水运工程结构水平向地震作用分析——论水运工程地震动参数的正确取用

刘少聪，冯海波

(中交四航局港湾工程设计院有限公司,广东 广州 510290)

随着社会经济技术进步，人类对地震和地震破坏的认识越来越深入，对地震安全的要求越来越高。强制性国家标准GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》(即第五代区划图，简称《区划图》)于2016年6月实施，标准取消了不设防地区，在附录中将地震动参数明确到乡镇，全国设防参数整体上有一定的提高。《区划图》是涉及抗震设防要求的基础性标准。其他有关建设工程的抗震设防下游标准也应依此进行修改和调整，以达到《中华人民共和国防震减灾法》中所要求的“衔接”[1]。

水运行业现行JTS 146—2012《水运工程抗震设计规范》(简称《水运抗规》)有关地震动参数基于第四代区划图(GB 18306—2001)，目前还未针对《区划图》作相应修订。根据《水运抗规》5.1.2条条文说明，水平向地震系数KH和设计反应谱曲线目前采用中国科学院工程力学研究所1973年的研究成果[2]，在一定程度上与社会经济发展和科技进步要求不相称。

掌握和理解地震动参数是抗震设计的基本要求，然而实际工程中，从岩土工程勘察到工程设计，地震动参数误用的情况时有发生。违反《区划图》即构成了违反《中华人民共和国防震减灾法》。因此，正确理解和使用地震动参数十分重要。本文分析《水运抗规》水平向地震系数和动力放大系数在水运工程抗震设计中的意义，根据《区划图》规定，对考虑场地影响的水平向地震系数和动力放大系数正确取值给出了建议。

1 《区划图》变化对行业抗震设计规范的影响

《区划图》的主要变化：1)考虑场地条件影响，地震动峰值加速度作调整。原规定只根据场地条件调整加速度反应谱特征周期，即单参数调整改为双参数调整。2)提出了“4级地震作用”及其地震动参数的比例系数，增加了极罕遇地震动参数的要求，对防止极端地震造成重大人员伤亡有重要作用。3)《区划图》F.1条，明确反应谱放大系数β=2.5[3]。在第四代区划图里已经提到反应谱放大系数β=2.5[4]，根据强震动观测记录统计分析和国际相关规范，反应谱放大系数取2.5或更大值更合理[5]。

《区划图》的5.1、5.2、6.1、7.1、8.2、附录A、附录B、附录C为强制性条文，其余为推荐性条文，《区划图》8.1条考虑场地类别对地震动峰值加速度amax的调整非强制要求。《区划图》自实施以来，部分行业抗震设计规范已做了解释和修订。

在《区划图》颁布之前，GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[6]5.2.1条和5.2.2条，考虑场地设计地震动加速度反应谱动力放大系数最大值βm=2.5和场地类别对地震动峰值加速度amax的调整。

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(简称《建筑抗规》)3.3.2条和3.3.3条，考虑场地类别的影响，Ⅰ类场地降低抗震构造措施，Ⅲ、Ⅳ类场地提高抗震构造措施[7]。如果同时考虑场地类别对地震动峰值加速度amax的调整，将重复提高抗震要求。因此《建筑抗规》2016年局部修订时，并未修订场地对地震动峰值加速度amax的调整。

NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》3.0.2条规定：“对依据GB 18306《中国地震动参数区划图》确定其设防水准的水工建筑物，对一般工程应取该图中其场址所在地区的地震动峰值加速度的分区值，按场地类别调整后，作为设计水平向地震动峰值加速度代表值”[8]。

GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》3.0.2条规定：“各类水工建筑物的抗震设防水准应以经场地类别调整后的平坦地表设计烈度和水平向设计地震动峰值加速度代表值表征。”3.0.3条规定：“对依据现行国家标准GB 18306《中国地震动参数区划图》确定其设防水准的水工建筑物，一般工程应取该图中其场址所在地区的地震动峰值加速度的分区值作为水平向设计地震动峰值加速度代表值”[9]。

