桥梁结构动力时程分析法天然地震波的选择

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510006)

进入21世纪以来,随着我国经济建设的迅速发展，全国各地桥梁的建设都呈现出大规模的趋势，特别是一些欠发达的中西部地区，将是未来桥梁建设的主要阵地，而这些地区很多都是高烈度震区，因此非线性问题愈加突出，使得传统的反应谱法已经不能很好的计算桥梁在地震下的响应。

时程分析方法是将现有地震台站所采集的实际天然地震动记录或者人工拟合的地震波直接加载到结构上，带入动力方程后对结构进行积分，从而得到结构在任意时刻的地震动反应，该方法能很好的考虑结构非线性问题。

然而，由于地震灾害和工程结构本身均具有强烈的随机性和不确定性[1]，输入不同的地震波，结构反应可能千差万别，因此要保证时程分析结果的合理性,必须合理选择输人地震波。正确的选择输入的天然地震波需要满足地震动三要素的要求,即峰值、频谱特征和持时,并使地震动三要素和选择的地震波数量要满足现行桥梁抗震设计规范或地震安全性评价中经土层反应分析得到相应结果的相关要求[2]。

一、合理选取地震波需要考虑的因素

不同的桥梁由于其动力特性、场地类别及所处震区的差异，适合特定桥梁所需要的天然地震波也是不同的。因此，应综合考虑各方面的因素来选择合理的地震波进行时程分析。一般而言，地震波的合理选择应考虑以下几个因素[3]；

1)地震持时。持续时间的定义可分为两大类，一类是以地震动幅值的绝对值来定义的绝对持时，即指地震地面加速度值大于某值的时间总和，即绝对值|a(t)|>k*g的时间总和，k常取为0.05；另一类为以相对值定义的相对持时，即最先与最后一个k*amax之间的时段长度，k一般取0.3～0.5。不论实际的天然地震记录还是人工模拟波形，所选地震波持续时间应不小于桥梁基本周期的5～10倍。

2)频谱特性。频谱特性可用地震影响系数曲线表征，依据所处的场地类别和设计地震分组确定，简单的说两者的特征周期Tg值应接近或相同。

3)峰值加速度。峰值加速度反映了地震的强度，在其他条件都相同的前提下，峰值加速度越大，地震对结构的破坏程度也就越大。因此，应将地震记录的峰值与规范规定相接近作为选波的控制条件之一，要求输人结构的地震波峰值加速度应与设防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相当。

4)地震波数量。输人地震波数量太少,不足以保证时程分析结果的合理性;输人地震波数量太多,则工作量较大。在充分考虑地震动三要素的情况下,采用3条地震波可基本保证时程分析结果的合理性。

二、工程实例

某公路桥梁桥跨为变截面悬浇预应力混凝土连续刚构钢筋混凝土等截面连续箱梁，全桥长 167.08 m，宽 12 m，设计荷载等级为公路I级。桥址位于8度设防区，地震动峰值加速度为0.2g，场地类别为Ⅰ类，地震动反应谱特征周期 0.40s结构阻尼比为0.05。

(一)确定目标反应谱。选择地震波的基本原则是要求现有记录的地震反应谱与场地设计反应谱相一致。根据我国《公路桥梁抗震细则》[4]，阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱S由下式确定：

式中Tg为特征周期，T为结构自振周期，Smax水平设计加速度反应谱最大值。

根据《公路桥梁抗震细则》中的相关参数计算E1 地震作用(中震，常遇地震，50 年 5%的超越概率)桥梁结构的水平设计加速度反应谱如图1所示。

图1 水平设计加速度反应谱

图2 三条地震波与规范反应谱对比

(二)天然地震波的选取。根据我国《公路桥梁抗震细则》及美国抗震规范都建议采用 3 条或 7 条地震波进行抗震时程分析，采用 3 条地震波时取其响应的最大值为代表值。根据上述选波原则和要素，从PEER中选取3条符合场地条件的地震波如表1，图2为所选地震波拟合的反应谱和与规范反应谱对比。

表1 地震记录参数

由图2 可知，三条地震波的反应谱与规范反应谱在短周期和中长周期都有较好的匹配，可反映规范设计谱的频谱特性，因此所选择的三条天然地震波合理。E2 地震作用下的地震动输入可通过 E1 地震动调幅获得。

三、结论

本文总结了桥梁抗震时程分析法中合理选择地震波需要考虑的因素和原则，并结合具体工程实例，阐述了合理选择地震波的流程和方法。在对具体桥梁进行时程分析时，应该根据其实际情况，选择适合该桥梁地震时程分析所需要的地震波。目前，合理选择地震波的问题依旧是桥梁抗震设计中的热点，同时也是难点，它是对桥梁进行动力时程分析的基础，也是客观评价桥梁抗震性能并对其进行合理的抗震设计的基础。