楊偉林　陶小三　瞿紅梅

摘要：以建于深厚軟弱場(chǎng)地上的某大跨徑橋梁為例，研究了不同地震動(dòng)強(qiáng)度下場(chǎng)地的地震動(dòng)特征、地震動(dòng)的空間效應(yīng)以及不同沖刷工況下場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)的差異，分析了深厚軟弱場(chǎng)地特定地震動(dòng)效應(yīng)對(duì)大橋安全性的影響，提出了工程建設(shè)不同階段大橋的地震安全對(duì)策。

關(guān)鍵詞：深厚軟弱場(chǎng)地；地震動(dòng)效應(yīng)；大跨徑橋梁；地震安全對(duì)策

中圖分類號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0046-07

0 引言

城市橋梁是重要的生命線工程，在城市抗震減災(zāi)中的地位十分突出。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)San Fernado M6.6地震、Loma Prieta M7.0地震、Northridge M6.7地震、日本阪神M7.2城市直下型地震及我國(guó)唐山M7.8地震、臺(tái)灣集集M7.6地震等，都對(duì)城市橋梁造成了比較大的破壞（劉恢先，1986；劉聰桂，陳文山，2000；EERI，1990，1995；Priestley et al；1995出國(guó)赴日地震考察團(tuán)，1995），即使是中等強(qiáng)度的地震，也往往會(huì)導(dǎo)致作為城市交通樞紐的橋梁產(chǎn)生較大的破壞。

近20年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國(guó)家及地方有足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力興建大型橋梁工程。對(duì)濱江市而言，大型跨江大橋是城市重要的交通通道，也是重要的生命線工程。這些城市過(guò)江通道，多數(shù)采用大跨徑斜拉橋或懸索橋，具有塔高、跨徑大、自振周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，是交通工程中的核心工程，地震時(shí)一旦遭到破壞，不僅工程本身的功能喪失，還將嚴(yán)重影響救災(zāi)工作，導(dǎo)致巨大的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失。由于沿江、沿海地區(qū)，第四紀(jì)覆蓋層往往厚達(dá)數(shù)十米、數(shù)百米甚至超過(guò)千米，且軟弱土層較厚。深厚軟弱場(chǎng)地地震動(dòng)的特點(diǎn)是長(zhǎng)周期地震動(dòng)分量相對(duì)豐富（胡聿賢，1988；謝禮立等，1991）。對(duì)大地震的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，地震波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播的衰減、深厚軟弱土層的濾波和放大后，特定長(zhǎng)周期段的地震動(dòng)分量比較突出，表現(xiàn)為地震加速度反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段較現(xiàn)行規(guī)范要高出很多（楊偉林，2003a）。特別是工程結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地的地震動(dòng)卓越周期相同或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振或類共振現(xiàn)象，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞性極大。1985年9月19日墨西哥M8.1地震中墨西哥城數(shù)百棟高層建筑遭到破壞就是典型的實(shí)例（胡聿賢，1988；劉大海等，1993；Andersm et al，1985）。

對(duì)橋梁的地震安全對(duì)策，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過(guò)許多研究（Priestley et al，1996；范立礎(chǔ)，1997；劉鑫，2013），但往往是從橋梁抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)抗震、減震措施方面研究橋梁的地震安全對(duì)策，鮮見對(duì)工程建設(shè)不同階段進(jìn)行系統(tǒng)的地震安全對(duì)策研究。

本文以建于深厚軟弱場(chǎng)地上的某大跨徑橋梁為例，在充分研究工程所處的地震環(huán)境基礎(chǔ)上，進(jìn)行場(chǎng)址地震危險(xiǎn)性分析，并針對(duì)上覆軟弱土層較厚和沖刷較為突出的特點(diǎn)，輸入長(zhǎng)周期地震動(dòng)分量較為豐富的地震波進(jìn)行場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析，研究了不同地震動(dòng)強(qiáng)度下自由場(chǎng)和不同層位的地震動(dòng)特征、地震動(dòng)的空間效應(yīng)、沖刷對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)的影響等，提出大橋工程建設(shè)不同階段的地震安全對(duì)策。

1 場(chǎng)地特點(diǎn)

大橋橋位區(qū)屬長(zhǎng)江三角洲沖積平原地貌，地勢(shì)平坦開闊。北岸地面標(biāo)高相對(duì)較低，為2～3m；南岸地面標(biāo)高3～4m，同屬長(zhǎng)江低漫灘。橋位區(qū)水下地形因江心洲發(fā)育，形成深槽與沙洲間互展布、主支汊深淺不同及寬度多變的復(fù)雜地貌。橋位處江面寬5.7～5.9km，中間為主航道，水深超過(guò)10m的水面寬約2km，水深超過(guò)20m的水面寬約1.2km。橋位區(qū)最大水深達(dá)40m以上。