GB/T 51336—2018《地下结构抗震设计标准》3.1.3条规定：“地下结构的抗震设防应分为多遇地震、基本地震、罕遇地震和极罕遇地震4个设防标准。”5.1.3条规定：“场地的地表水平向峰值加速度应乘以场地地震动峰值加速度调整系数”[10]。

以上现行行业抗震设计规范，除了《建筑抗规》，都考虑了场地类别对地震动峰值加速度amax的调整。《水运抗规》目前尚未修订，《区划图》作为地震动参数的基础性规范，是各行业抗震规范地震动参数的主要依据，从水运工程抗震设计发展的趋势，建议尽快修订，以便与《区划图》更好衔接。

2 水平向地震系数和动力放大系数的意义和沿革

根据1974年《海港码头结构设计手册》，水平地震力为：

P=ma=(W/g)a=KW

(1)

式中：地震水平加速度与重力加速度的比值即为水平地震系数 K[11]，与抗震设防烈度存在一一对应的关系;P为地震惯性力；m为结构质量；W为结构重力；a为地震水平加速度。

1978年9月《水运工程水工建筑物抗震鉴定标准》颁发试行，在该标准基础上颁布了JTJ 201—1987《水运工程水工建筑物抗震设计规范》，1999年6月实施JTJ 225—1998《水运工程抗震设计规范》，2012年3月实施JTJ 146—2012《水运工程抗震设计规范》。水平向地震系数的变化见表1。

表1 水平向地震系数KH的变化

对于同一类场地土及同一种结构形式与断面的水工建筑物，在外荷载相同的条件下，地震惯性力P应是定值，即动力放大系数β与综合影响系数C的乘积应不变[12]。综合影响系数C值，包含了结构的弹塑性影响、岸坡影响、上部结构扭转影响及动土压力(即由于地震作用所增加的那部分土压力)、动水压力影响等。这些影响的理论研究尚不成熟，难以分别给出合理的系数，目前只能分析震害实例，给出一个综合值。为了便于工程抗震设计，采用设计反应谱来计算地震作用，设计反应谱曲线的变化见图1。

图1 设计反应谱曲线的变化

JTJ 225—1998版规范修订，设计反应谱由3条改为4条，由I、Ⅱ、Ⅲ类场地改为I、II、Ⅲ、IV类场地，设计反应谱形状由原来Tg/T改为(Tg/T)0.9。JTJ 146—2012版规范修订设计反应谱的表达形式将原来的4条合并为1条，并将自振周期延长至6.0 s。假定设计地震分组第1组，结构自振周期T=0.5 s，动力放大系数变化见表2。

表2 动力放大系数β的变化

整体上看，特别是I、Ⅱ类场地，动力放大系数β随着规范的发展逐步提高。各版规范中综合影响系数C的规定基本不变，因此水平向地震作用也得到提高。

根据《水运抗规》3.2.4条和5.1.2条可以得出以下结论：1)地震作用只考虑设防地震(基本地震)作用。2)水平向地震系数KH和设计基本地震加速度amax一一对应，即KH=amax/g。3)不同场地类别对水平地震作用的影响，是根据场地类别调整特征周期Tg，再调整动力放大系数β。即：场地类别⟹特征周期Tg⟹动力放大系数β。

3 水平向地震作用的对比分析

《水运抗规》的水平向地震作用考虑综合影响系数C的折减，与《建筑抗规》的多遇地震作用相当。假定7度0.1g地区，设计地震分组第1组，场地类别为Ⅱ类，Tg=0.35 s；建筑物自振周期为T=0.5 s，换算质点总重力标准值W或结构等效总重力荷载为Geq。根据《水运抗规》5.2.1条和《建筑抗规》5.2.1条分别计算水平向地震作用，并做对比。

