近断层竖向地震的特征及对川藏铁路连续梁桥的影响分析

王 勇

(中铁三局集团有限公司, 山西 太原 030000)

0 引言

川藏铁路拉萨至林芝段为例,该线路紧邻冈底斯—拉萨地块与喜马拉雅地块之间的雅鲁藏布江缝合带.根据最新调查及研究资料,仅该段线路穿越的活动断裂带多达18条,邻近的活动断裂带3条,历史记载以来发生7.0级以上地震多达8次,5.5～7.0级地震多达15次.

在一般的抗震设计或分析中常不考虑竖向地震动的影响,事实上,忽略竖向地震动的影响是非常不合理的[1],国内外部分强震地震波实录结果表明,竖向地震动的分量不容忽视[2];越来越多的专家学者也逐渐意识到抗震分析中忽略竖向地震动的作用是偏于不安全的.

近断层区域始终没有一个比较公认的定义,一般来说,将在断层破裂面20 km以内的区域作为近断层区域[3-4].目前,国内国外针对近断层竖向地震动的研究比较缺少,抗震设计中对于竖向地震动的考虑也是比较粗略,常常是规定竖向地震动是水平地震动的1/2～2/3[5],然而,研究发现这一比值和震级、震中距、周期等因素有着非常密切的关系[5-9].近断层地震的竖向振动会对大跨度桥梁的上部结构以及施工临时结构带来非常不利的影响,因此,本文以川藏线为依托,对近断层竖向地震动的特征及对桥梁等结构的影响进行分析.

1 近断层竖向地震动特征分析

1.1 数据源

本文所分析的地震动记录数据都来自于美国太平洋地震工程中心(PEER)强地面运动数据库、中国国家强震动台网中心和四川省地震局提供的部分数据.从这些国内外地震动数据中,选取震源距20 km内的震级大于里氏5级,加速度大于0.1g,断层距小于20 km的具有竖向加速度的地震动作为研究对象,共选取255组,其中部分地震记录如表1所示.

根据这255组数据可总结出:竖向与水平向峰值加速度比值V/H小于1/2的有51条,约占20%,V/H大于2/3的149条,约占58.43%,V/H大于1/2,小于2/3的55条,约占21.57%.可见在断层距为0～20 km区域内有一半多的竖向与水平向峰值加速度比值超过了一般抗震设计规范中规定的2/3.如图1所示.

表1 选取的部分主要地震记录

1.2 竖向地震动记录统计分析

根据震级、场地、震源机制对竖向地震动记录进行了统计分类,数据分布情况见表2.

图1 V/H分布

1.3 竖向与水平向加速度峰值比V/H分析

竖向和水平向加速度峰值比V/H指的是每条地震记录中竖向地震动加速度峰值与水平向地震动加速度峰值的比值(文中以下均简称为加速度峰值比),其中,水平向加速度峰值取南北及东西两方向地震动峰值的数学平均值.图2～5分别为加速度峰值比与震级、断层类型、剪切波速、断层类型的关系.

表2 震级、场地、震源机制分类数量统计 次

图2 加速度峰值比V/H与震级的关系

图3 加速度峰值比V/H与断层类型的关系

图4 加速度峰值比V/H与剪切波速的关系

图5 加速度峰值比V/H与断层距的关系

由图2可以看出:在(Ms5～Ms6.2)时,加速度峰值比随震级的增大而增加;在(Ms6.2～Ms8)时,加速度峰值比随震级增大而减小.由图3可以看出加速度峰值比与断层类型没有明显的规律.由图4可以看出:大约在剪切波速为0～570 m/s范围内,加速度峰值比随剪切波速的增大而减小;在剪切波速570～660 m/s范围内,加速度峰值比随剪切波速的增大而增大;在剪切波速大于660 m/s范围内,加速度峰值比随剪切波速的增大而减小.由图5可以看出:加速度峰值比V/H随断层距的分布比较离散,有增有减,存在一定的波动,但总体看来断层距在10～15 km范围内存在一个峰值,在此峰值对应的断层距以内加速度峰值比随断层距的增大而增大,在此峰值对应的断层距到断层距为20 km时,加速度峰值比随断层距的增大而减小.

不同震级范围加速度峰值比与断层距和剪切波速的关系如图6～8所示.

