地震对桥梁破坏及机理分析

本 科 生 毕 业 论 文题 目： 地震对桥梁结构的震害及机理分析 内容摘要随着经济的发展，桥梁建设也是日新月异，现代桥梁在工程中的应用，已远远突破传统意义上的应用，越来越多的桥梁被应用在高速公路、高速铁路、跨海大桥以及城市中常见的立交桥等等。这些桥梁不仅仅是当地经济发展的见证，也是交通设施中薄弱的一个环节。然而，随着近年来地震的多发，在众多的地震灾害现实前面，由于桥梁功能的损害，严重的影响了灾后的救助及重建工作，在这种情况下如何合理的提高桥梁的抗震能力，成为人民关注的重点。本文拟从两铁路特大桥梁工程场地地震的破坏及形成机理讲讲桥梁结构的震害及抗震。关键词：桥梁抗震、地震安评、地震目 录目 录21.常见的桥梁震害42场地地震活动性和地震构造52.1区域地震活动性和地震构造52.1.1区域地震活动性52.1.2区域地震构造62.1.3综合评价62.2近场区地震活动性和地震构造评价62.2.1近场地震活动性评价62.2.2近场地震构造评价72.2.3综合评价72.3工程场地地震工程地质条件勘测72.3.1场地勘测72.3.2场地地震地质灾害勘查82.3.3场地岩土力学性能测定83桥梁地震动参数确定和地震地质灾害83.1场地地震动参数和时程的确定83.2场地地震反应分析模型的建立93.3场地土层模型参数的确定93.4输入地震动参数的确定93.5场地地震反应分析与场地相关反应谱的确定93.6工程场地地震地质灾害评价104实例：新建铁路东都平邑特大桥梁地震动参数确定104.1地震地质背景104.1.1区域地震构造背景104.1.2近场区断裂活动性鉴定114.1.3近场区和铁路沿线地震构造评价114.2地震活动性分析144.2.1区域地震活动性144.2.2地震区、带划分144.2.3历史地震对铁路沿线场地的影响154.2.4区域和近场范围地震活动环境154.3场地工程地质条件与地震地质灾害154.3.1桥址工程地质条件分析164.4场地设计地震动参数164.4.1地震危险性概率分析174.5两特大桥桥址工程场地地震反应计算与设计地震动参数184.5.1场地地震反应计算184.5.2土层地震反应分析模型184.5.3土层动力参数选取194.5.4地震动参数确定214.6结论与建议244.6.1结论245 结论27参考文献281.常见的桥梁震害 桥梁在地震灾害中发生损坏以致丧失桥梁功能，在地震灾害中非常的常见。常见的桥梁灾害主要有：图1.1.1地质灾害导致桥梁损坏图1.1.2地裂隙导致桥梁损坏图1.1.3桥梁自身结构的损坏 地震灾害中桥梁损坏主要有两个方面的影响，一个是地震过程中，由于本身结构的损坏而导致桥梁功能丧失，另一个则是在地震过程中，因为地质灾害的发生而导致桥梁功能丧失。综合评价桥梁结果的地震影响因素，给出合理的抗震设防要求。2场地地震活动性和地震构造评价2.1区域地震活动性和地震构造评价 考虑远源和近源地震对影响影响的差异性特点，依据工作内容、详细程度和技术要求的不同，根据到场地距离的远近，地震安全性评价工作范围分为区域、近场区和工程场地。区域为工程场地外延不得小于150km的范围。 区域工作的重点是，在对区域范围内的资料收集和整理的基础上，分析区域地震活动特征和未来地震活动趋势，评价区域范围内地震发生的条件，判识区域范围内对场地地震危险性有影响的发震构造，综合评价区域地震构造环境和地震活动水平。2.1.1区域地震活动性评价 地震活动性分析的目的是通过分析地震活动的时间和空间特征，评价区域地震活动环境，为划分潜在震源区和确定地震活动性参数提供依据。区域地震活动性分析工作主要包括：地震资料的收集与分析整理，编制区域历史强震目录，编制区域破坏性地震震中分布图和区域现代地震震中分布图，编制区域震源机制解分布图，分析地震活动时空特征和未来地震活动趋势，评价工程场地所遭受的历史地震影响。2.1.2区域地震构造 区域地震构造评价的目的在于：通过对区域地质构造背景、区域新构造活动特征、区域活动构造特征等资料收集和分析，结合区域地震活动特点，归纳区域范围内强震发生的条件，判定区域发震构造及其特征，为划分地震区、带，判定潜在震源区及其地震活动性参数等方面提供重要的依据。区域地震构造评价应在充分收集、分析现有地质、地震和地球物理资料基础上进行。考虑到区域地震构造评价的精度要求，以及去过范围内大部分活动断层、地震构造资料方面20多年的积累程度，区域地震构造评价一般不需要开展现场调查工作，但当区域范围内存在对工程场地地震安全性评价有影响，且现有资料不能满足发震构造评价的断层时，需要开展野外调查，获得必要的评价资料。