黃泰烈,朱 敏,陳克堅(jiān),王玉玨,曹凌飛,申愛國(guó)

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031；2.西南交通大學(xué),成都 610081)

地殼運(yùn)動(dòng)使內(nèi)陸板塊之間相互擠壓，結(jié)果造成了規(guī)模不等的斷層，其中一些深大活動(dòng)斷層往往成為孕育大地震的溫床?？v觀我國(guó)近100年地震歷史，很多具有極大破壞性的地震就是在這樣的環(huán)境中發(fā)生的[1-2]，汶川8級(jí)地震是其中的一個(gè)典型代表[3]?！?.12”汶川8級(jí)地震，震區(qū)寶成、德天、成汶、廣岳等多條鐵路受到不同程度的損壞。寶成、德天、成汶鐵路幾天內(nèi)就修復(fù)通車，廣岳鐵路廣漢—木瓜坪段破壞嚴(yán)重，32 d后才修復(fù)通車，震中附近的映秀—汶川公路幾乎全部被損毀，同時(shí)由于崩塌、落石、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害使之修復(fù)困難，部分地段臨時(shí)搶通，很快又因余震及次生災(zāi)害而斷道[4]。從艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路、公路等建筑物搶修情況看，橋梁、隧道等建筑物因建造的場(chǎng)地不同，損毀的程度差別也較大。大量震害資料的統(tǒng)計(jì)也顯示，在地形起伏較大的山區(qū)，房屋、道路、橋梁、隧道等建筑物平均震害程度往往要重于地形較為平緩的地區(qū)[5]。同樣在山區(qū)，在地形地貌特征不同的情況下，相同的建筑也會(huì)顯示出不同的震害程度[6]。

汶川地震的巨大破壞使得人們?cè)僖淮紊羁陶J(rèn)識(shí)到地震對(duì)于交通網(wǎng)絡(luò)造成的威脅。特別是建設(shè)在高烈度艱險(xiǎn)山區(qū)的公路和鐵路橋梁，如何避免或減少地震時(shí)的毀壞，除了在結(jié)構(gòu)上采取防落梁等防震措施以及進(jìn)行支承連接件設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)包括延性設(shè)計(jì)等抗震設(shè)計(jì)外[7-9]，還應(yīng)重視橋梁的總體設(shè)計(jì)，即結(jié)合橋梁附近的地形、地貌、地質(zhì)等場(chǎng)地環(huán)境特點(diǎn)選擇合適的橋位、橋型和跨度，提高山區(qū)惡劣環(huán)境中橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全性。目前我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等有關(guān)抗震規(guī)范僅考慮了基于地質(zhì)特性的場(chǎng)地對(duì)地震烈度的影響，均未考慮地形和地質(zhì)等場(chǎng)地環(huán)境對(duì)地震烈度的影響。《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》在地震危險(xiǎn)性分析中，要求結(jié)合地質(zhì)特征、歷史地震活動(dòng)規(guī)律以及地形條件等，對(duì)工程壽命期內(nèi)場(chǎng)地可能遭遇到最大的地震破壞程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出了分析方法[12]。但未系統(tǒng)地對(duì)山區(qū)典型場(chǎng)地的地震響應(yīng)開展分析。有些科研人員針對(duì)山區(qū)震害異常現(xiàn)象與山區(qū)地形特征之間的關(guān)系展開了一些研究，本文的研究工作也是在這個(gè)方面進(jìn)行的一次新的嘗試。本研究的特點(diǎn)在于針對(duì)不同特征的山區(qū)典型地形建立三維有限元模型、模擬山區(qū)多種特征地形場(chǎng)地、系統(tǒng)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，分析場(chǎng)地環(huán)境對(duì)地震激勵(lì)影響的機(jī)理。

1 場(chǎng)地環(huán)境及研究方法

1.1 場(chǎng)地環(huán)境

指艱險(xiǎn)山區(qū)中以地形地貌和表層覆蓋土為主要特征的局部地址環(huán)境，在場(chǎng)地環(huán)境這個(gè)概念里，“場(chǎng)地”隱含著局部、局限、規(guī)模較小的意思，適用于某一項(xiàng)工程的建設(shè)，而“環(huán)境”則隱含著場(chǎng)地周圍的各類地形地貌、各種厚度和分布形態(tài)的覆蓋土層、地震斷層以及它們的組合。歸納起來，山區(qū)典型的場(chǎng)地環(huán)境如下。

