,選取震源距20 km內(nèi)的震級(jí)大于里氏5級(jí),加速度大于0.1g,斷層距小于20 km的具有豎向加速度的地震動(dòng)作為研究對(duì)象,共選取255組,其中部分地震記錄如表1所示.

根據(jù)這255組數(shù)據(jù)可總結(jié)出:豎向與水平向峰值加速度比值V/H小于1/2的有51條,約占20%,V/H大于2/3的149條,約占58.43%,V/H大于1/2,小于2/3的55條,約占21.57%.可見在斷層距為0～20 km區(qū)域內(nèi)有一半多的豎向與水平向峰值加速度比值超過(guò)了一般抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的2/3.如圖1所示.

表1 選取的部分主要地震記錄

1.2 豎向地震動(dòng)記錄統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)震級(jí)、場(chǎng)地、震源機(jī)制對(duì)豎向地震動(dòng)記錄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類,數(shù)據(jù)分布情況見表2.

圖1 V/H分布

1.3 豎向與水平向加速度峰值比V/H分析

豎向和水平向加速度峰值比V/H指的是每條地震記錄中豎向地震動(dòng)加速度峰值與水平向地震動(dòng)加速度峰值的比值(文中以下均簡(jiǎn)稱為加速度峰值比),其中,水平向加速度峰值取南北及東西兩方向地震動(dòng)峰值的數(shù)學(xué)平均值.圖2～5分別為加速度峰值比與震級(jí)、斷層類型、剪切波速、斷層類型的關(guān)系.

表2 震級(jí)、場(chǎng)地、震源機(jī)制分類數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次

圖2 加速度峰值比V/H與震級(jí)的關(guān)系

圖3 加速度峰值比V/H與斷層類型的關(guān)系

圖4 加速度峰值比V/H與剪切波速的關(guān)系

圖5 加速度峰值比V/H與斷層距的關(guān)系

由圖2可以看出:在(Ms5～Ms6.2)時(shí),加速度峰值比隨震級(jí)的增大而增加;在(Ms6.2～Ms8)時(shí),加速度峰值比隨震級(jí)增大而減小.由圖3可以看出加速度峰值比與斷層類型沒有明顯的規(guī)律.由圖4可以看出:大約在剪切波速為0～570 m/s范圍內(nèi),加速度峰值比隨剪切波速的增大而減小;在剪切波速570～660 m/s范圍內(nèi),加速度峰值比隨剪切波速的增大而增大;在剪切波速大于660 m/s范圍內(nèi),加速度峰值比隨剪切波速的增大而減小.由圖5可以看出:加速度峰值比V/H隨斷層距的分布比較離散,有增有減,存在一定的波動(dòng),但總體看來(lái)斷層距在10～15 km范圍內(nèi)存在一個(gè)峰值,在此峰值對(duì)應(yīng)的斷層距以內(nèi)加速度峰值比隨斷層距的增大而增大,在此峰值對(duì)應(yīng)的斷層距到斷層距為20 km時(shí),加速度峰值比隨斷層距的增大而減小.

不同震級(jí)范圍加速度峰值比與斷層距和剪切波速的關(guān)系如圖6～8所示.

圖6 5～6級(jí)加速度峰值比V/H與斷層距、 剪切波速的關(guān)系

圖7 6～7級(jí)加速度峰值比V/H與斷層距的關(guān)系

由圖5可以看出:5～6級(jí)地震加速度峰值比與斷層距的關(guān)系擬合為先增大后減小,再增大后減小的折線關(guān)系;與剪切波速的關(guān)系擬合為隨剪切波速的增大而減小的線性關(guān)系.由圖6可以看出:6～7級(jí)地震加速度峰值比與斷層距呈現(xiàn)出先增大而后減小的關(guān)系;與剪切波速的關(guān)系不明顯.由圖7可以看出:7～8級(jí)地震加速度峰值比與斷層距的關(guān)系不明顯,與剪切波速的關(guān)系不明顯.

