震源机制对海底地震动及跨海桥梁地震反应的影响

陈宝魁,王伟伟,胡思聪*,曲春绪,戴新超

(1.南昌大学工程建设学院,江西 南昌 330031;2.大连理工大学建设工程学部,辽宁 大连 116024)

随着对震源机制的深入了解,其对地震动特性的影响逐步被重视。震源机制是指震源区在地震发生时的力学过程。目前判别地震震源机制常用的方法之一是P波初动法,首先通过地表垂直向地震仪记录P震相的初始振动方向,其中压缩P波是台站下场地受到突然的挤压,体积发生微量缩小,将其记为正号,膨胀P波为台站下场地的体积发生微量增大,记为负号,然后以震源中心为某一球心,作一足够小球面(震源球面),将大量台站记录的P震相的初始振动方向用正负号绘制在该球面上,最后通过2个节面将震源球面上的正负号分成4个部分,即四象限。这种方法存在需要一次地震事件同时被多个台站捕捉到数据和需要区分哪个界面为断裂面的缺陷。

近年来研究人员对地震的震源机制进行了大量研究。一方面集中于研究其构造应力场及其发震构造方面的分析[1-2],郑思远[3]将国内分散的历史震源机制解作了规范化的整理,并用Python中的网络框架Tornado建立一个公开的震源机制解数据库平台。关于震源机制的另一方面研究是针对其对地震动特性的影响,如俞言祥等[4]发现倾滑型地震的竖向分量长周期成分比走滑型地震更为丰富,而走滑型地震的水平向分量加速度反应谱长周期谱值高于正断层型地震的谱值;此外,董娣等[5]发现震源机制不仅影响反应谱峰值大小以及峰值位置,还在一定程度上影响反应谱的形状。由于震源机制对地震动特性的影响显著,很多学者已经将震源机制作为一个影响因素纳入地震动预测公式。Bommer等[6]为将震源机制作为一个影响因素纳入地震动预测公式,分析对比并提出了震源机制的定义方法;刁桂苓等[7]通过分析宁河2次地震动衰减,发现其所表现出的近场受震源机制控制,远场和传播路径、场地条件相关的结果,具有普遍意义;Zhao等[8]为提高地震动预测方程的准确度,提出了一种包含震源机制的地震分类方法;Podili等[9]也将震源机制作为一个参数建立了高阶的地震动预测方程。为进一步了解不同震源机制地震动对结构的影响差异,杜永峰等[10]通过状态空间法建立隔震层的线弹性反应谱,发现当结构自振周期小于4 s时,震源机制对结构反应谱影响最大。之后在对近断层脉冲型地震动进行分析时发现场地类别和震源机制不同,地震动强度指标与结构响应的相关程度不同,因此在进行近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构地震反应分析时,建议考虑结构所在场地及地震动的震源机制后采用不同地震动强度指标来选择和调整地震动输入[11];罗全波等[12]通过分析近断层速度脉冲与震源机制的关系,得出震源机制的不同会引起速度脉冲的差异,对于走滑断层,方向性效应引起的速度脉冲主要集中在垂直于断层走向的分量上,滑冲效应引起的速度脉冲集中在平行于断层走向的分量上;对于倾向滑动断层,方向性效应和滑冲效应引起的速度脉冲叠加在一起出现在垂直于断层走向的分量上,但只是研究了震源机制对近断层含脉冲地震动特性的影响。