場(chǎng)地環(huán)境一：局部盆狀沉積場(chǎng)地；

場(chǎng)地環(huán)境二：傾斜巖面上覆軟弱沉積層；

場(chǎng)地環(huán)境三：山前孤突山包；

場(chǎng)地環(huán)境四：峽谷；

場(chǎng)地環(huán)境五：山區(qū)凹凸坡面地形。

1.2 研究方法

針對(duì)山區(qū)典型的5種場(chǎng)地環(huán)境，利用三維有限元方法建立三維模型。采用ALGOR分析軟件和Midas/FEA分析模塊，對(duì)其在地震作用下的特殊地震效應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析[10-11]。時(shí)程分析所采用的地震波分別為汶川地震廣元曾家鎮(zhèn)地震記錄(圖1、圖2)和美國(guó)EL Centro地震記錄(圖3、圖4)。

圖1 汶川地震廣元曾家鎮(zhèn)地震記錄

圖2 汶川曾家鎮(zhèn)地震記錄的加速度頻率特性

圖3 美國(guó)EL Centro地震記錄

圖4 EL Centro地震記錄的頻率特性

在建模過程中，考慮在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)邊界范圍取的足夠大時(shí)，采用任何一種邊界條件都可以得到滿意的結(jié)果。因此模型單元邊界均采用自由邊界，底部采用剛性約束。在劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，單元的豎向尺寸一般要滿足下述要求：L豎向≤nλ，式中，L豎向?yàn)閱卧Q向尺寸；λ為輸入地震波在該土層中向上傳播的最小波長(zhǎng)，根據(jù)有關(guān)研究n一般取1/8或1/16，也就是認(rèn)為單元的豎向尺寸小到足以采集最小波長(zhǎng)1/8或1/16點(diǎn)處的數(shù)據(jù)時(shí)，就近似認(rèn)為能夠描述所輸入的波在土層中沿豎向的傳播過程[12-13]。

2 各類場(chǎng)地環(huán)境地震效應(yīng)

限于篇幅，本文就場(chǎng)地環(huán)境一(局部盆狀沉積場(chǎng)地)和場(chǎng)地環(huán)境四(峽谷)兩種場(chǎng)地環(huán)境對(duì)地震激勵(lì)的影響機(jī)理作較詳細(xì)論述。

2.1 場(chǎng)地環(huán)境一(局部盆狀沉積場(chǎng)地)的地震效應(yīng)研究

局部盆狀沉積場(chǎng)地，即盆狀凹陷地形是一種工程中很常見的場(chǎng)地，這種場(chǎng)地對(duì)地震反應(yīng)的影響早已被受關(guān)注。1985年9月19日墨西哥地震，墨西哥城出現(xiàn)了嚴(yán)重的震害，就是由于該城市坐落在一個(gè)很深的沉積盆地上，長(zhǎng)周期地震波與那里橫縱向非均勻的場(chǎng)地介質(zhì)相互作用而使得長(zhǎng)周期地震動(dòng)成分得到顯著放大，而且強(qiáng)震持時(shí)加長(zhǎng)。

為比較分析這種場(chǎng)地土層地震特性，分別擬定寬深不同的盆狀凹陷場(chǎng)地模型，建立3個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，這3個(gè)模型分別為：模型A-1、模型A-2、模型A-3。

模型A-1：長(zhǎng)度為300 m，寬度為150 m，厚度為50 m，凹陷區(qū)域?qū)挾?0 m，深度15 m；

模型A-2：長(zhǎng)度為300 m，寬度為200 m，厚度為50 m，凹陷區(qū)域?qū)挾?0 m，深度15 m；

模型A-3：長(zhǎng)度為1900 m，寬度為1000 m，厚度為360 m，凹陷區(qū)域?qū)挾?00 m，深度150 m。

圖5 模型A-3及地表研究點(diǎn)

在上述3個(gè)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算，輸入圖1和圖2所示的地震波，得到地表各點(diǎn)關(guān)于位移和加速度的地震響應(yīng)過程。模型A-3及地表研究點(diǎn)見圖5，本文僅列出模型A-3位移和加速度的地震響應(yīng)情況，詳見圖6。