圖8 7～8級(jí)加速度峰值比V/H與斷層距的關(guān)系

2 豎向地震動(dòng)對(duì)鐵路連續(xù)梁橋墩的影響分析

豎向地震動(dòng)會(huì)使橋梁的反應(yīng)程度與破壞程度顯著增大,在橋墩中會(huì)產(chǎn)生不斷變化的軸力,在橋臺(tái)與基礎(chǔ)內(nèi)同樣會(huì)產(chǎn)生非常大的內(nèi)力.本文以(32+48+32) m的連續(xù)梁橋?yàn)槔?采用有限元軟件Midas Civil建立連續(xù)梁橋的有限元模型,選取了Chi-Chi地震CHY080臺(tái)站的水平和豎向地震動(dòng)記錄進(jìn)行時(shí)程分析,通過(guò)不斷變化中間2座橋墩的高度,研究豎向地震動(dòng)作用對(duì)不同高度橋墩的影響,分析不考慮施工階段預(yù)應(yīng)力及恒載和活載的影響.

模型中2號(hào)橋墩和3號(hào)橋墩的高度從9.55 m開始,一直增加到29.55 m結(jié)束,墩高每增加5 m作為1個(gè)模型,共5個(gè)模型,其中2號(hào)墩為固定墩.分析模型如圖9所示.

圖9 分析模型

采用2種不同的輸入方式考慮豎向地震動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響.考慮橫橋向和縱橋向地震記錄輸入(簡(jiǎn)稱為雙向輸入),同時(shí)考慮2個(gè)水平向地震動(dòng)和豎向地震分量的輸入方式,這2種輸入方式下均考慮橋梁自重作用.豎向地震加速度時(shí)程如圖10所示.

圖10 集集地震CHY080臺(tái)站豎向地震加速度時(shí)程

地震動(dòng)的加速度峰值的取值,應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度不同而定,水平輸入地震動(dòng)的峰值按地震烈度分為7度、8度和9度進(jìn)行峰值的調(diào)整,即把最大水平加速度峰值調(diào)整為0.1g、0.2g和0.4g,豎向分量按照0.1×(V/H)、0.2×(V/H)和0.4×(V/H).

在烈度為8度,即加速度峰值為0.2g作用下,橋墩的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng),包括墩底彎矩、墩底剪力、墩頂位移如表3～6所示.

表3 8度時(shí)2號(hào)橋墩縱橋向地震響應(yīng)墩底彎矩統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 8度時(shí)2號(hào)橋墩縱橋向地震響應(yīng)墩底剪力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 8度時(shí)2號(hào)橋墩縱橋向地震響應(yīng)墩頂水平位移 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 8度時(shí)2號(hào)橋墩縱橋向地震響應(yīng)墩底軸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表6可以看出:三向輸入和雙向輸入時(shí)2號(hào)橋墩軸力的差值非常大,隨著橋墩高度的增加,軸力增加的非常明顯,說(shuō)明豎向地震動(dòng)對(duì)固定墩軸力的影響非常大,橋墩越高影響越大,而軸力過(guò)大,易引起橋墩的破壞.

3 結(jié)論及川藏線橋梁施工的建議

1) 在斷層距為0～20 km范圍內(nèi)有很大一部分的豎向與水平向峰值加速度比超過(guò)了抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的比值,即2/3,也就是說(shuō)川藏線近斷層區(qū)域,豎向地震動(dòng)簡(jiǎn)單的取為水平地震動(dòng)的2/3是不合理,偏于不安全的.

2) 隨著墩高的增加,橋墩內(nèi)力和位移都不同程度的增加,而且增加的幅度越來(lái)越大,豎向分量對(duì)2號(hào)固定墩墩底彎矩、墩底剪力、墩頂水平位移的影響很小,對(duì)3號(hào)活動(dòng)墩墩底彎矩、墩底剪力、墩頂水平位移沒有影響.但豎向分量不論對(duì)固定墩軸力的影響還是非固定墩軸力的影響都非常大,容易引起橋墩受壓破壞.

3) 現(xiàn)有規(guī)范及設(shè)計(jì)中忽略近斷層豎向地震動(dòng)是極為不安全的.尤其是川藏鐵路跨越多處斷層,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂褶皺發(fā)育,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,地震活動(dòng)強(qiáng)烈,較大的豎向地震動(dòng)會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響甚至破壞.近斷層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上建議考慮豎向地震動(dòng)的影響,橋梁施工中諸如支托架、掛籃等施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上也建議適當(dāng)考慮豎向地震動(dòng)的影響,避免造成較大的經(jīng)濟(jì)損失.