目前在震源机制对地震动特性影响的研究上基本都是针对陆地地震动,且关于震源机制对地震动特性的影响并没有定论。由于海底强震地震动数据量不足,导致对震源机制于海底地震动影响的研究十分有限。现有研究主要集中于对比分析海底和陆地地震动特性的差异,如陈宝魁等[13-14]利用日本K-net和美国SEMS台网的记录发现海底地震动的竖向与水平加速度反应比谱与陆地地震动的差异很大,在小于1 s的中短周期段海底地震动的比谱明显更小;周越[15]发现海底场地地震动含有丰富的长周期成分,主要集中于大于0.5 s的长周期和超长周期段内,震中距越近的地震动在反应谱的短周期段幅值段表现越高,震中距越远在长周期段反应越大。Zhang等[16]通过对比K-net台网中的海底和陆地地震动特性,发现对于加速度时程中加速度从峰值降到谷底的时间Tpt以及跨度Apt,在水平和竖向上,海底地震动的Tpt都大于陆地地震动,而Apt只是在水平向海底地震动更大,而且海底地震动竖向的谱的带宽参数ε也更大,但都未考虑震源机制对其的影响。谭景阳等[17]基于K-net海底地震动,发现震源类型主要影响地震动弹性反应谱的长周期段,但并未对各震源类型海底地震动特性做深入对比,并且未对比其对结构物的影响差异。近年来,随着我国海洋结构物的快速发展,其抗震研究显得愈发重要,因此对海底地震动特性的研究将十分必要。

基于上述原因,本文选取K-net台网搜集的实测海底强震记录,按照震源机制判别原理将其分为逆断层、正断层和走滑断层,按照震级与震中距信息将记录分组,仅中场中震分组中逆断层和走滑断层记录的数量与分布具有统计分析价值。此外,由于传统反应谱分析方法在对比海底地震动震源机制的分析中存在局限性,本文建立了不同震源机制下的d-v-a三联谱,对比发现走滑断层和逆断层在中场中强震的地震动特性存在明显差异。

为进一步确定不同震源机制海底地震动对跨海桥梁等海洋结构物抗震分析的影响,本文选取不同震源机制的实测记录作为地震激励荷载,分析某跨海桥梁引桥段连续隔震梁桥的地震反应,对比发现跨海桥梁在走滑断层地震作用下结构响应更加明显,总结本研究的分析结果,将进一步提高海洋结构物地震反应分析的精度,为其抗震设计提供重要参考。

1 海底地震动的选取与分类

本文使用的海底实测记录,均选自日本K-net(Kyoshin Network)强震台网中的6个海底台站KNG201～KNG206(台站信息见表1)。K-net台网由1 000多个台站组成,相邻台站间相隔不超过25 km。本文所选用K-net台网中的原始强震记录,均采用Boore等[18-19]提出的方法对原始数据进行滤波和基线调整处理,用Butterworth四阶非因果过滤器对原始记录进行过滤,滤波频带为0.1～25 Hz[20],以保证得到的海底实测地震动数据主要信息不丢失。

表1 K-net海底台站信息表

本文震源机制是通过P轴和T轴的倾入角来进行判别[21-22]逆断层、正断层和走滑断层。同时可以辅助前倾角确定分类,即当前倾角与水平线角度介于-30°和30°之间定为走滑断层;当前倾角介于30°和-150°之间定为逆断层;当前倾角介于-30°和-150°之间定为正断层。为了研究震源机制对海底地震动的影响,将海底地震动按震源机制进行分类,划分为逆断层、正断层和走滑断层3种[23]。本文主要研究震源机制对海底地震动特性的影响,需要减少其他因素对地震动特性影响,主要的影响因素包括震级、震中距、震源机制、传播路径、场地特性以及局部场地地形。由于海底场地信息的空缺,本文不考虑后3种因素的影响。研究对震源机制分类后的强震记录按震级和震中距再次分类。由于现有海底记录有限,无法按照陆地强震记录震级与震中距的经验分组,因此本文按照海底地震动数据的特点,将记录进一步分组如下。震级分组:中震(4.5～5.9),中强震(6.0～6.9),强震(≥7.0);震中距:近场(0～50 km),中场(51～100 km),远场(101～200 km),具体分类数据如表2。