2.1.3综合评价 综合评价是在对区域地震活动性和地震构造基础资料收集与分析的基础上，把握区域地震活动性特点和发震构造整体特征。2.2近场区地震活动性和地震构造评价区域性的地震活动行和地震构造分析，在很大程度上是为进行近场区地震活动性和地震构造评价提供必要的依据，而近场区域地震活动性和地震构造评价结果又对后续的场址区域地震危险性分析起主要作用。近场区地震活动性和地震构造评价的质量对工程场地地震安全性评价结果的合理性、工程抗震设防的针对性具有重要的作用。近场区范围指的是不小于工程场地及其外延25km的区域范围。2.2.1近场地震活动性评价 近场地震活动行研究的主要目的是判断近场区域范围内（工程场地及其附近地区）可能发生强震的地点（即潜在震源区或发震构造），并进行发生地震危险性分析。因此，近场地震活动性研究在某种意义上直接关系到场地地震动参数的评定，它要求的研究深度和地震资料的详细程度与精度和区域地震活动性研究是不同的。区域地震活动性研究多数情况下是从统计学的角度，或从规律性认识的角度要求地震资料具有一定的可靠性和完整性，而近场地震活动性分析要求更加精细，甚至对单个地震发生的时间、震中位置和震级都应有相应的严格要求。2.2.2近场地震构造评价 近场地震构造评价的工作重点是对主要断层进行活动性鉴定，目的是为了判识相关的发震构造，确定其空间位置和有关活动性参数，为工程场址的地震危险性分析和地震地质灾害评价提供依据。 近场活动构造调查的基本原则是在收集和研究前人资料的基础上，对确定厂址的地震东参数有重要贡献的地震活动断层做详细的实地调查。2.2.3综合评价 综合评价的目的是为了给出近场区域地震活动性和地震构造评价的基本结论。2.3工程场地地震工程地质条件勘测 场地范围应为工程建设规划的范围。场地地震工程地质条件是指对场地地震效应产生影响的场地条件，大致包括场地内及附近地区的工程地质、水文地质、地形地貌、地质构造条件及场地土体物理与力学特性等。场地地震工程地质条件资料是确定场地设计地震动参数和评价场地地震地质灾害的基础。场地地震工程地质条件勘测的内容包括：在分析现有资料的基础上，进行场地钻探及场地土体物理及力学特性测试，编制相关的工程地质图、表，综合评价场地特性。2.3.1场地勘测 场地范围应为工程建设规划的范围。并收集、整理和分析相关的工程地质、水文地质、地形地貌和地质构造资料。并进行场地工程地质条件调查、钻探和原位测试。2.3.2场地地震地质灾害勘查 通过对历史地震资料的考证、调查与分析，查明工程场地及附近地区有没有遭受过地震地质灾害，以及灾害的类型和程度等。在此基础上，参照与建设工程相关的勘察设计规范或工程地质勘察结果进行地震地质灾害场地勘查，为评价场地可能发生的地基土液化、软土震陷、崩塌、滑坡、地裂缝和泥石流等地震地质灾害提供资料。2.3.3场地岩土力学性能测定 场地岩土力学性能测定是确定场地力学模型的关键，模型力学差数是用场地土静力与动力参数测定结果确定的。 主要的工作包括分层岩土剪切波速的原位测量和密度的测定；应测定剪切模量比和剪切应变关系曲线、阻尼比和剪切应变关系曲线。3桥梁地震动参数确定和地震地质灾害评价 场地地震动参数确定和地震地质灾害评价结果作为建设工程抗震设防的依据。 场地地震动参数与地震震源特性、地震波从震源传播至场地的途径及介质特性有关，同时还与局部场地条件有关。场地地震动参数确定中，首先应进行地震危险性分析计算确定地表自由基岩场地的地震动参数，再在此基础上，进行场地地震反应分析，以考虑局部场地条件对工程场地地震动的影响。场地地震地质灾害的评价应基于区域和近场区特别是场地及附近范围内的地震地质灾害的调查和评价结果、工程场地的地震动参数计算分析结果，结合场地工程地质条件勘测资料采用经验方法评估或理论计算方法计算分析，评定其可能性及影响范围与程度。3.1场地地震动参数和时程的确定 场地地震动参数和时程的确定将为工程抗震设防提供依据。应根据工程结构特点及抗震设计的需要，首先选取合适的地震动描述量，包括地震动参数和地震动时程，而后基于地震危险性分析及场地地震反应分析计算结果，确定场地地震动参数值，必要时还应确定场地地震动时程。应注意对于不同的工程，抗震设防所要求的场地地震动描述量不同，因此，对于每一特定的工程场地地震安全性评价工作，必须有针对性地选取工程抗震设计所需要的地震动描述量。3.2场地地震反应分析模型的建立 场地地震反应分析模型几场地力学模型的确定，其中场地工程地质条件资料是确定场地力学模型的基础。