结合《公路桥梁抗震设计规范》(JTG2231-01-2020)学习,本文主要探讨两个问题:一是不同场地类别下地震效应对比;二是场地类别划分取值探讨。
一、不同场地类别下地震效应对比
(一)场地类别影响地震效应的两个参数
地震效应可用反应谱值S进行衡量,如下图所示,反应谱曲线可分为3段,第1段是周期0-0.1s范围,第2段是周期0.1s-Tg范围,第3段是周期Tg-10s范围。对于多数情况,结构周期位于第3段。
反应谱最大值Smax与结构重要性系数、场地类别、结构阻尼相关:
反应谱计算式中,场地类别影响两个参数,一是场地系数Cs,二是特征周期Tg。
(二)Ⅱ、Ⅲ类场地下反应谱S计算值对比
以水平向地震为例进行对比,场地系数Cs参见下表,由表可见,Ⅱ类场地下场地系数Cs均为1,其他场地类别对照Ⅱ类场地和基本地震加速度进行修正。
特征周期Tg参见下表,由表可见,Ⅱ类场地下Tg与区划图取值相同,其他场地类别对照Ⅱ类场地进行修正。
以Ⅱ、Ⅲ类场地为例进行对比,计算如下:
Ⅱ类场地Tg=0.35s时计算结果如下表:
Ⅱ类场地Tg=0.40s时计算结果如下表:
Ⅱ类场地Tg=0.45s时计算结果如下表:
由以上结果可见:
1、Ⅲ类场地下的地震效应较Ⅱ类场地有较大幅度增加,增加幅度30%~80%。
2、Tg=0.35s时,Ⅲ类场地下的0.1g相当于Ⅱ类场地下的0.16g;Ⅲ类场地下的0.15g相当于Ⅱ类场地下的0.22g;Ⅲ类场地下的0.20g相当于Ⅱ类场地下的0.26g。
3、Tg=0.40s时,Ⅲ类场地下的0.1g相当于Ⅱ类场地下的0.17g;Ⅲ类场地下的0.15g相当于Ⅱ类场地下的0.24g;Ⅲ类场地下的0.20g相当于Ⅱ类场地下的0.28g。
二、场地类别划分取值探讨
场地类别根据土层剪切波速和覆盖层厚度进行划分。
取覆盖层厚度L(m)为横坐标,剪切波速V(m/s)为竖坐标,按照规范取值绘制如下图所示:
图中绿色线条为规范不同土体类别分界线,由图可见,绿色分界线存在突变点,对于分界线临近位置处土体类别划分可能存在偏差。
鉴于绿色分界线存在突变点,笔者建议对该图进行改进:
1、淤泥、松散砂等较差土层,其剪切波速V=90-100m/s,可取100m/s。
2、以覆盖层厚度L=0,剪切波速V=100m/s为原点,分别连接原点与绿色分界线突变点上缘,得到上图中红色实线,以此为分界线对土体类别进行划分,消除了突变点。
3、与加速度区划和特征周期区划类似,分区表达的反应谱系数修正值是一个范围,以Ⅱ类场地Tg=0.35s,基本地震加速度0.15g为例,Ⅱ类场地区域,代表值就是1,但实际上Ⅰ、Ⅱ区分界线约0.8,Ⅱ、Ⅲ区分界线约1.25,即Ⅱ区的范围是0.8~1.25。
4、位于分界线附近的点,偏安全可按不利分区采用;也可以连接原点与计算点,根据位置计算反应谱系数修正值。
三、工程实例
某桥梁工程场地,基本地震加速度A=0.2g,Ⅱ类场地下特征周期Tg=0.4s,覆盖层厚度65m,剪切波速270m/s。
(一)按规范直接取值
剪切波速>250m/s,属于Ⅱ类场地,反应谱修正值为1.0。
(二)按改进建议取值
将坐标点(65,270)绘制于图中,可见计算点位于Ⅲ类场地。反应谱修正值偏安全可取Ⅲ类场地修正值1.375,也可连接原点与计算点,求得修正值为1.246。
四、结论
(一)场地类别对地震效应的影响体现在两个参数,一是场地系数Cs,二是特征周期Tg。
(二)场地类别对地震效应影响较大,Ⅲ类场地下的地震效应较Ⅱ类场地有较大幅度增加,增加幅度30%~80%。
(三)规范关于场地类别划分存在突变位置,对于不同场地类别分界线位置的划分可能存在较大误差。
(四)规范场地类别划分方法可进行改进,消除突变位置,根据计算点实际位置,确定反应谱系数修正值。
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