提離式基礎(chǔ)抗震性能研究綜述

董 凱

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,中國(guó) 上海200092）

0 引言

震是困擾人類(lèi)的一大自然災(zāi)害，就近年來(lái)說(shuō)，最近30余年，地球上發(fā)生了多次地震災(zāi)害。2008年5月12日發(fā)生在我國(guó)四川的“汶川”8.0級(jí)特大地震，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。橋梁工程作為震后重要的交通樞紐，對(duì)于營(yíng)救傷員、發(fā)放救援物資具有重要作用。而橋梁由于其特殊性，往往又是線路上的薄弱環(huán)節(jié)，在地震作用時(shí)易產(chǎn)生破壞。其中基礎(chǔ)的破壞較為常見(jiàn)。過(guò)去，擴(kuò)大基礎(chǔ)為了地震時(shí)能夠承受較大的地震力，往往將尺寸設(shè)計(jì)得過(guò)大，高度過(guò)厚；樁基礎(chǔ)中，樁或樁中主筋往往深入承臺(tái)，地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)通過(guò)樁-承臺(tái)固結(jié)體系，將能量傳至上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)過(guò)大的慣性力反過(guò)來(lái)又可能導(dǎo)致樁上拔及剪切破壞。為此，地震時(shí)，如果允許擴(kuò)大基礎(chǔ)底面與土體短暫分離（或樁與承臺(tái)分離），這樣傳至上部結(jié)構(gòu)的地震能量會(huì)大大減小。同時(shí)，由于基礎(chǔ)（或承臺(tái)）與下面交替提離與接觸，這樣會(huì)來(lái)回?fù)u擺，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，從而避開(kāi)了場(chǎng)地的卓越周期，進(jìn)而減小了整個(gè)橋梁的地震反應(yīng)。各國(guó)學(xué)者從上世紀(jì)六十年代以來(lái)，投入大量精力進(jìn)行研究，以期給橋梁抗震帶來(lái)新的設(shè)計(jì)思路。本文從理論研究、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。

1 理論研究

二十世紀(jì)六十年代，有地震工程師（Housner1963；Meek 1978）指出了結(jié)構(gòu)搖擺減震機(jī)制的應(yīng)用前景.。在大地震的震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有一些很脆弱的結(jié)構(gòu)由于不經(jīng)意的搖擺而在地震中安然無(wú)恙（Cloud 1963；Hanson 1973）。Housner(1968)被認(rèn)為是第一個(gè)明確地將基礎(chǔ)提離與結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)的科學(xué)家。Clough和Huckelbridge(19771978)根據(jù)三層鋼框架式房屋模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也證明，允許柱基產(chǎn)生提離可改善結(jié)構(gòu)的性狀，使其破壞大大減輕，也就是說(shuō)允許基礎(chǔ)出現(xiàn)提離，可以降低對(duì)于框架的強(qiáng)度和延性要求。Muto等（1980）通過(guò)單自由度結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)在其基座上做搖擺運(yùn)動(dòng)，在地震時(shí)是十分穩(wěn)定的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，研究者已經(jīng)提出了幾種模型來(lái)模擬提離的發(fā)生，常用的模型有以下三種：

1.1 Housner剛體搖擺理論

Housner[1]首先觀察到地震中建筑物的搖擺并對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析。在他的一本書(shū)中,分析了塊體的自由振動(dòng)并建立了數(shù)學(xué)方程來(lái)計(jì)算搖擺周期及由于振動(dòng)而產(chǎn)生能量損失。Housner的搖擺塊模型如圖1所示。

圖1 Housner剛性搖擺模

1.2 采用Winkler彈簧模型擴(kuò)大基礎(chǔ)的提離

和復(fù)雜的有限元及邊界元模型相比，Winkler彈簧模型在模擬土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)更為簡(jiǎn)便。Winkler模型更便于實(shí)際應(yīng)用。Allotey通過(guò)研究Winkler模型，推導(dǎo)出可以應(yīng)用于土-結(jié)構(gòu)相互作用的狀態(tài)方程并成功地求解了基于Winkler模型的剛性基礎(chǔ)的彎矩-轉(zhuǎn)角響應(yīng)問(wèn)題?；赪inkler彈簧模型，提離基礎(chǔ)共有6種不同的響應(yīng)狀態(tài)，分別是：先彈性后提離、彈性與提離同時(shí)發(fā)生、先提離后彈性、先屈服后提離、先提離后屈服及達(dá)到彈塑性極限。

1.3 改進(jìn)的Winkler彈簧模型

美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局推薦了幾種不同的方式來(lái)使用Winkler彈簧。他們推薦采用豎向剛度和旋轉(zhuǎn)剛度非耦合的模型[2]。如圖2所示，有兩種不同的彈簧：中彈簧和邊彈簧。邊彈簧單位長(zhǎng)度的剛度是基于L×B/6的基礎(chǔ)豎向剛度；中彈簧單位長(zhǎng)度的剛度等于無(wú)限長(zhǎng)基礎(chǔ)的豎向剛度。

圖2 Winkler彈簧模型

圖3 Sakellaraki的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究主要分為兩種類(lèi)型，一種重點(diǎn)是研究基礎(chǔ)和土體相互作用，此時(shí)基礎(chǔ)與土體接觸面會(huì)產(chǎn)生永久變形；另一種是主要研究提離對(duì)上部的影響[3]。下面就這兩類(lèi)試驗(yàn)分別選取一個(gè)典型例子進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 Sakellaraki試驗(yàn)