表2 海底地震动数据分类表

2 地震动反应谱对比

本节首先分别针对逆断层和走滑断层地震动的加速度、速度和位移反应谱进行比较研究。由于伪速度谱在高频时接近真实速度谱,而且它可以很好地衡量结构的耗能特性,同时伪加速度谱在低阻尼时接近真实加速度谱值,可以衡量结构上的最大作用力的大小,所以之后也对比了这2种震源机制地震动的三联谱特性差异。

2.1 逆断层和走滑断层反应谱对比

本文选取了逆断层和走滑断层中场中震地震事件,对其平均反应谱进行分析验证。由图1的加速度a平均反应谱可以看出走滑断层的水平向和竖向加速度反应谱值在中长周期段都大于逆断层,两者水平向大约在0.23 s之后差距明显,而竖向则在1.03 s左右;走滑断层和逆断层在周期(T)0.33 s之前水平向速度v反应谱值接近,但在0.33 s之后呈现较大差距(约2倍),而两者在周期小于2.36 s时,逆断层竖向速度反应谱值远大于走滑断层,在周期大于2.36 s之后,走滑断层竖向速度反应谱值逐渐大于逆断层,如图2所示;对于位移反应谱值d,两者呈现的趋势大致相同,走滑断层在中长周期段都远大于逆断层的位移反应谱值,见图3。综合分析可以发现走滑断层下中场中震海底地震动对中长周期结构的影响较逆断层更大。

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2.2 不同震源机制下d-v-a三联谱的比较

由于海洋结构物的自振周期和阻尼比差异性都很大,由反应谱的对比结果可以发现走滑断层在中、长周期段反应谱值较其他2类更大,且分析研究发现峰值速度(PGV)和峰值位移(PGD)对中、长周期结构的结构动力响应影响更大[24],传统反应谱法主要分析峰值加速度(PGA)的影响,一定程度上会影响中、长周期结构地震动的输入水平。基于此,本研究将通过自编编程分析不同分组地震的d-v-a三联谱[25]特性,分析不同震源机制下海底地震动的相关特性。

对于弹性系统,当时间间隔较短时,采用精确方法(基于激励插值法)计算反应谱的精度较高[26-27]。其运动方程可以表示为:

(1)

(2)

把式(2)代入式(1)中,可得:

(3)

可算出式(3)在时间ti≤t≤ti+1内的解为:

(4)

式中:c1和c2为积分常数,可通过边界条件求得,将其代入式(4),且将t=ti+1代入式(4),可得:

(5)

将式(5)对时间积分,并令t=ti+1,可得:

(6)

式(5)和式(6)中的8个系数的取值主要取决于系统的频率、刚度和阻尼比。由此我们就可以得到系统在每个时间点的反应,也就可以得到相对应的反应谱。而对于地震动,它的位移反应谱、伪速度反应谱和伪加速度反应谱都含有一定相同的信息[26],通过代数运算可将其表达为

(7)

式中:Tn为体系固有周期。

此后对式(7)的等式两边都取对数处理,可得

lga=lgv+lgω

(8)

lgd=lgv-lgω

(9)

从上面的公式可以看出,这些谱的对数与频率的对数之间存在简单的线性关系,d-v-a三联谱就可以反映在图形上。

本文选取了走滑断层和逆断层的中震记录绘制它们在不同阻尼比下的平均d-v-a三联谱对比,如图4所示。从图中可以看出,逆断层和走滑断层的地震反应谱值在中、长期存在明显差异。在周期小于约0.4 s时,逆断层和走滑断层下的地震动谱值相似。然而当周期大于0.4 s后,走滑断层的地震动位移反应谱、拟速度反应谱和拟加速度反应谱的值明显大于逆断层。值得注意的是,走滑断层的地震动长周期分量更为显著,走滑断层的速度敏感区长度也远长于逆断层,即在相同条件下,中长期走滑断层的地震动比逆断层的地震动具有更大的能量,可引起更大的墩底剪力等。