橋位區(qū)第四紀(jì)地層較厚。根據(jù)工程場(chǎng)地鉆探、物探成果，橋位區(qū)上覆土層厚度變化較小，沿橋軸線總體上為北薄南厚，北岸及水域部分北端厚275～300m，其它地段厚度較為穩(wěn)定，為310～320m，局部可達(dá)330～340m。

大橋工程場(chǎng)地為Ⅳ類場(chǎng)地，屬于典型的深厚軟弱場(chǎng)地。根據(jù)工程場(chǎng)地19個(gè)鉆孔的土層彈性波速原位測(cè)試（測(cè)試深度110～138m），剪切波速達(dá)500m·s^-1的土層的深度超過(guò)100m。按下式統(tǒng)計(jì)回歸各類土的剪切波速隨土層深度的變化關(guān)系：式中，V_S為土層的剪切波速，單位m·s^-1；日為深度，單位m；a、b為回歸系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表1。

2 場(chǎng)地地震動(dòng)特征

2.1 自由場(chǎng)地震動(dòng)特征

根據(jù)波速實(shí)測(cè)結(jié)果，將地下120m處土層作為地震動(dòng)輸入界面。在場(chǎng)址區(qū)地震危險(xiǎn)性分析基礎(chǔ)上，合成滿足地震動(dòng)三要素的基巖地震動(dòng)加速度時(shí)程，并根據(jù)工程場(chǎng)地土動(dòng)力性能試驗(yàn)和波速實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行場(chǎng)地土層的地震反應(yīng)分析。每個(gè)水準(zhǔn)采用多條地震動(dòng)輸入，結(jié)果取其平均值。

在50～5000a地震重現(xiàn)期范圍內(nèi)，橋位區(qū)自由基巖面及場(chǎng)地地表的地震動(dòng)峰值加速度見表2。

不同地震重現(xiàn)期時(shí)，各場(chǎng)點(diǎn)不同層位地震動(dòng)峰值加速度沿高程的變化特征為：場(chǎng)地地表的峰值加速度最大，在土層中迅速衰減至地表峰值加速度的2/3～1/2，至樁尖處約為地表的1/2。

圖1為5%阻尼比時(shí)計(jì)算得到的6個(gè)地震重現(xiàn)期的場(chǎng)地地震相關(guān)反應(yīng)譜與《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）反應(yīng)譜的比較。結(jié)果表明：地震重現(xiàn)期為50～100a時(shí)，兩者反應(yīng)譜較為接近；地震重現(xiàn)期為500～1000a時(shí)，場(chǎng)地地震相關(guān)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分明顯變大；地震重現(xiàn)期為2500～5000a時(shí)，地表的地震動(dòng)峰值加速度在0.15～0.20g之間，由于地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大和橋位區(qū)上覆厚度較大的軟弱土層，地震時(shí)土體剛度將明顯軟化，加上厚軟土層對(duì)高頻地震動(dòng)的濾波作用，地震動(dòng)長(zhǎng)周期分量變得相對(duì)突出，表現(xiàn)在反應(yīng)譜曲線形狀上就是在反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分形成突出的尖峰（一個(gè)或多個(gè)）。在墨西哥地震和我國(guó)臺(tái)灣集集地震中，軟土場(chǎng)地實(shí)際地震記錄的反應(yīng)譜具有相似的特征。

因此，深厚軟弱場(chǎng)地的地震反應(yīng)譜與現(xiàn)行城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜的差異是明顯的，特別是罕遇地震時(shí)，兩者在長(zhǎng)周期段存在較大的差別。對(duì)于建在深厚軟弱場(chǎng)上的結(jié)構(gòu)自振周期較長(zhǎng)的城市大跨徑橋梁來(lái)說(shuō)，要抗御大地震破壞，實(shí)現(xiàn)工程抗震設(shè)防目標(biāo)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行專門研究。

2.2 局部沖刷對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)的影響

特大型跨江大橋橋墩附近的沖刷十分突出，已有的研究成果表明，最大沖刷深度可達(dá)20m以上。當(dāng)采用高樁承臺(tái)方案時(shí)，場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)的變化對(duì)橋體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響十分敏感，因此需要對(duì)不同的沖刷條件下特大型城市跨江大橋場(chǎng)地的地震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行深入研究。