根据《水运抗规》：

根据《建筑抗规》：

在结构条件同等的情况下，《水运抗规》设防地震下的水平向地震作用低于《建筑抗规》多遇地震下的水平向地震作用，FEk多遇/PH=1.2。

4 场地类别对水平向地震系数KH的影响

水运工程一般位于河海沿岸，场地条件往往较差。根据场地条件对地震动峰值加速度进行调整，该规定的实施对确保我国沿海港湾、沉积平原和内部古湖泊等Ⅲ类场地条件地区的地震安全具有重大意义[13]。

按照《区划图》双参数调整的规定，《水运抗规》不同场地类别对水平向地震作用的影响：1)场地类别⟹地震动峰值加速度amax⟹水平向地震系数KH。2)场地类别⟹特征周期Tg⟹动力放大系数β。即场地类别不仅会影响动力放大系数β，也影响水平向地震系数KH。

不同场地类别的水平向地震系数KH计算流程：1)查《区划图》附录C或图A.1，确定Ⅱ类场地的基本地震动峰值加速度amaxⅡ;2)查《区划图》表E.1，得到场地地震动峰值加速度调整系数Fa，考虑不同场地类别的调整amax场地类别=FaamaxⅡ/g;3)KH场地类别=amax场地类别/g。

计算实例：7度0.1g地区，即amaxⅡ=0.10g，场地类别为Ⅲ类时的设计基本地震加速度amaxⅢ。已知amaxⅡ=0.10g，查表E.1，FaⅢ=1.25 ，amaxⅢ=FaⅢamaxⅡ=0.125 0g，KHⅢ=amaxⅢ/g=0.125 0。

不同场地类别的水平向地震系数KH见表3。

表3 不同场地类别的水平向地震系数KH

表3中，Ⅱ类场地的水平向地震系数KH与《水运抗规》一致。《区划图》场地地震动峰值加速度调整系数Fa的范围为0.72～1.30。Fa的规律是amaxⅡ越大调整越小，场地条件越差调整越大(但Ⅳ类场地比Ⅲ类场地调整小)。

5 动力放大系数的取值

根据《区划图》F.1条，基于《区划图》的地震动峰值加速度和加速度反应谱特征周期确定地震动反应谱曲线时，反应谱放大系数β应取为2.5。现行《建筑抗规》和《水运抗规》反应谱放大系数β取为2.25，增大(2.5-2.25)/2.25=11%。应用《区划图》的规定，《水运抗规》KHβ的变化范围约为1.11Fa=1.11×(0.72～1.3)=0.80～1.44，对水平向地震作用具有较大的影响。

从强震动观测记录统计分析结果和其他国家和地区规范的规定，反应谱放大系数β取值不小于2.5。建筑工程的高层建筑高度较大，水平地震作用往往起控制作用。水利工程水工建筑物一般体积大，需要考虑坝体-地基-库水体系相互作用。而水运工程码头结构有自身的特点，如高桩码头一般由桩基、上部结构和接岸结构组成，需要考虑岸坡、动土压力、动水压力等因素，地震作用有所不同。如何提高抗震设计要求和确定相关参数，须统计水运工程码头结构震害，作进一步深入的试验研究和计算分析。

6 结论

1)《水运抗规》与《区划图》的要求存在较大差距，建议进一步完善《水运抗规》的设防标准、地震动参数，实现与上一级和同级别抗震设计规范的相关要求合理衔接，以适应社会经济发展和防灾减灾的新要求。

2)《水运抗规》水平向地震系数和动力放大系数的理论依据落后，水平向地震作用低于《建筑抗规》，建议提高抗震设防能力，以满足水运工程不断发展的需要。

3)建议水运工程中考虑场地类别对地震动峰值加速度amax的调整，不同场地类别的水平向地震系数KH见表3。

4)近年来场地条件对地震动影响的研究有了较大的进展，建议动力放大系数β取为2.5，对水平向地震作用的相关参数作进一步研究。

5)水运工程结构抗震设计中，需要密切注意上述问题，合理确定抗震设防标准，正确选用地震动设计参数，确保结构抗震安全。