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3 跨海桥梁地震反应

根据上文的分析结果,发现逆断层和走滑断层的中场中震地震动特性在中长周期段差异明显。而且从三联谱的比较中可以发现,走滑断层地震动的伪速度谱值要高于逆断层,表明走滑断层地震动作用下桥梁结构的支座耗能可能更高。同时走滑断层地震动的伪加速度谱值也高于逆断层,表明走滑断层地震动作用下桥梁结构所承受的最大作用力可能更大。为了进一步验证逆断层和走滑断层地震动对结构物的影响是否存在明显分别,本节分别选取4组逆断层和走滑断层中场中震海底强震记录,作为三向地震输入荷载输入某跨海桥梁模型中,对比分析桥梁结构地震反应的差异,确定不同震源机制海底地震动对跨海桥梁的影响。

3.1 工程背景及数值模型

本文以港珠澳大桥引桥段连续梁桥作为工程背景,该桥段为深水区非通航孔连续梁桥,全长13.89 km,采用了单墩整幅梁,110 m等跨布置。净空高度20 m、宽度85 m,通航吨级为500 t。抗震设防标准定义的工作状态120年,极限状态600年,结构完整性状态2 400年,地震基本烈度为Ⅶ度。该桥主梁为单箱双室整幅等梁高钢箱梁,基础选用钢管复合钻孔桩基础,桩基础采用混凝土灌注桩,桥墩为预制桥墩,采用空心墩,支座采用高阻尼铅芯橡胶支座[28-29]。

本文采用有限元分析软件Midas建立桥梁整体分析模型,其中X轴为桥梁纵桥向,Y轴为桥梁横桥向,Z轴为桥梁竖向。模型主要由七部分组成,分别是箱梁、支座、盖梁、桥墩、承台、混合桩以及桩基础。在有限元模拟中,支座采用铅芯橡胶隔震装置,可简化为双线性恢复力力学模型,桥梁其余构件均采用梁单元进行模拟,桥梁有限元模型见图5。全桥总共11跨,按从左到右进行编号,桥墩依次为1～12号,跨中依次为1～11号。

图5 桥梁模型编号示意图

混凝土本构模型依据混凝土结构设计规范(GB50010-02)进行取值,具体材料参数详见表3。

表3 主要材料参数信息

3.2 地震动选取

目前对于实测强震记录的选取,应用最多的方法主要是以震级、震中距和场地条件等作为第一评判指标进行初选,之后再以目标谱作为第二评判指标进行选取[30]。本文主要是分析对比2种震源机制地震动对桥梁结构的影响差异,所以选波的原则主要是突出震源机制这一影响因素。本文选波主要参照以下几点原则:

1) 为尽量减小震中距和震级的影响,8条地震动实测记录均选用中场中震;

2) 为使缩放系数差别不大,所选用地震动PGA大小相近;

3) 为使所选用的实测记录更具代表性,所选用实测记录的加速度反应谱须与中场中震平均加速度反应谱接近(见图6)。

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该工程实际抗震设防标准以结构完整性状态为2 400年,即基准期120年超越概率5%,要求地表输入记录的PGA为235 Gal。因此,本文将实测记录水平向(EW、NS)中峰值加速度较大值调幅至235 Gal,并作为纵桥向输入,另一水平方向和竖向(UD)均采用同比例系数进行缩放。其中走滑断层中有2个实测记录来自同一地震事件(2000911),但采集自不同海底台站,选取的8次地震事件具体信息见表4。

