桥梁提离式基础抗震设计研究

桥梁提离式基础抗震设计研究

0桥梁抗震中基础的破坏地震是一种严重的人类疾病。据最近30多年的报道，30多年前，世界上发生了几十次地震。2008年5月12日发生在我国四川的“汶川”8.0级特大地震,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。桥梁工程作为震后重要的交通枢纽,对于营救伤员、发放救援物资具有重要作用。而桥梁由于其特殊性,往往又是线路上的薄弱环节,在地震作用时易产生破坏。其中基础的破坏较为常见。过去,扩大基础为了地震时能够承受较大的地震力,往往将尺寸设计得过大,高度过厚;桩基础中,桩或桩中主筋往往深入承台,地震时地面运动通过桩-承台固结体系,将能量传至上部结构,上部结构过大的惯性力反过来又可能导致桩上拔及剪切破坏。为此,地震时,如果允许扩大基础底面与土体短暂分离(或桩与承台分离),这样传至上部结构的地震能量会大大减小。同时,由于基础(或承台)与下面交替提离与接触,这样会来回摇摆,延长结构自振周期,从而避开了场地的卓越周期,进而减小了整个桥梁的地震反应。各国学者从上世纪六十年代以来,投入大量精力进行研究,以期给桥梁抗震带来新的设计思路。本文从理论研究、试验研究和工程应用三个方面来进行简要叙述。1基础提离与结构的作用机理1.1种现象的分析Housner首先观察到地震中建筑物的摇摆并对这种现象进行分析。在他的一本书中,分析了块体的自由振动并建立了数学方程来计算摇摆周期及由于振动而产生能量损失。Housner的摇摆块模型如图1所示。1.2基于wol模型的刚性动力特性和复杂的有限元及边界元模型相比,Winkler弹簧模型在模拟土-结构相互作用时更为简便。Winkler模型更便于实际应用。Allotey通过研究Winkler模型,推导出可以应用于土-结构相互作用的状态方程并成功地求解了基于Winkler模型的刚性基础的弯矩-转角响应问题。基于Winkler弹簧模型,提离基础共有6种不同的响应状态,分别是:先弹性后提离、弹性与提离同时发生、先提离后弹性、先屈服后提离、先提离后屈服及达到弹塑性极限。1.3弹簧刚度非耦合美国联邦应急管理局推荐了几种不同的方式来使用Winkler弹簧。他们推荐采用竖向刚度和旋转刚度非耦合的模型。如图2所示,有两种不同的弹簧:中弹簧和边弹簧。边弹簧单位长度的刚度是基于L×B/6的基础竖向刚度;中弹簧单位长度的刚度等于无限长基础的竖向刚度。2基础与土体相互作用试验研究主要分为两种类型,一种重点是研究基础和土体相互作用,此时基础与土体接触面会产生永久变形;另一种是主要研究提离对上部的影响。下面就这两类试验分别选取一个典型例子进行说明。2.1-主梁试验系统Sakellaraki进行了一次小型提离式基础的振动台试验。他通过使用缩尺模型模拟了基础-桥墩-主梁系统,这个系统包括桥面板、立柱、桥墩、基础以及土体。试验构件高度是840mm,基础截面宽度是300mm,他所采用的构件如图3。考虑了主梁两侧质量、墩柱刚度、基础大小及地面刚度。振动台试验考虑了五条地震波,包括Kobe1995、Turkey1999和Ojiya2004。2.2钢筋混凝土墩柱的设计Espinoza和Mahin采用大比例尺模型来分析桥墩的提离效应。这些桥墩承受多向地震荷载。虽然这仅仅是个初步的试验,但很多结果值得一提。经过简化将钢筋混凝土墩柱及基础模型放在50mm厚的橡胶垫上。墩柱直径为410mm,选择的基础宽度是3倍的墩柱直径,构件总高度为275cm,构件如图4所示。采用各级地震单向及双向加载。然后各级地震加载均保持墩柱为弹性。3主桥桥塔基础概况近几十年中,已有一些实际桥梁采用提离式基础的概念,主要有新西兰的Honshu-Shikoku桥、AkashiStraight桥、KurushimaStraight桥以及希腊的Rion-Antirion桥。希腊的Rion-Antirion桥采用新型的基础形式--加筋土隔震基础,我们可以看到提离式基础的概念,从下面的介绍中,可以看出此种基础形式混合了提离式桩基础和扩大基础的特点。Rion-Antirion横跨希腊科林斯海峡,主桥为多塔结合梁斜拉桥,桥面连续,采用五跨全漂浮结构体系。该桥桥位的建设条件非常复杂,要求大桥能够承受2000年一遇的地震,最大峰值加速度达到1.2g。桥梁要承受巨大的地震力,而此处海床20m深范围的土层力学性能不好。主桥桥塔基础最终构造如图5所示,采用了直径达90m的圆形钢筋混凝土箱筏基础。为提高土的性能,用长25~30m的钢管以7~8m的间距进行土体加固,每墩下约有250根钢管桩。为允许基础和地基之间的滑动,在钢管上铺设厚50cm的反虑砂层,其上铺设厚2m、直径为10~80cm的鹅卵石层,最上面铺设厚50cm的碎石层。这样桥梁基础直接摆放在上述总厚3m的砂砾层上,基础和砂砾层连接较弱,可在地震时产生向上及左右的移动(但在运营期及小地震时不会滑动),起到了隔震的作用。4提离式基础的设计本文从提离式基础的理论研究、试验研究和工程应用三个方面进行叙述,简要回顾了这种新型基础形式近几十年来的发展状况。提离式基础由于能够通过土体塑形耗能和摇摆减隔震来减小上部结构在地震时所承受的加速度,由此会很大程度的降低桥梁整体由于抗震设计而增加的费