圖6 縱向?qū)ΨQ軸上地震位移和地震加速度最大值分布情況

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

從以上有關(guān)圖可以看到，通過對(duì)于局部盆狀沉積場(chǎng)地3個(gè)模型(A-1、A-2、A-3)的地震響應(yīng)模擬分析，獲得了大量有關(guān)盆地周圍及盆地內(nèi)部地震響應(yīng)(包括地表位移、地表加速度和相應(yīng)的頻譜)的計(jì)算數(shù)據(jù)，整理有關(guān)數(shù)據(jù)可繪制成圖。本文就A-3縱向?qū)ΨQ軸上地震位移和地震加速度最大值數(shù)值進(jìn)行整理繪制(圖6)，從圖6可以看到地震位移和地震加速度最大值分布情況。因此，對(duì)A-1、A-2、A-3模型計(jì)算數(shù)據(jù)及圖進(jìn)行對(duì)比分析之后，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)盆狀沉積的深度和體橫向尺度增加時(shí)，盆狀沉積區(qū)域中部的地震反應(yīng)有明顯增大趨勢(shì)。

(2)將盆地內(nèi)部與盆地邊緣地區(qū)的地震反應(yīng)進(jìn)行比較可以看到，盆狀沉積中心附近的地震反應(yīng)(包括地表位移和地表加速度)明顯強(qiáng)于周圍場(chǎng)地的地震反應(yīng)，這說明盆狀沉積軟弱土層對(duì)地震動(dòng)具有明顯的局部放大作用。

(3)通過盆地中心及周圍代表點(diǎn)的地表地震加速度時(shí)程頻域分析可以看到，盆地中心一帶的地表加速度頻率成分較為豐富，因此，更容易對(duì)建造在盆地之上的結(jié)構(gòu)物造成損害。

(4)雖然3個(gè)模型中的盆狀沉積區(qū)域參數(shù)有很大差異，但頻譜分析的結(jié)果都顯示出相同特征，即無論地表位移響應(yīng)還是地表加速度響應(yīng)的頻率成分都主要集中在3Hz以下的范圍，這反映出場(chǎng)地本身的地震響應(yīng)特征不會(huì)隨地震輸入的條件變化而改變。

2.3 場(chǎng)地環(huán)境四(峽谷)的地震效應(yīng)研究

深切峽谷地形通常出現(xiàn)在高原地區(qū)或山區(qū)，目前，我國(guó)修建于深切峽谷之上的大跨度橋梁已經(jīng)很多，如跨越貴州北盤江大峽谷的公路大橋和水柏鐵路大橋以及貴州壩陵河大橋(圖7)。

圖7 貴州水柏鐵路北盤江大橋和壩陵河大橋

(1)3種峽谷模型

從峽谷地形、地貌情況看，峽谷有圓弧底、深切峽谷和寬大峽谷3種地形情況，針對(duì)其特點(diǎn)，建立相應(yīng)3種計(jì)算模型，稱之為峽谷模型D-1、峽谷模型D-2和峽谷模型D-3，本文僅列出寬大峽谷地形，即模型D-3(圖8)。

圖8 峽谷模型D-3以及設(shè)想的3類大跨度橋梁(單位：m)

(2)3種峽谷模型在地震作用下的地表位移和加速度響應(yīng)

分別對(duì)峽谷模型D-1、D-2和D-3，這3種模型開展地震響應(yīng)分析，輸入圖1和圖2所示的地震波，得到地表各點(diǎn)關(guān)于位移和加速度的地震響應(yīng)過程。本文僅列出寬大峽谷(模型D-3)位移和加速度的地震響應(yīng)情況，詳見圖9、圖10。

圖9 兩種地震輸入下6條等高線各點(diǎn)加速度響應(yīng)

圖10 6條等高線上各點(diǎn)的加速度頻譜圖

(3)計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)峽谷模型D-1、D-2和D-3的地震響應(yīng)模擬分析，獲得了大量有關(guān)峽谷地震響應(yīng)(包括地表位移、地表加速度和相應(yīng)的頻譜)的計(jì)算數(shù)據(jù)。整理有關(guān)數(shù)據(jù)可繪制成圖。本文列出了D-3模型中6條等高線上各個(gè)點(diǎn)地震加速度響應(yīng)和頻譜圖(如圖9、圖10)，從圖9、10可以看到地震時(shí)地表各點(diǎn)加速度最大值分布和頻譜特性。因此，對(duì)D-1、D-2、D-3模型計(jì)算數(shù)據(jù)及圖進(jìn)行對(duì)比分析之后，得到如下結(jié)論。