考慮到大橋主塔墩的沖刷最為突出，選擇主墩位置進(jìn)行沖刷對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)的影響進(jìn)行研究。主塔墩的沖刷最大深度為22.49m，沖刷前后場(chǎng)地地震動(dòng)對(duì)比見圖2。從圖中可看出，沖刷前后場(chǎng)地淺部地震動(dòng)存在較大差異。對(duì)高樁基礎(chǔ)，在橋梁抗震計(jì)算中應(yīng)充分考慮沖刷的影響，確定對(duì)橋梁抗震的最不利工況。

2.3 場(chǎng)地地震動(dòng)的空間效應(yīng)

城市大跨徑橋梁往往采用沉井基礎(chǔ)或采用大型群樁基礎(chǔ)。沉井基礎(chǔ)剛度大、抗震性能好，但綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)等因素，該大跨橋梁仍采用大型群樁基礎(chǔ)。采用有限元法進(jìn)行地震反應(yīng)分析（SASSI2000），考慮大橋橋墩-群樁-土體的動(dòng)力相互作用，研究大型群樁基礎(chǔ)時(shí)的場(chǎng)地地震動(dòng)的空間效應(yīng)。計(jì)算中采用簡(jiǎn)化模型，土體采用平面四邊形等參單元模擬，樁體采用梁?jiǎn)卧M，索塔承臺(tái)采用剛體塊單元模擬，鋼筋混凝土索塔簡(jiǎn)化成等效質(zhì)量作用于承臺(tái)上?？紤]到地震波在介質(zhì)中散射和反射，為減小邊界效應(yīng)影響，土體兩側(cè)邊界寬度分別取基礎(chǔ)寬度的5倍。模型中樁與土的接觸面處滿足位移協(xié)調(diào)條件。群樁簡(jiǎn)化為33根等效樁，按照梁?jiǎn)卧紤]。二維計(jì)算有限元網(wǎng)格劃分結(jié)點(diǎn)共計(jì)5932個(gè)，其中土體單元5700個(gè)、樁單元1551個(gè)、剛體塊單元1個(gè)。對(duì)于每個(gè)土體單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，即水平和豎向平動(dòng)；對(duì)樁單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，即2個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；剛體塊單元同樣具有2個(gè)平動(dòng)和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。地震動(dòng)輸入界面為地下120m處，該層位土層剪切波速已達(dá)500m/s。在場(chǎng)址區(qū)地震危險(xiǎn)性分析基礎(chǔ)上，合成滿足地震動(dòng)三要素的基巖地震動(dòng)加速度時(shí)程，作為地震動(dòng)輸入，每個(gè)水準(zhǔn)采用3條地震動(dòng)輸入，結(jié)果取其平均值。

二維場(chǎng)地地震反應(yīng)分析結(jié)果表明：由于大橋橋墩一群樁一土體動(dòng)力相互作用的影響，同高程處的樁體高頻地震動(dòng)突出，加速度反應(yīng)峰值較自由場(chǎng)加速度峰值反應(yīng)增大，但長(zhǎng)周期部分則小于自由場(chǎng)?？紤]群樁效應(yīng)時(shí)，在同一高程處地震動(dòng)頻譜特性與自由場(chǎng)相比有顯著的差別，加速度反應(yīng)峰值差異也較大，地震動(dòng)空間效應(yīng)明顯（楊偉林等，2003b）。因此，對(duì)建于深厚軟弱場(chǎng)地的城市大跨徑橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，宜研究采用大型群樁基礎(chǔ)時(shí)體系動(dòng)力相互作用效應(yīng)的影響。

3 場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)的影響

大橋主橋采用雙塔斜拉橋，主塔為倒Y形鋼筋混凝土索塔，塔高約300m。通過(guò)分析主橋的自振特性可知：主跨部分橋面的自振周期在10s以上；主塔的一階豎彎、側(cè)彎及塔、梁彎曲耦合的周期為3.26～2.15s；其一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)與反扭轉(zhuǎn)的周期為1.3～2.0s。

根據(jù)對(duì)應(yīng)6個(gè)地震重現(xiàn)期的場(chǎng)地地表加速度反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)500～5000a地震重現(xiàn)期的場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜在0.6～2.4s范圍內(nèi)的譜值均較大，這對(duì)主塔的振動(dòng)影響較大。在橋體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮這一具體地震環(huán)境和深厚軟弱場(chǎng)地所產(chǎn)生的特定地震動(dòng)效應(yīng)的影響，確保大橋工程安全。

