地震持续时间对大跨度柔性结构的影响分析

许多强地震的宏观震害现象说明，超过一定强度的地面运动持续时间是造成结构物严重破损的重要因素之一。
　　由表1所列出的实震记录资料说明：有的地震地面运动加速度接近0.7g，但由于持续时间短（2s），震级只有4.7级，结构无明显破坏；而有的地震加速度只有0.024～0.0499，但持续时间长达60s，地震烈度达到Ⅵ～Ⅶ度；明显看出地震动持续时间对地震烈度的影响，特别是长周期结构物应该考虑地震动长持时的影响。
　　
　　一、地震动持续时间及长持时影响系数
　　地震动持续时间为地震地面加速度绝对值｜a(t)｜＞kg的时间总和，k常取为 0.03～0.05，｜a(t)｜＞kg的持续时间对总持续时间的比值符合高斯正态分布：
　　
　　根据对表1资料分析，标准差σ≈0.162g，当ak=0.03～0.05g时，p(｜a｜＞ak）≈0.90～0.80，表1资料表明当ak=0.03～0.05g时，长持时地震烈度达Ⅵ度以上。
　　文献1中给出了地震总持时见与震级M、震中距Δ（km）、场地的表达式：
　　
　　式中基岩场地：A＝0.03525，B＝0.1763，C＝0.6169
　　土壤场地： A＝0.1080，B＝0.1072，C＝0.6506
　　计算表明，震级随着持时见的增加而增加，在M=8级地震时场地条件影响较小（两条曲线近乎重合）。
　　由（2）式震级表达式为
　　 ζ作为地震长持时（Tb＞3～5s）的影响系数（以岩石地基为基础传递，覆盖层厚度为40m，曾有学者采用lgTD。表2给出地震长持时影响系数ζ表，由表可见，lgTd系数与Δ=200km时的l系数一致。
　　
　　因此，对于长持时地震的结构应按下式：
　　
　　或
　　求得的反应谱参数进行结构抗震设计。　　
　　二、长特时结构地展反应槽的修正
　　一般的结构设计都是短周期（ T＜3～5s）的地震反应谱，对长周期结构的地震反应谱应作出修正，特别是对大跨度斜拉桥、悬索桥等柔性结构。
　　根据表1长持时地震（Td=60s）的资料对图1中地震影响系数曲线长持时部分进行修正：
　　
　　
　　
　　图1实线所示为长周期修正曲线。
　　
三、大跨度柔性结构地震设计
　　由大跨度结构动力分析得到各振型的特征值fi或Fi，以下Fi作为结构地震加速度绝对值｜a｜＞0.039的持时，结构总持时Td=Fi/p（｜a｜＞0.039）=Fi/0.9≈1.lFi，由Td按上述计算修正地震影响系数a修和地震长持时影响系数ζ，长持时结构设计地震影响系数为
　　
　　 α max根据结构荷载组合和地震烈度选用，对于大跨度结构自重和地震作用组合下，采用第三水准烈度，即50年超越概率2％～ 3％的地震进行分析，这时结构的非弹性变形仍控制在"大震不倒"的状态。
　　 X X大桥为主跨1385m悬索桥，结构动力特征分析表明：第1阶振型为对称侧向挠曲振型，f1=0.051Hz，T1＝19.6s；第6阶振型为王梁振动为主的振型，fi＝0.1428Hz，T6＝7.0s;第15阶振型为对称扭转振型，f15＝0.2625Hz，T15＝3.81s；第39阶振型为主塔振动为主的振型，f39=0.6759Hz，T39＝1.48s；
　　地震设计烈度为Ⅶ度时，αmax＝0.50（50年超越概率2％～ 3％），震中距Δ＝200km，按上述方法分别求得地震影响系数为表3。
　　
　　因此，对类似的大跨度结构，由于其结构动力特性的很大差异，应分别采用不同的地震影响系数进行地震设计，上例中梁部结构可采用一个地震影响系数a'＝0.l，而主塔振动频率高，周期短，应采用与桥跨结构不同的系数，输入的地震波形也应分别采用长持时与短持时为特征的地震波，选取不利者控制设计。