①峽谷的頂端、崖壁或山坡面及峽谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由該點(diǎn)位的高度所決定，峽谷頂部的地震位移和地震加速度要比峽谷底部大很多。因此在這種地形中修建橋梁時(shí)，當(dāng)橋墩基礎(chǔ)的高程具有明顯差異時(shí)，將造成不同橋墩產(chǎn)生不同強(qiáng)度的響應(yīng)，因此，既有可能造成不同橋墩出現(xiàn)不同程度的破壞，也有可能因?yàn)楦鱾€(gè)橋墩的墩頂位移不一致而導(dǎo)致梁體墜落。

②3個(gè)模型給出的峽谷頂部、崖壁上或陡坡坡面處以及峽谷底部的位移時(shí)程和加速度時(shí)程的頻譜存在較大的差異。但從分析結(jié)果可以看到，3個(gè)峽谷模型峽口一帶的地震響應(yīng)在1～4 Hz會(huì)出現(xiàn)明顯的放大效應(yīng)。因而在峽谷上進(jìn)行大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理提高大跨度橋梁的抗震設(shè)防水平，從而提高大跨度橋梁的抗震安全性。

3 場(chǎng)地環(huán)境地震響應(yīng)特點(diǎn)和抗震設(shè)計(jì)建議

3.1 場(chǎng)地環(huán)境地震響應(yīng)特點(diǎn)

通過山區(qū)典型5類場(chǎng)地環(huán)境三維模型的地震響應(yīng)模擬分析，得到了一系列有關(guān)地震位移、地震加速度以及頻譜分布方面的計(jì)算成果，將成果中各類場(chǎng)地環(huán)境的頻譜分布匯總在圖11中。從圖11中可以看到：雖然在進(jìn)行三維模型地震響應(yīng)分析時(shí)，分別采用了2個(gè)差異很大的地震波，但地震響應(yīng)的頻譜卻非常接近，這充分顯示了每一類地形的頻率特性。它們具有以下顯著特點(diǎn)。

圖11 5類場(chǎng)地模型中典型點(diǎn)位的地震加速度時(shí)程的頻譜分布

(1)第一類：地形1和地形2的地震響應(yīng)頻譜不僅與其他地形地震響應(yīng)頻譜具有明顯的不同，而且這兩種地形的頻譜還具有較高的相似，主要分布在1～4 Hz的范圍，并且在1～3 Hz呈現(xiàn)出明顯的峰值。

(2)第二類：地形3的地震響應(yīng)頻譜具有明顯的特征。首先，雖然模型C-1和模型C-2中高聳部位的高度不同，但相同部位所表現(xiàn)出的頻譜分布具有極為相似的峰值特征；其次，地形3的頻譜與其他地形頻譜雖然都表現(xiàn)出峰值，其頻譜的分布范圍和峰值位置具有明顯的差異，這種差異充分表達(dá)出兩類地形的差異。

(3)第3類和第4類：地形4和地形5的頻譜完全不同于地形1、地形2和地形3的頻譜，它們之間的頻譜既有相似性，也有差異。相似性在于地形4和地形5的頻譜均沒有明顯的峰值且分布比較均勻；差異在于兩者的分布范圍有很大不同。

3.2 不同類型場(chǎng)地環(huán)境下的抗震設(shè)計(jì)建議

(1)場(chǎng)地環(huán)境一(盆狀沉積軟弱土層)：盆狀沉積軟弱土對(duì)地震波具有明顯的局部放大作用，并且當(dāng)沉積的深度和體橫向尺度增加時(shí)，盆狀沉積區(qū)域中部的地震反應(yīng)有明顯增大趨勢(shì)，并且盆地中心一帶的地表加速度頻率成分較為豐富。因此，更容易對(duì)建造在盆地之上的結(jié)構(gòu)物造成損害，因此在選擇橋位時(shí)盡量躲避這樣的場(chǎng)地環(huán)境，特別避免將橋墩設(shè)置盆狀沉積區(qū)域中部。