3.3场地土层模型参数的确定 场地地震反应分析模型参数包括土层剖面描述参数及土体力学性能参数，它们是土层厚度（空间三维变化）、土体密度、土体S波（剪切波）与P波波速、土体动力非线性关系，即剪变（或压缩）模量比与剪（或轴）应变关系曲线、阻尼比与剪（或轴）应变关系曲线。这些参数均可根据场地工程地质条件勘测与试验结果确定。3.4输入地震动参数的确定 输入地震动参数指场地地震反应分析计算中地震输入界面处的入射地震波参数，它反映的是地震震源特性、地震波从震源传播至场地的途径及介质特性对场地地震动的影响。本节给出了输入地震动参数和地震动时程确定的原则和方法。3.5场地地震反应分析与场地相关反应谱的确定 采用与工程场地相适应的场地力学模型，利用适当的分析方法，在已知场地力学参数及计算地震动输入的情况下，可以给出场地不同位置（包括不同深度处）地震反应的地震动时程，而后计算出地震动时程对应的场地相关反应谱，并考虑输入地震动随机样本时程的差异对场地相关反应谱的影响，采用取包络谱或平均反应谱的方法给出计算场地地震动相关反应谱。另外，因为直接计算所得场地地震相关反应谱曲线形状较复杂，为了便于结构地震反应分析计算，场地地震动相关反应谱通常以归准化形式给出。一般情况下，标定反应谱值为计算反应谱的平均拟合值。3.6工程场地地震地质灾害评价 场地地震地质灾害是由地震动或断层错动引起的可能影响场地上工程性能的场地失效。震害经验表明，不良地质条件的场地，常诱发产生各种地质灾害。地震地质灾害主要包括三大类：1. 由于地震动作用导致的对工程有直接影响的工程地基基础失效，包括饱和砂土液化、软土震陷等；2. 由于地震动作用导致的对工程有可能间接影响的工程场地失效，包括岩体崩塌、岩体开裂、岩土滑坡等；3. 有地震断层作用导致的地表错动、地裂缝与地面变形等地质灾害。4实例：新建铁路东都平邑特大桥梁地震动参数确定 现以新建铁路东都平邑特大桥梁地震动参数确定（青岛市工程地震研究所、济南市地震工程研究院）为例解释桥梁抗震设计内容。 新建东都平邑铁路起点为磁莱线东都车站中心，终点为兖日线的平邑站，途径汶南、东牛家庄、关山头、放城、仲村，路线全长约59.114。线路中拟建特大桥两座，分别是：重兴河大桥（1932+40+64+40+32m，全长814.7m；中心坐标：N354739；E1174620）；大河北特大桥（3532m，全长1158.6m；中心坐标：N354128；E1173452）。4.1地震地质背景4.1.1区域地震构造背景 研究区域地震构造，其目的是找出区域内构造活动与地震活动的相互关系，为地震区带和潜在震源区划分与地震活动性参数确定等提供依据。根据工程场地地震安全性评价(GB177412005)和本区的研究程度，将区域地质构造的研究范围确定为场址周围200Km范围内。地震的发生有其特定的地震地质背景。特别是6级以上强震的发生与大的断裂活动和深部构造差异有较好的相关性。因此，分析研究区域地震地质特征，研究确定强震的构造标志，不仅可以为预测地震危险区和划分潜在震源区提供依据，而且对综合评价场址地震危险性也有十分重要的意义。拟新建的东都至平邑段铁路项目在大地构造分区上位于华北断块区鲁西断块中部，工程场地的区域范围涉及华北断块区的鲁西断块、冀东渤海断块、鲁东断块、徐淮断块和苏北胶南断块。4.1.2近场区断裂活动性鉴定鉴于近场区断裂和地震活动在地震危险性分析中占重要地位，因而深入研究近场区30公里范围内的断裂活动对拟新建的新平线东都至平邑段铁路项目的地震安全性评价工作是非常重要的。近场区30公里范围内主要分布有新泰蒙阴断裂、上五井断裂、蒙山山前断裂、苍山尼山断裂、汶泗断裂、铜冶店孙祖断裂、羊流店断裂、莱芜断裂、独角梁丘断裂、铜冶店孙祖断裂和莲花山断裂等11条断裂。为了搞清这些断裂的活动性，在系统收集、整理、分析前人资料基础上，开展了野外考察、探槽揭露等工作。根据已获得的资料，对断裂的活动性进行系统鉴定。4.1.3近场区和铁路沿线地震构造评价综合多方面的研究结果，将近场区各主要断裂的基本特征、与铁路的交汇关系及其对工程的影响归纳，得到如下结论：1、近场区内发育北西北北西向的新泰蒙阴断裂、蒙山山前断裂、苍山尼山断裂、汶泗断裂、铜冶店孙祖断裂、独角梁丘断裂、铜石甘霖断裂、莱芜断裂和羊流店断裂，北北东向的上五井断裂和近东西向的莲花山断裂等。这些断裂在第四纪不同时期有过活动，且具有分段活动特点。其中，新泰蒙阴断裂西北为中更新世活动段，东南为晚更新世活动段，近场区内段落为西北段；蒙山山前断裂东段晚更新世活动，西段早更新世活动，铁路穿越了断裂的西段；上五井断裂北中段中、晚更新世活动，南段为早、中更新世活动，近场区段落为断裂的南段；铜冶店孙祖断裂南东段为晚更新世活动，北西段为早中更新世活动；苍山尼山断裂为晚更新世活动断裂；羊流店断裂为中更新世活动断裂；汶泗断裂、独角梁丘断裂和莱芜断裂为第四纪早期活动断裂。