重大工程地震安全性评价方法与抗震设防优化研究

摘要：重大基础设施建设面临的地震风险防控需求持续增强，工程抗震安全评估的科学性直接关系着社会经济发展与人民生命财产安全。既有地震安全性评价技术框架在应对复杂地质构造与新型建筑结构时，其适用性与精准度面临新挑战。传统评估方法多依赖历史地震数据与经验公式，对活断层活动特征与场地动力响应的耦合效应解析存在局限性。这种技术瓶颈在跨区域线性工程与超高层建筑的抗震设计中尤为突出，亟需构建更具适应性的评估模型。本文就重大工程地震安全性评价方法与抗震设防优化展开探讨。

关键词：重大工程；地震；安全评价

引言：

地震灾害防御能力的提升是现代化工程建设的核心关切。既有抗震设防标准体系在应对极端地震事件与新型工程结构时，逐渐显现出理论支撑与实践需求的脱节现象。传统安全性评价方法侧重单一指标的达标验证，缺乏对工程系统整体抗震性能的量化评估。这种技术导向的局限性，在复杂地质环境下的隧道工程与大型水利枢纽建设中表现得尤为明显，迫使研究者重新审视现有技术路线的科学性与完备性。

一、重大工程地震安全性评价方法

（一）地震动输入特性分析

地震动输入特性分析乃是重大工程地震安全性评价的根基所在，其关键要点是精准地捕捉地震波的各项特征，囊括地震波的频谱特性、振幅特性以及持时特性等方面，这些特性直接决定了地震波对结构的作用形式以及破坏程度，地震波的频谱特性包含卓越周期、加速度反应谱等内容，它们呈现了地震波在不同频率上的能量分布状况。对于重大工程来讲，其自振周期大多时候与地震波的卓越周期较为接近，准确评估地震波的频谱特性对于判定结构在地震作用下的响应十分关键，在实际工程当中，一般会采用地震动反应谱法，依据地震烈度、场地类别等因素，挑选合适的地震动参数，构建设计反应谱，以此用于结构的抗震设计。振幅特性分析主要聚焦于地震波的峰值加速度、峰值速度等参数，这些参数直接决定了地震波对结构的冲击力大小，在地震安全性评价里，一般会采用地震动峰值加速度（PGA）作为衡量地震动强度的主要指标，为了能更准确地评估地震动的振幅特性，研究人员还研发了多种地震动强度指标，比如累积绝对速度（CAV）、有效加速度（Ea）等，这些指标可更全面地体现地震波对结构的潜在破坏能力。地震波的持时决定了结构在地震作用下的持续时长，对结构的累积损伤以及疲劳效应有着关键影响，在地震安全性评价中，一般会采用地震动持时参数，像有效持时、较大持时等，来评估地震波对结构的持续作用，另外研究人员还开发了基于能量耗散的地震动持时评估方法，凭借计算结构在地震作用下的能量耗散过程，来评估地震波的持时特性对结构安全性的影响[1]。

（二）结构动力响应分析

结构动力响应分析在重大工程地震安全性评价里是关键部分，借助数值模拟和实验验证等办法，去揭示结构在地震作用下的动力响应特性，像结构的位移、速度、加速度、应力、应变等参数的变化规律，这些参数的变化能直接体现结构在地震作用下的抗震性能，在结构动力响应分析过程中，常运用有限元法、动力时程分析法等数值模拟手段。有限元法是把结构划分成若干小单元，构建结构的有限元模型，再利用数值积分方法求解结构的动力响应，动力时程分析法则是直接输入地震波，借助求解结构的运动方程，得出结构在地震作用下的动力响应，这两种方法都可以比较准确地模拟结构在地震作用下的动力响应过程，为结构的抗震设计提供关键参考。除了数值模拟方法，实验验证也是结构动力响应分析的关键手段，依靠振动台实验、拟静力实验等实验方式，可以直观地观察结构在地震作用下的动力响应特性，验证数值模拟结果的准确性，而且实验验证还可以发现数值模拟中可能被忽略的某些非线性因素，比如材料的塑性变形、结构的几何非线性等，为结构的抗震设计提供更全面的信息。在结构动力响应分析中，还得关注结构的非线性动力响应特性，对于重大工程来说，其结构一般有高度的非线性特征，像材料的塑性变形、结构的几何非线性、连接节点的非线性等，这些非线性因素在地震作用下会对结构的动力响应产生关键影响，甚至致使结构遭到破坏，在结构动力响应分析中，要采用非线性动力时程分析法等高级数值模拟方法，充分考虑结构的非线性特征，以便更准确地评估结构的抗震性能[2]。