(2)場(chǎng)地環(huán)境二(傾斜巖面上覆土層)：在基底傾斜且上覆較厚沉積土的區(qū)域內(nèi)，無論地表的位移響應(yīng)還是加速度響應(yīng)均較基巖出露的區(qū)域強(qiáng)烈很多，此外，地震最大響應(yīng)在土層中局部位置被強(qiáng)烈放大為峰值，在另外一些點(diǎn)附近則被抑制為低谷。因此，必須充分重視地震的異常效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)盡量將結(jié)構(gòu)建造在基巖出露或基巖埋深較淺的區(qū)域。

(3)場(chǎng)地環(huán)境三(山前孤突山包)：山前孤突山包頂部及附近點(diǎn)的加速度峰值較周圍點(diǎn)要大很多，并且各點(diǎn)地震響應(yīng)時(shí)程所包含的頻率成分也差別極大，山包頂部一帶的結(jié)構(gòu)震害較其他部位要強(qiáng)烈很多，而山坳里的結(jié)構(gòu)震害會(huì)輕很多。因此，在這種環(huán)境中進(jìn)行建設(shè)時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)必須充分重視不同位置的地震加速度響應(yīng)的差異。

(4)場(chǎng)地環(huán)境四(深切峽谷)：峽谷的頂端、崖壁或山坡面及峽谷底部的地震位移最大值和地震加速度最大值主要由該點(diǎn)位的高度所決定，峽谷頂部的地震位移和地震加速度要比峽谷底部大很多，峽谷模型峽口一帶的地震響應(yīng)在1～4 Hz之間會(huì)出現(xiàn)明顯的放大效應(yīng)。所以，在峽谷上進(jìn)行大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理提高大跨度橋梁的抗震設(shè)防水平，同時(shí)控制橋梁的基本頻率，消除與坡面地震共振現(xiàn)象，從而提高大跨度橋梁的抗震安全性。

(5)場(chǎng)地環(huán)境5(凹凸坡面地形)：在山腰一帶，山坳里的地震響應(yīng)(包括位移響應(yīng)和加速度響應(yīng))比山脊表面的地震響應(yīng)要強(qiáng)烈很多；而在坡面較高的位置，則表現(xiàn)出山脊表面的地震響應(yīng)較山坳里的地震響應(yīng)要強(qiáng)。根據(jù)坡面上部分典型點(diǎn)處的地震響應(yīng)頻譜分析，無論在山坳里或是在山脊上，其頻譜分布特征基本一致，只不過山坳里的頻譜強(qiáng)度較山脊上要強(qiáng)。因此，這類地形地震響應(yīng)復(fù)雜，且地震時(shí)還伴著落石、滑坡等次生災(zāi)害，建議盡量繞避這類場(chǎng)地環(huán)境，避免震害發(fā)生。

4 結(jié)語

通過對(duì)山區(qū)場(chǎng)地環(huán)境：盆狀沉積軟弱土層、傾斜巖面上覆土層、山前孤突山包、深切峽谷、凹凸坡面5類場(chǎng)地環(huán)境，分別建立三維模型，得出了5類場(chǎng)地環(huán)境有關(guān)地震時(shí)地表位移、地震加速度以及頻譜分布響應(yīng)特點(diǎn)。針對(duì)特點(diǎn)，提出如下設(shè)計(jì)建議：在選擇橋位時(shí)盡量躲避盆狀沉積軟弱土層、凹凸坡面場(chǎng)地環(huán)境，特別避免將橋墩設(shè)置盆狀沉積區(qū)域中部。在峽谷上進(jìn)行大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理提高大跨度橋梁的抗震設(shè)防水平，同時(shí)控制橋梁的基本頻率，消除與坡面地震共振現(xiàn)象，以及重視傾斜巖面上覆土層、山前孤突山包、凹凸坡面場(chǎng)地環(huán)境中不同位置的地震加速度響應(yīng)的差異。開拓了對(duì)艱險(xiǎn)山區(qū)常見的場(chǎng)地環(huán)境地震響應(yīng)的研究手段，深化了對(duì)高烈度山區(qū)場(chǎng)地環(huán)境對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全影響的認(rèn)識(shí)。

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