铜石甘霖断裂为早中更新世断裂；莲花山断裂东段为晚更新世晚期活动断裂，西段推测为晚更新世早期或中更新世活动断裂。2、根据近场区地质构造、活动断裂和地震活动的研究结果，结合不同震级档发震构造条件，综合分析认为近场区30km范围内具有发生6.5级地震的构造背景。在山东内陆部分潜在震源区划分与调整方案中近场区及周围地区沿蒙山山前断裂划分出北西向费县平邑6.5级潜在震源区，沿苍山尼山断裂划分出北西向苍山6.5级潜在震源区，沿新泰蒙阴断裂和铜冶店孙祖断裂划分出北北西向新泰莱芜6.5级潜在震源区。分析认为目前的潜在震源区划分与近场区的地震地质情况是相吻合的，其结果是合理的。这些潜在震源区对新建东都平邑铁路工程的地震危险性有一定的影响。表4.1.3.1 近场区主要活动断裂评价一览表编号断裂名称断层长度(KM)走向倾向倾角性质最新活动时代（近场区段落）与铁路的关系评价意见1新泰-蒙阴断裂110NWSW60-80 左旋正走滑Q2与铁路不相交，距离为7 Km无直接影响2上五井断裂 15035SE60-80左旋逆走滑Q1-2与铁路不相交，距离为12Km无直接影响3蒙山山前断裂160NWWSW45-85左旋正走滑Q1与铁路相交可不进行避让4汶泗断裂80NWS60-80 左旋正走滑Q1与铁路相交可不进行避让5铜冶店-孙祖断裂80NWSW50-70左旋正走滑Q3 与铁路不相交，距离为20Km无直接影响6羊流店断裂70350SE或SW 60-80左旋正走滑Q2 与铁路不相交，距离为2Km无直接影响7独角梁丘断裂66NWSW60-80 左旋正走滑Q1与铁路不相交，距离为15Km无直接影响8莱芜断裂20NWSW 60-80正断Q1与铁路不相交，距离为12Km无直接影响9苍山尼山断裂120NWSW或NE70-80左旋逆走滑Q3与铁路不相交，距离为28Km无直接影响10铜石甘霖断裂50NWSW或NE60-85正断Q1-2与铁路不相交，距离为10Km无直接影响11莲花山断裂70NW、EWSW正断Q2-3与铁路不相交，距离为15Km无直接影响3、近场区和铁路沿线存在11条规模较大断裂，对新建东都平邑铁路工程影响情况见表4.2.3.1。其中，新泰蒙阴断裂、苍山尼山断裂、铜冶店孙祖断裂、独角梁丘断裂、莱芜断裂、羊流店断裂、铜石甘霖断裂、莲花山断裂和上五井断裂都与铁路不相交，距离新建东都平邑铁路工程228km，对铁路工程不会产生直接影响；与铁路相交的断裂为蒙山山前断裂的西段和汶泗断裂，为早中更新世活动断裂（段），是晚更新世以来不活动断裂，根据有关规范和山东省地震活动断层调查管理规定，可忽略断裂位错对铁路工程的影响。4.2地震活动性分析通过区域地震活动在空间上和时间上的分布特征研究，以及历史地震对工程场地的影响分析，进行铁路工程沿线地震活动环境评价，为判定断裂活动性提供参考依据。4.2.1区域地震活动性从公元前70年至今，区域范围内发生破坏性地震(M)32次，最大地震为1668年的山东郯城级地震。工程场地位于地震活动性较强的华北地震区，该区是我国大陆历史地震记载最为长久、丰富的地区。区域地震活动大致呈条带状分布，主要地震带对地震活动有明显的控制作用，特别是6级以上强震均发生在断裂带上，1668年山东郯城级大震发生在工程场地的东部，对场地影响较大。1970年以来地震观测结果表明，区域现代小震活动也相当频繁。仪器记录地震与历史地震活动的空间分布特征基本一致，北北东向莒县宿迁一线地震条带更为明显。总体来看，区域范围内地震震源深度主要分布在1030Km范围以内，由此可知，区域范围内的地震基本上是发生在地壳中上层的浅源地震。本区自公元1484年以来总的地震应变能释放为6.53108J1/2。本区的地震能量释放主要反映了郯城8级地震的活动，本区域范围内具有震级高、强度大的特点，近期没有地震应变能释放加速现象。4.2.2地震区、带划分地震区、带划分是指对地震活动时空的不均匀性进行区划，并考虑其与构造活动、地壳结构之间的关系。地震区是指区域地震活动性和地震孕育的地质环境和发生地震的构造条件相类似的地区；地震带一般是指地震集中成带分布，并受活动构造带或地壳结构变异带控制的地带。4.2.3历史地震对铁路沿线场地的影响 在区域范围及邻近地区发生过多次强烈地震，其中1668年郯城地震对东都平邑铁路所在场地影响最大，影响烈度为度。此次地震震中位于山东郯城北，震中烈度。此次地震东都平邑铁路所经场地影响烈度为度。