4 地震安全對(duì)策

城市大跨徑橋梁工程投資及社會(huì)影響大，工程的地震安全是大橋設(shè)計(jì)、施工及建成后運(yùn)營(yíng)階段必須要考慮的問(wèn)題。進(jìn)行大橋工程的地震安全對(duì)策研究，并在工程建設(shè)中有針對(duì)性地采取措施，對(duì)大橋工程尤為重要。

4.1 工程可行性研究階段

在工程規(guī)劃階段，工程選址是工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。大跨徑橋梁如建于抗震不利甚至危險(xiǎn)的地段，地震引起的山崩、滑坡、地陷以及地面變形等對(duì)橋體結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)施將直接構(gòu)成危害，尤其是若工程建設(shè)未避開活斷層，地震時(shí)將帶來(lái)災(zāi)難性的后果。1995年1月17日日本阪神7.2級(jí)地震中，尚未完工的明石海峽大橋（懸索橋，主跨1990m）淡路島一側(cè)的主塔墩位移1.3m，錨碇位移1.4m，致使主跨增長(zhǎng)0.8m，對(duì)工程建設(shè)造成極大影響。

因此，在大跨徑橋梁建設(shè)中一定要注重選址，避開活斷層等對(duì)工程地震安全性影響較大的危險(xiǎn)地段和抗震不利地段，對(duì)工程場(chǎng)址的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行充分研究，對(duì)近場(chǎng)區(qū)尤其是橋位區(qū)的晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂對(duì)擬建橋梁的影響進(jìn)行研究，充分論證所選工程場(chǎng)地的穩(wěn)定性及建設(shè)大跨徑橋梁的適宜性。

4.2 工程設(shè)計(jì)階段

4.2.1 確定安全、經(jīng)濟(jì)、合理的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)地震的發(fā)生是小概率事件，但其破壞性極大，工程抗震設(shè)防是抵御地震破壞的重要措施。建設(shè)工程設(shè)防水準(zhǔn)偏低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力不足，是國(guó)內(nèi)外歷次地震中建（構(gòu)）筑物遭到破壞的主要原因之一。但限于經(jīng)濟(jì)等原因，對(duì)所建設(shè)工程也不能采取很高的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，其抗震設(shè)防既要保證橋梁工程有足夠的地震安全性，又要兼顧經(jīng)濟(jì)這一準(zhǔn)則。在城市特大型橋梁工程建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)其功能、重要性及所允許承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究，對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式可采用不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，使全橋的抗震設(shè)防安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

4.2.2 充分研究深厚軟弱場(chǎng)地地震動(dòng)效應(yīng)

深厚軟弱場(chǎng)地遭遇強(qiáng)震時(shí)場(chǎng)地的地震動(dòng)效應(yīng)，取決于橋址所處的地震環(huán)境和場(chǎng)地條件。上覆軟弱土層對(duì)高頻地震動(dòng)的濾波及對(duì)一定范圍長(zhǎng)周期地震動(dòng)分量的放大，使長(zhǎng)周期地震動(dòng)得到增強(qiáng)，場(chǎng)地地震動(dòng)的特點(diǎn)是長(zhǎng)周期地震動(dòng)分量相對(duì)豐富。因此即使是遠(yuǎn)場(chǎng)大震，雖然其地震波傳遞到橋址下部基巖面時(shí)地震動(dòng)較小，但到達(dá)場(chǎng)地地表后也可能成為對(duì)大跨徑橋梁安全影響較大的強(qiáng)震動(dòng)。城市大跨徑橋梁建于深厚軟弱場(chǎng)地時(shí)，需充分考慮大橋工程所處的地震環(huán)境，特別是區(qū)域范圍內(nèi)高震級(jí)潛在震源的影響，在地震危險(xiǎn)性分析基礎(chǔ)上研究深厚軟弱場(chǎng)地的地震動(dòng)效應(yīng)，為工程抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

4.2.3 充分研究場(chǎng)地地震動(dòng)長(zhǎng)周期特征

現(xiàn)行橋梁規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜僅給到6～10s，而城市大跨徑橋梁的第一周期往往超過(guò)10s，特別是深厚軟弱場(chǎng)地的地震動(dòng)效應(yīng)研究和一些典型的實(shí)際地震紀(jì)錄加速度反應(yīng)譜表明，其與現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期部分差異較大。直接采用規(guī)范譜有應(yīng)用上的局限，往往偏不安全。應(yīng)根據(jù)城市大跨徑橋梁所處的地震環(huán)境及工程場(chǎng)地條件研究不同設(shè)防水準(zhǔn)下的地震動(dòng)長(zhǎng)周期特征，確定長(zhǎng)周期反應(yīng)譜用于大橋工程的抗震設(shè)計(jì)。