（三）地震易损性与风险评估

地震易损性与风险评估属于重大工程地震安全性评价的高级阶段，借助科学手段量化结构在地震作用下的破坏概率及损失程度，为结构抗震设计提供决策依据，地震易损性分析是评估结构在地震作用下破坏概率的关键部分，一般运用概率地震需求分析方法（PSDM）以及增量动力分析方法（IDA）等开展地震易损性分析。PSDM方法凭借构建结构的地震需求模型，结合地震动的概率分布特性，评估结构在不同地震烈度下的破坏概率，IDA方法是逐步增加地震动强度，观察结构动力响应变化规律，评估结构在不同地震强度下的破坏状态，这两种方法可较准确地评估结构在地震作用下的破坏概率，为结构抗震设计提供关键依据。风险评估是在地震易损性分析基础上，评估结构在地震作用下的损失程度，一般采用基于性能的抗震设计方法（PBSD）进行风险评估，PBSD方法凭借定义结构的性能目标，比如生命安全、使用功能、修复成本等，结合地震易损性分析结果，评估结构在地震作用下的损失程度，这种方法能更全面地考量结构在地震作用下的安全性与经济性，为结构抗震设计提供更科学的决策依据。在地震易损性与风险评估中，还得关注结构的不确定性因素，对于重大工程来说，其结构大多时候有高度复杂性，存在多种不确定性因素，像地震动的不确定性、结构参数的不确定性、材料性能的不确定性等，这些不确定性因素会对结构的破坏概率和损失程度产生关键影响，在地震易损性与风险评估中，要采用概率统计方法、贝叶斯网络等高级数学工具，充分考虑结构的不确定性因素，以便更准确地评估结构的抗震性能[3]。

二、重大工程地震抗震设防优化要点

（一）科学选择抗震技术与材料

在高烈度地震区域内的重大工程项目，像是大型桥梁、高层建筑以及核电站等，需要运用更为先进的抗震技术，比如隔震技术和消能减震技术，隔震技术是在结构底部安置隔震支座，把地震能量隔离在结构之外，以此减小结构的地震响应，消能减震技术则是在结构中设置耗能元件，吸收并且耗散地震能量，降低结构的振动幅度。这些技术的选用要充分考量工程的结构形式、高度、跨度等因素，以及地震动的频谱特性、振幅特性和持时特性等，在抗震设计过程中，应当优先选用有良好抗震性能的材料，例如高强度钢材和高性能混凝土等，这些材料拥有较高的强度和韧性，可承受较大的地震作用而不出现破坏情况。还需要重视材料的耐久性和耐腐蚀性，以此保证结构在长期使用时的抗震性能，对于一些关键部位和构件，像梁柱节点、剪力墙等，还可采用特殊抗震材料，比如形状记忆合金、高阻尼橡胶等，来提升结构的抗震能力，在结构设计当中，要注重节点的连接方式以及构造细节，保证节点在地震作用下有可靠性和稳定性。还应当采用合理的构造措施，例如设置抗震缝、加强层等，来提高结构的整体抗震性能，这些构造措施的选择与实施要充分考虑结构的受力特点以及地震作用方式，以此保证其有效性和经济性[4]。

（二）结构设计提升抗震性能

在地震频发地区开展重大工程建设时，结构设计的优化程度对工程在强烈地震作用下的安全性能与韧性起着决定性作用，像高层建筑以及大型桥梁这类关键基础设施，所面临的地震风险格外较大，在选择其结构体系时，需要重点考虑整体抗侧力能力以及能量消耗机制，框架-剪力墙结构由于刚度和延性达到了较好的平衡状态，成为高层建筑的优先选择方案，框架-核心筒结构借助中央核心区域较高的刚度以及周边框架出色的变形能力，达成了地震能量的高效分散与消耗[5]。结构冗余度的合理设定很关键，它可保证即便个别构件达到极限状态，整体结构依旧可以维持基本承载功能，有效避免连续倒塌情况的出现。