4.2.4区域和近场范围地震活动环境评价 通过本节的论述，对区域地震活动性作出如下评价：(1)工程场地位于地震活动较为强烈的华北地震区，主要涉及华北平原地震带和郯庐地震带。(2)从公元前70年至今，区域范围内共记录到中强地震(M)32次，其中5.05.9级地震17次、6.06.9级地震3次、7.07.9级地震1次，8.08.9级地震1次，即1668年的山东郯城地震。(3)区域内地震活动大致呈北东向带状分布，东部地震相对散布，与郯庐地震带大体一致。1668年山东郯城级大震发生在工程场地的东部。(4)仪器记录地震与历史地震活动的空间分布特征基本一致，北北东向莒县宿迁一线地震条带更为明显。(5)区域范围内地震震源深度绝大部分在30Km以内，平均震源深度为19Km，由此可知，区域范围内地震基本上是发生在地壳中上层的浅源地震。(6)1668年山东郯城地震对东都平邑铁路沿线场地影响烈度为度。4.3场地工程地质条件与地震地质灾害评价场地断裂活动性鉴定与工程地震条件评价是工程场地地震安全性评价工作的重要内容。本章通过高密度电法及野外地质考察等工作、对工程场地范围内是否存在隐伏活动断裂进行了深入细致地调查与分析。此外，通过工程场地地质钻探、钻孔土层剪切波速测试等工作，对土层动力学特性进行了分析，开展了场地地震反应分析计算及场地条件、地震地质灾害评价。4.3.1桥址工程地质条件分析主要对沿线的重兴河特大桥、大河北特大桥进行了工程地震条件勘探、剪切波速测试和地脉动测试。4.3.1.1重兴河特大桥工程地质条件该桥址位于新泰市汶南镇果庄村西侧，跨越重兴河和日东高速公路，地形总体上呈南高北低中间洼，地貌为剥蚀残丘、河阶地。布置钻孔4个，并进行了剪切波速测试和地脉动测试。根据钻孔揭露和野外调查，第四系覆盖层较薄，下伏灰岩。4.3.1.2大河北特大桥工程地质条件该桥址位于新泰市放城镇大河北村西侧，地形总体上呈东西高中间洼的凹形，地貌单元主要为剥蚀丘陵和河阶地。结合场地条件布置钻孔4个，并进行剪切波速测试和地脉动测试。第四系覆盖层较薄，下伏泥灰岩、灰岩和片麻岩。4.3.2拟建铁路及特大桥址地质条件综合评价新建东都平邑铁路起点为磁莱线东都车站中心，终点为兖日线的平邑站，途径汶南、东牛家庄、关山头、放城、仲村，路线全长约59.114。宏观地貌单元属鲁中低山丘陵区，岗岭沟谷相间，相对高差148.2m。沿线地貌单元分为：汶河阶地区、冲洪积平原区、剥蚀低山区、丘陵区和残丘缓坡区。铁路沿线主要地震地质灾害类型为地震发生时可能引起的崩塌、滑坡、地面塌陷（采空塌陷、岩溶塌陷）等，应注意边坡支护及采空区的避让和回填。与铁路相交的断裂为蒙山山前断裂的西段和汶泗断裂，为早中更新世活动断裂（段），是晚更新世以来不活动断裂，根据有关规范和山东省地震活动断层调查管理规定，可不考虑断裂位错对新建东都平邑铁路工程的影响。根据建筑抗震设计规范（GB500112001）的有关规定，重兴河特大桥ZK1、ZK2孔属类建筑场地，ZK3、ZK4孔属类建筑场地；大河北特大桥ZK5、ZK6孔属类建筑场地，ZK7、ZK8孔属类建筑场地。4.4场地设计地震动参数场地地震反应分析是在综合考虑震源机制、地震波传播路径等各种影响因素的基础上，将基岩地震波作为输入，具体分析具体场地对地震的反应，对未来一定时期内的地震动参数做出估计，给出场地内地震动参数在空间上的分布，为建筑规划和抗震设计提供依据。由于地震危险性概率分析是依地震地质、地震活动性以及地震动参数衰减等研究为基础的，因此前面得到的场地地震危险性概率分析结果包含了震源和地震波传播路径对场地内地震动的影响。但在一个小区域内，震源和传播路径对地震动加速度峰值和反应谱在空间分布上的影响都不大，而局部场地条件则会引起地震动峰值和反应谱值在空间分布上有较大变化。这些变化，通过场地的土层地震反应分析可以得到。在地震危险性分析计算的过程中我们得到，同一桥址的不同计算点的结果基本相同。综合考虑，本次土层反应分析计算采用各桥址较大的结果进行分析计算。4.4.1地震危险性概率分析本章在地震地质和地震活动性研究的基础上，通过地震危险性概率分析，将给出东都平邑铁路工程场地不同超越概率水平的基岩地震动参数，为土层地震反应分析、设计地震动参数确定以及铁路沿线地震动参数复核提供必要的基础数据。 为进行地震危险性概率分析计算，首先需确定适合于本地区的基岩地震动衰减关系，划分地震带并确定地震活动性参数、划分地震带内的潜在震源区并确定相应的地震活动时、空不均匀性参数。而后依据地震危险性概率分析模型，分析计算工程场地的地震危险性。