Sakellaraki[4]進(jìn)行了一次小型提離式基礎(chǔ)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。他通過(guò)使用縮尺模型模擬了基礎(chǔ)-橋墩-主梁系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括橋面板、立柱、橋墩、基礎(chǔ)以及土體。試驗(yàn)構(gòu)件高度是840mm，基礎(chǔ)截面寬度是300mm，他所采用的構(gòu)件如圖3?？紤]了主梁兩側(cè)質(zhì)量、墩柱剛度、基礎(chǔ)大小及地面剛度。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)考慮了五條地震波，包括Kobe1995、Turkey1999和 Ojiya2004。

2.2 Espinoza和Mahin試驗(yàn)

Espinoza和Mahin[5]采用大比例尺模型來(lái)分析橋墩的提離效應(yīng)。這些橋墩承受多向地震荷載。雖然這僅僅是個(gè)初步的試驗(yàn)，但很多結(jié)果值得一提。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化將鋼筋混凝土墩柱及基礎(chǔ)模型放在50mm厚的橡膠墊上。墩柱直徑為410mm，選擇的基礎(chǔ)寬度是3倍的墩柱直徑，構(gòu)件總高度為275cm，構(gòu)件如圖4所示。采用各級(jí)地震單向及雙向加載。然后各級(jí)地震加載均保持墩柱為彈性。

圖4 Espinozo的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 Rion-Antirion橋加筋土隔震基礎(chǔ)

3 工程應(yīng)用

近幾十年中，已有一些實(shí)際橋梁采用提離式基礎(chǔ)的概念，主要有新西蘭的 Honshu-Shikoku 橋、Akashi Straight橋、Kurushima Straight橋以及希臘的Rion-Antirion橋。希臘的Rion-Antirion橋采用新型的基礎(chǔ)形式--加筋土隔震基礎(chǔ)，我們可以看到提離式基礎(chǔ)的概念，從下面的介紹中，可以看出此種基礎(chǔ)形式混合了提離式樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)的特點(diǎn)。

Rion-Antirion橫跨希臘科林斯海峽，主橋?yàn)槎嗨Y(jié)合梁斜拉橋，橋面連續(xù)，采用五跨全漂浮結(jié)構(gòu)體系。該橋橋位的建設(shè)條件非常復(fù)雜，要求大橋能夠承受2000年一遇的地震，最大峰值加速度達(dá)到1.2g。橋梁要承受巨大的地震力，而此處海床20m深范圍的土層力學(xué)性能不好。主橋橋塔基礎(chǔ)最終構(gòu)造如圖5所示，采用了直徑達(dá)90m的圓形鋼筋混凝土箱筏基礎(chǔ)。為提高土的性能，用長(zhǎng)25～30m的鋼管以7～8m的間距進(jìn)行土體加固，每墩下約有250根鋼管樁。為允許基礎(chǔ)和地基之間的滑動(dòng)，在鋼管上鋪設(shè)厚50cm的反慮砂層，其上鋪設(shè)厚2m、直徑為10～80cm的鵝卵石層，最上面鋪設(shè)厚50cm的碎石層。這樣橋梁基礎(chǔ)直接擺放在上述總厚3m的砂礫層上，基礎(chǔ)和砂礫層連接較弱，可在地震時(shí)產(chǎn)生向上及左右的移動(dòng)（但在運(yùn)營(yíng)期及小地震時(shí)不會(huì)滑動(dòng)），起到了隔震的作用。[6]

4 總結(jié)

本文從提離式基礎(chǔ)的理論研究、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行敘述，簡(jiǎn)要回顧了這種新型基礎(chǔ)形式近幾十年來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。提離式基礎(chǔ)由于能夠通過(guò)土體塑形耗能和搖擺減隔震來(lái)減小上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)所承受的加速度，由此會(huì)很大程度的降低橋梁整體由于抗震設(shè)計(jì)而增加的費(fèi)用。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，提離式基礎(chǔ)能夠成為一種地震區(qū)常采用的基礎(chǔ)形式。必須說(shuō)明的是，我們國(guó)家在這個(gè)方面起步晚，和世界先進(jìn)水平（如新西蘭）相比，有較大差距。希望通過(guò)本文的簡(jiǎn)要敘述，引起工程技術(shù)人員的重視并為他們提供一些參考。

［1］Housner G W．The Behavior of Inverted Pendulum Stuctures during Earthquake[A]//Housner G W．Bulletin of the Seismological Society of America，Vol．53，No．2，pp．403-417．

［2］FEMA 356．Prestandard and Commentary for Seismic Rehabilitation of Buildings[Z]．Washington，D．C：Fedral Emergency Management Agency，2000．

［3］王立忠．提離式樁基礎(chǔ)抗震性能擬靜力試驗(yàn)研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2010．

［4］Sakellaraki，D．a(chǎn)nd Kawashima，K．Effectiveness of Seismic Rocking Isolation of Bridge Based on Shake Table Test[A]//Sakellaraki．First European Conference on Earthquake．

［5］Espinoza A．a(chǎn)nd Mahin S．Rocking of Bridge Piers Subjected to Multi-Directional Earthquake Loading[A]//Espinoza．Technical Memorandum of Public Works Research Institute，No.4009，pp．65-71．

［6］Espinoza A．a(chǎn)nd Mahin S．Rocking of Bridge Piers Subjected to Multi-Directional Earthquake Loading[A]//Espinoza．Technical Memorandum of Public Works Research Institute，No．4009，pp．65-71．