表4 地震事件信息

3.3 桥梁地震反应

参照以往桥梁震害可以发现,连续梁桥的震害主要表现为上部结构落梁、碰撞,支座发生剪切破坏,以及桥墩弯曲、剪切破坏等[31-33]。所以本文主要对比分析了墩顶位移、墩底及支座处剪力、加速度、墩底弯矩以及支座滞回耗能等结构反应。表5为8组逆断层和走滑断层地震动下,各桥墩墩底纵桥向弯矩最大值,由表中数据可以发现,虽各桥墩相应数值存在差异,但走滑断层地震动引起的各桥墩墩底纵桥向弯矩最大值的平均值都大于相应逆断层下数值,最大差值百分比为93%,平均差值百分比为39%。其中差值百分比为走滑断层与逆断层相应数值的差值比上逆断层数值。表6为墩顶纵桥向位移最大值的汇总表,其中最大差值百分比为124.5%,平均差值百分比为48%,走滑断层地震动引起的各桥墩纵桥向位移都远大于逆断层。其中平均插值百分比是指走滑断层下某指标的平均值和逆断层对应指标的平均值的差值与逆断层对应指标的平均值的百分比。

表5 墩底纵桥向弯矩最大值

表6 墩顶纵桥向位移最大值

限于篇幅,其他指标具体数据不一一列出,只给出相应的平均差值百分比。墩顶横桥向位移最大值的平均差值百分比为41%,墩顶纵桥向加速度最大值的平均差值百分比为-1.2%,墩顶横桥向加速度最大值的平均差值百分比为37%,墩顶纵桥向剪力最大值的平均差值百分比为30%,墩顶横桥向剪力最大值的平均差值百分比为22%,墩顶支座处横桥向剪力最大值的平均差值百分比为45%,墩顶支座处纵桥向剪力最大值的平均差值百分比为29%。其中除了墩顶纵桥向加速度最大值的平均差值百分比为-1.2%,两者差距不大外,其余指标与逆断层地震输入相比,走滑断层地震动作用下桥梁反应明显增大。

限于篇幅,本文仅以2号桥墩处支座为例,对比2种震源机制地震动下桥梁支座的滞回耗能性能。图7和图8分别列出了逆断层和走滑断层地震动下2号桥墩处支座的滞回耗能曲线。如图所示,走滑断层实测海底地震动下2号桥墩处支座的滞回耗能曲线更为饱满,逆断层地震动作用下平均累积耗能为13.05 kN·m-1,而走滑断层地震动作用下平均累积耗能达到了102.11 kN·m-1,远远大于逆断层。表明在走滑断层中震地震动作用下,支座发生了更强烈的变形,支座耗能增加。所有支座的位移均未超过设计值。

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4 结语

本文基于实测海底地震动记录,按震源类型对其进行分类,通过对比不同震源机制的相关谱特性,发现震源机制对地震动特性影响明显,因此进一步分析了不同震源机制海底地震动对跨海桥梁地震反应的影响,研究主要结论如下:

1)走滑断层下海底地震动在中长周期段的反应谱谱值均较逆断层更大。在本文划分的中场中震区间,走滑断层的水平向和竖向加速度反应谱值在中长周期段都高于逆断层;走滑断层和逆断层在周期0.33 s之前水平向速度反应谱值接近,但在0.33 s之后呈现较大差距(约2倍),而两者在周期小于2.36 s时,逆断层竖向速度反应谱值远大于走滑断层,在周期大于2.36 s之后,走滑断层竖向速度反应谱值逐渐大于逆断层;对于位移反应谱值,两者呈现的趋势大致相同,走滑断层在中长周期段都远大于逆断层的位移反应谱值。

2)通过d-v-a三联谱可以发现海底走滑断层中强震地震动的速度敏感区的长度也远远长于逆断层。在周期小于约0.4 s时,逆断层和走滑断层下的地震动谱值相似。然而当周期大于0.4 s后,走滑断层的地震动位移反应谱、伪速度反应谱和伪加速度反应谱值均明显大于逆断层。

3)通过对比不同震源机制下跨海桥梁的地震反应可以发现,除了墩顶纵桥向加速度最大值差距不大外,其余指标走滑断层地震动相比逆断层地震动都大很多,走滑断层地震动下桥梁支座的累积耗能也远远大于逆断层。