根据工程场地地震安全性评价（GB177412005），并考虑工程场地为长距离铁路的实际情况，本次地震危险性分析计算分别按2个特大桥桥址（每桥址2个点）进行分析计算，以作为特大桥桥址地震反应分析的基岩地震动输入提供基础，对铁路沿线进行地震动峰值加速度计算，为地震动参数复核提供基础资料。4.4.1.1地震动衰减关系由于地震动资料的地区性差异和我国强震记录的缺乏，需要在地震波传播理论、震源机制等方面研究的基础上，提出切实可行的确定地震动衰减关系的方案。从目前工程实践和地震动研究的现状来看，得到地震工程界认可并在国内国际广泛使用的一种方法为地震动转换法。在特大桥地震危险性分析中，通过检验并考虑与选用的地震烈度衰减公式相配套问题，最终选用了山东海阳核电厂地震工作报告中给出的华北地区加速度反应谱衰减关系。该衰减关系采用胡聿贤等(1984年)提出的烈度地震动转换法，转换时选择具有丰富强震纪录的美国西部地区作为参考区，本区烈度衰减关系使用华北地区的，参考区的基岩加速度反应谱衰减关系选用霍俊荣(1989)拟合的美国西部衰减关系，参考区的烈度衰减关系使用Chandra(1979)给出的关系式。其一般形式如下：lgY=C1C2MC3M2+C4lg(RC5exp(C6M)4.4.2地震危险性概率分析计算及结果分析按照铁路工程抗震设计规范（GB501112006）中的抗震设防要求，对铁路沿线两个特大桥分析超越概率水平取为50年63%、10%和2%。利用地震危险性概率分析方法，计算了工程场地超越概率水平50年63%、10%和2%的基岩地震加速度峰值、基岩地震加速度反应谱(0.046s、阻尼比为0.05)。计算得到的基岩地震加速度反应谱将作为下一步进行土层地震反应分析的基岩地震动输入目标函数。计算过程中进行了地震动衰减关系的不确定性校正。本次地震危险性分析计算分别按2个特大桥桥址（因为桥址工程场地为线性、长度较大，并且场地情况比较复杂，有基岩区和覆盖区，所以每桥址2个点，以便于比较。）进行分析计算。4.5两特大桥桥址工程场地地震反应计算与设计地震动参数4.5.1场地地震反应计算场地地震反应分析是在综合考虑震源机制、地震波传播路径等各种影响因素的基础上，将基岩地震波作为输入，具体分析具体场地对地震的反应，对未来一定时期内的地震动参数做出估计，给出场地内地震动参数在空间上的分布，为建筑规划和抗震设计提供依据。由于地震危险性概率分析是依地震地质、地震活动性以及地震动参数衰减等研究为基础的，因此前面得到的场地地震危险性概率分析结果包含了震源和地震波传播路径对场地内地震动的影响。但在一个小区域内，震源和传播路径对地震动加速度峰值和反应谱在空间分布上的影响都不大，而局部场地条件则会引起地震动峰值和反应谱值在空间分布上有较大变化。这些变化，通过场地的土层地震反应分析可以得到。在地震危险性分析计算的过程中我们得到，同一桥址的不同计算点的结果基本相同。综合考虑，本次土层反应分析计算采用各桥址较大的结果进行分析计算。4.5.2土层地震反应分析模型在本项工作中，建立一维场地地震反应分析模型，进行土层反应计算。本模型系采用一维剪切波理论计算场地土层地震动力反应，其基本原理为，假设剪切波从基底垂直入射到N层水平成层粘弹性介质，在每一层介质中波动方程满足：其中：Uj(X,t) 第j层土的位移函数 j 第j层土的密度 j 第j层土的剪切模量(随剪应变变化) j 第j层土的粘滞系数(随剪应变变化)各土层之间界面满足位移连续条件 Uj(X,t)Uj+1(X,t)和应力连续条件 jj+1 计算时，需要先计算各土层相对于半空间垂直向上入射波传递函数，然后分别乘以基岩入射波的傅氏谱，得到各土层顶面的加速度傅氏谱和各土层中面的剪应变傅氏谱，再经过傅氏逆变换得到相应的加速度时程和剪应变时程。考虑到土层非线性特性，各土层的剪切模量比和阻尼比都是剪应变的函数。因此，先假定一初始剪切模量比G0和阻尼比0，计算出相应的各土层的剪应变时程，然后用最大剪应变值乘以折减系数(取为0.65)作为等效剪应变，再由剪切模量比曲线和阻尼比曲线查出相应的剪切模量比G和阻尼比,并比较G和G0、和0。如果模量比和阻尼比的相对误差都小于容许误差，则认为土的应力应变非线性关系得到满足。否则，以新的剪切模量比G和阻尼比作为初始值，重复上述计算过程，直到相对误差都小于容许误差。这里取容许误差5%。4.5.3土层动力参数选取震源特性、地震波传播路径和局部场地条件是影响地震动的主要因素，而且在一个小区域内，局部场地条件的影响尤为突出。因此，对场地内进行工程地质勘探并确定场地土的类型、分层和厚度等，对于场地地震反应是必不可少的。