平面有规则性以及立面呈现规则性，以及质量分布体现出均匀性，这些都是达成结构拥有良好抗震性能的基础条件，实践可说明，那些平面呈现不规则状态，并且刚度分布不均匀的结构，在遭遇地震作用的时候非常容易产生扭转效应，致使局部应力出现集中情况，同时产生过大变形，针对那些没办法避免出现不规则性的工程，需要运用严格的动力时程分析方法来进行验证，还要设置专门的抗扭构件，以此来克服不利影响。合理控制各个楼层之间的刚度突变情况，防止软弱层形成，这对于防止结构出现薄弱环节而言是十分关键的，现代抗震设计已经从单纯依靠结构自身去抵抗地震作用，转变为主动引入专门的耗能减震装置，粘滞阻尼器、屈服型阻尼器等在高层建筑当中的应用，可有效地增加结构系统的阻尼比，把地震输入的能量转化为热能消耗掉，在大型桥梁工程里面，铅芯橡胶支座与摩擦摆隔震系统的应用，借助延长结构周期并且提供附加阻尼，降低了桥梁上部结构所承受的地震力。这些新型抗震技术的引入，让工程师可更加精准地调控结构动力特性，实现“以柔克刚”的抗震设计理念，借助精细的场地地震危险性分析，识别出场地可能经历的地震动频率特征，有针对性地调整结构周期，避开地震动的主要能量区间，对于极高层建筑，适当延长基本周期，使其远离场地土壤卓越周期，可有效减小地震响应，对于相对刚度较大的结构，则可凭借适当柔化或增设隔震层的方式，避免与短周期地震动的共振效应。另外借助合理设计结构各阶振型的周期比，避免高阶振型对总体响应产生较大贡献，这也是结构动力优化的关键手段[6]。

（三）施工与运维管理精细

在重大工程开展抗震设防工作时，施工与运维管理的精细化十分关键，施工期间，要严格依照抗震设计要求来展开施工操作，以此保证各项抗震构造措施可切实得以有效施行，还得重视施工质量的监测以及控制工作，保证结构的尺寸、形状以及位置等方面均契合设计要求，比如在浇筑混凝土的时候，需严格把控混凝土的配合比以及浇筑质量，保证混凝土有相应强度与耐久性。焊接钢结构时，要严格控制焊接质量以及焊缝尺寸，保证钢结构拥有整体性与稳定性，施工进程中，应运用先进的监测技术和设备，针对结构的施工质量以及抗震性能实施实时监测与评估，可以借助应变计、加速度计等传感器，对结构的应力、应变以及加速度等参数进行实时监测[7]。另外也可采用无损检测技术，像超声波检测、射线检测等，对结构的内部缺陷和损伤开展检测与评估，收集和分析这些监测数据，可为施工质量的控制以及抗震性能的优化提供关键依据，运维阶段，要注重结构的日常维护和保养工作，及时察觉并处理结构出现的损伤和缺陷，并且还应定期对结构进行抗震性能评估与检测，保证结构的抗震性能符合设计要求。例如可定期针对高层建筑以及大型桥梁开展振动测试和动力特性分析，评估结构整体刚度以及阻尼比等参数的变化状况，对于发现的损伤和缺陷，要及时采取措施给予修复和加固，保证结构的抗震性能获得有效保障[8]。

结束语：

重大工程地震安全性评价与抗震设防优化研究是保障工程安全、减少地震灾害损失的关键。通过深入研究地震安全性评价方法，如震害等级评估、地震可靠度分析等，并结合抗震设防的优化策略，我们能够更有效地提升工程的抗震能力。未来，随着科技的进步和研究的深入，我们期待为重大工程提供更加科学、全面的地震安全保障。

参考文献：

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[4]张赛,姜旭辉,方晓红,等. 店埠河特大桥工程场地地震安全性评价研究 [J]. 华北科技学院学报, 2022, 19 (05): 102-111.

[5]黎益仕,吴健,赵凤新. 区域性地震安全性评价发展现状与定位初探 [J]. 震灾防御技术, 2022, 17 (03): 606-610.

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[7]袁媛,聂冠军. 地震安全性评价在工程建设和规划中的作用 [J]. 工程技术研究, 2021, 6 (22): 247-248.

[8]吴健. 科学确定重大建设工程抗震设防要求 重点防范重大风险 [J]. 防灾博览, 2019, (05): 29-31.