图6 5～6级加速度峰值比V/H与断层距、 剪切波速的关系

图7 6～7级加速度峰值比V/H与断层距的关系

由图5可以看出:5～6级地震加速度峰值比与断层距的关系拟合为先增大后减小,再增大后减小的折线关系;与剪切波速的关系拟合为随剪切波速的增大而减小的线性关系.由图6可以看出:6～7级地震加速度峰值比与断层距呈现出先增大而后减小的关系;与剪切波速的关系不明显.由图7可以看出:7～8级地震加速度峰值比与断层距的关系不明显,与剪切波速的关系不明显.

图8 7～8级加速度峰值比V/H与断层距的关系

2 竖向地震动对铁路连续梁桥墩的影响分析

竖向地震动会使桥梁的反应程度与破坏程度显著增大,在桥墩中会产生不断变化的轴力,在桥台与基础内同样会产生非常大的内力.本文以(32+48+32) m的连续梁桥为例,采用有限元软件Midas Civil建立连续梁桥的有限元模型,选取了Chi-Chi地震CHY080台站的水平和竖向地震动记录进行时程分析,通过不断变化中间2座桥墩的高度,研究竖向地震动作用对不同高度桥墩的影响,分析不考虑施工阶段预应力及恒载和活载的影响.

模型中2号桥墩和3号桥墩的高度从9.55 m开始,一直增加到29.55 m结束,墩高每增加5 m作为1个模型,共5个模型,其中2号墩为固定墩.分析模型如图9所示.

图9 分析模型

采用2种不同的输入方式考虑竖向地震动对桥梁结构的影响.考虑横桥向和纵桥向地震记录输入(简称为双向输入),同时考虑2个水平向地震动和竖向地震分量的输入方式,这2种输入方式下均考虑桥梁自重作用.竖向地震加速度时程如图10所示.

图10 集集地震CHY080台站竖向地震加速度时程

地震动的加速度峰值的取值,应根据设防烈度不同而定,水平输入地震动的峰值按地震烈度分为7度、8度和9度进行峰值的调整,即把最大水平加速度峰值调整为0.1g、0.2g和0.4g,竖向分量按照0.1×(V/H)、0.2×(V/H)和0.4×(V/H).

在烈度为8度,即加速度峰值为0.2g作用下,桥墩的动力时程响应,包括墩底弯矩、墩底剪力、墩顶位移如表3～6所示.

表3 8度时2号桥墩纵桥向地震响应墩底弯矩统计结果

表4 8度时2号桥墩纵桥向地震响应墩底剪力统计结果

表5 8度时2号桥墩纵桥向地震响应墩顶水平位移 统计结果

表6 8度时2号桥墩纵桥向地震响应墩底轴力统计结果

由表6可以看出:三向输入和双向输入时2号桥墩轴力的差值非常大,随着桥墩高度的增加,轴力增加的非常明显,说明竖向地震动对固定墩轴力的影响非常大,桥墩越高影响越大,而轴力过大,易引起桥墩的破坏.

3 结论及川藏线桥梁施工的建议

1) 在断层距为0～20 km范围内有很大一部分的竖向与水平向峰值加速度比超过了抗震设计规范中规定的比值,即2/3,也就是说川藏线近断层区域,竖向地震动简单的取为水平地震动的2/3是不合理,偏于不安全的.

2) 随着墩高的增加,桥墩内力和位移都不同程度的增加,而且增加的幅度越来越大,竖向分量对2号固定墩墩底弯矩、墩底剪力、墩顶水平位移的影响很小,对3号活动墩墩底弯矩、墩底剪力、墩顶水平位移没有影响.但竖向分量不论对固定墩轴力的影响还是非固定墩轴力的影响都非常大,容易引起桥墩受压破坏.

3) 现有规范及设计中忽略近断层竖向地震动是极为不安全的.尤其是川藏铁路跨越多处断层,地质构造复杂,断裂褶皱发育,新构造运动活跃,地震活动强烈,较大的竖向地震动会对桥梁结构产生较大的影响甚至破坏.近断层桥梁结构设计上建议考虑竖向地震动的影响,桥梁施工中诸如支托架、挂篮等施工临时结构的设计上也建议适当考虑竖向地震动的影响,避免造成较大的经济损失.