另外，场地土各项动力学指标如剪切波波速、容重以及土的剪切模量比和阻尼比随剪应变变化等，是土层地震动力反应分析中必不可少的参数。土层分层本项工作分别在两个桥址的工程场地内布设了4个钻孔进行地质钻探和剪切波速测试。钻孔的土层分层模型根据其工程地质分层以及剪切波速分层结果给出，考虑到土层的非线性特征，各土层的厚度不宜过大，一般为3m左右，对较厚的土层予以拆分（表6.1.3）。表6.1.3 钻孔中的各类土及其土性土类类别土类土性1粘土黄射褐，可朔-硬朔，含铁锰氧化物及其结核和砂粒，切面光滑，无摇震反应，干强度高，韧性高。2粗砂黄褐色，稍密，含较多卵石、砾石，局部偶夹薄层粉质粘土，颗粒级配差，磨圆度较差。3粉质粘土褐黄色，可塑，含大量植物根系，切面稍光滑，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。4砾石碎石成份以灰岩为主，棱角状次棱角状，含量5070%，碎石间夹粗砂、粘性土。5强风化石灰岩灰白色青灰色，隐晶质结构，层状构造，裂隙、溶孔发育，岩芯呈碎块状、短柱状，最大柱长约20cm，RQD为1020。6基岩青灰色，隐晶质结构，层状构造，裂隙较发育，岩芯呈短柱状、柱状，最大柱长约55m， RQD约70。土层剪切波速与基岩输入界面钻孔各层的剪切波速直接利用场地实际测量测试数据。各钻孔的钻探深度已达到实际基岩面，钻孔底部的剪切波速测值也超过了500m/s2。根据钻探编录资料和剪切波速资料，确定各钻孔土层模型的基岩输入界面深度分别为：大河北特大桥ZK7钻孔8m、ZK8钻孔11m；重兴河特大桥ZK1钻孔8m、ZK2钻孔11m（表6.1.4表6.1.7）。表6.1.4 大河北特大桥ZK7钻孔的分层及波速层号厚度(m)波速(m/s)土类类别12.6272222.6333432.049054未揭穿5256 表6.1.5 大河北特大桥ZK8钻孔的分层及波速 层号厚度(m)波速(m/s)土类类别12.7291422.7322432.8382441.847855未揭穿5066表6.1.6 重兴河特大桥ZK1钻孔的分层及波速 层号厚度(m)波速(m/s)土类类别11.9190121.9248131.4305142.048245未揭穿5026表6.1.7 重兴河特大桥ZK2钻孔的分层及波速 层号厚度(m)波速(m/s)土类类别12.1241222.2265231.4304342.5442552.547356未揭穿5096 剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化代表性土层剪切模量比和阻尼比的取值使用土样动三轴实验结果，这在前面的有关章节中已有详细描述。取得动三轴实验数据的土1块，为（表6.1.8），其他层位未能获得土样，使用经验值资料进行分析4.5.4地震动参数确定为了计算工程场地土层地震反应，必须有基岩地震加速度时程，作为计算场地土层地震反应的输入。本节根据地震危险性分析结果，首先合成场地内不同超越概率的基岩水平向地震加速度时程。 基岩地震动加速度时程合成方法以地震危险性分析得到的基岩加速度峰值和反应谱作为目标函数，用三角级数迭加方法合成相应的地震波。地震波合成有以下几个步骤：用反应谱与功率谱转换关系，将目标反应谱转换成相应的功率谱。表6.1.8 若干动剪应变下模量比与阻尼比计算值土类参数剪 切 应 变 R（）0.050.10.5151050100粘土G/Gmax.998.997.986.972.873.774.407.255D.024.030.052.065.107.130.179.193粗砂G/Gmax.965.935.775.660.300.250.105.090D.006.010.030.045.088.103.124.130粉质粘土G/Gmax.980.970.840.730.400.250.070.030D012.015.037.056.112.137.170180砾石G/Gmax.965.935.775.660.300.250.105.090D.006.010.030.045.088.103.124.130强风化石灰岩G/Gmax.990.970.900.850.700.550.320.200D.025.028.030.035.080.100.110.120基岩G/Gmax1.001.001.001.001.001.001.001.00D0.050.050.050.050.050.050.050.05其中：S(n)功率谱；Sa(n)加速度反应谱；阻尼比；p反应不超过反应谱值的概率，一般取p0.85；T3总持续时间。 用三角级数迭加法，生成零均值的平稳高斯过程其中，初相角n为0，2中均匀分布的随机量。第n个谐波的幅值为AnA (n)4S(n)1/2，初值可依目标反应谱幅值粗略估计。将平稳高斯过程乘以非平稳强度包络函数得到非平稳加速度时程 a(t)(t)X(t)非平稳包络函数取如下形式：式中，T1为幅值上升段的结束时刻；T1T2为幅值平稳段；T3为总的持续时间；C为幅值衰减系数。在合成过程中，采用逐步逼近目标函数的方法，使合成的加速度时程a(t)精确满足基岩加速度峰值，并近似满足基岩加速度反应谱Sa(n)，其相对误差小于容许误差。在此取相对误差为5%。 用于合成输入地震动时程的基岩地震动参数一般而言，地震动特性可以通过其三要素来描述，即地震动的振幅、频谱和持时。确定了地震动的三要素，就可以合成相应的地震动时程。 水平向基岩地震加速度峰值和反应谱值的确定据地震危险性概率分析结果，50年超越概率为63%、10%和2%的水平向基岩地震加速度峰值和基岩地震加速度反应谱如上一章所示。基岩地震动时程合成时以此作为目标函数。 地震动持续时间的估计对强度包络函数的估计则使用霍俊荣（1989）的结果：lgYc0c1Mc2lg(R10)式中，Y可以是上升段长T1、平稳段长T2-T1、下降系数C三个参数之一，M为等效震级，R为等效震中距(见表6.2.1)，相应的系数与标准差见表6.2.2。表6.2.1等效震级等效震中距取值一览表场址50年超越概率等效震级等效震中距（Km）重兴河特大桥63%6.36105.1510%6.5383.012%6.6053.4大河北特大桥63%6.3293.9510%6.4070.02%6.4253.18 表6.2.2 强度包络函数回归系数参数Yc0c1c2标准差T1-1.07401.0050.31T2-T1-2.2680.32620.58150.16C1.941-0.2817-0.56700.10由此回归关系得到了地震动持续时间及衰减系数，结果列入表6.2.3。 表6.2.3 地震动持续时间及衰减系数场址50年超越概率上升段T1平稳段T2T1衰减系数C重兴河特大桥63%9.94秒10.12秒0.09610%8.02秒10.15秒0.0972%4.31秒8.56秒0.114大河北特大桥63%9.00秒9.23秒0.10410%6.90秒8.44秒0.1142%5.44秒7.47秒0.1294.6结论与建议4.6.1结论通过对新建铁路东都平邑工程场地地震安全性评价工作，主要结论概括如下：（1）本项目区域位于华北地震区东南部、郯庐地震带内。地震活动与新构造运动强度、分区关系密切。第四纪有较强活动的郯庐断裂带是主要的发震构造；在全新世早期，苍尼断裂仍有明显活动，也是区内主要的发震构造；蒙山山前断裂与郯庐断裂带交汇部位（费县）断裂活动性较强，但现代小地震活动相对频繁，具有发生中等地震的构造条件。（2）本项目区域内地震活动具有明显的周期性，且与华北地震区同步。1400年以来经历了两个地震活动期，估计未来百年地震活动水平将不会很高，发生7级以上的地震的可能性较小。近场区历史地震影响较小，现代仪器记录到的最大地震为ML4.1级。（3）根据近场区地震地质构造、活动断裂和地震活动的研究结果，结合不同震级档发震构造条件，综合分析认为近场区30km范围内具有发生6.5级地震的构造背景。在山东内陆部分潜在震源区划分与调整方案中近场区及周围地区沿蒙山山前断裂划分出北西向费县平邑6.5级潜在震源区，苍山尼山断裂划分出北西向苍山6.5级潜在震源区，沿新泰-蒙阴断裂和铜冶店孙祖断裂划分出北北西向新泰莱芜6.5级潜在震源区。分析认为目前的潜在震源区划分与近场区的地震地质情况是相吻合的，其结果是合理的。这些潜在震源区对新建东都平邑铁路工程的地震危险性有一定的影响。（4）近场区和铁路沿线存在11条规模较大断裂。其中，新泰蒙阴断裂、苍山尼山断裂、铜冶店孙祖断裂、独角梁丘断裂、莱芜断裂、羊流店断裂、铜石甘霖断裂、莲花山断裂和上五井断裂都与铁路不相交，距离新建东都平邑铁路工程228km，对该工程不会产生直接影响；与铁路相交的断裂为蒙山山前断裂的西段和汶泗断裂，为早中更新世活动断裂（段），是晚更新世以来不活动断裂，根据有关规范和山东省地震活动断层调查管理规定，可忽略断裂位错对铁路工程的影响。（5）铁路沿线主要地震地质灾害类型为地震发生时可能引起的崩塌、滑坡、地面塌陷（采空塌陷、岩溶塌陷）等，应注意边坡支护及采空区的避让和回填。（6）根据建筑抗震设计规范（GB500112001）的有关规定，重兴河特大桥ZK1、ZK2