李均進(jìn)， 熊露瑤， 張焱焜， 李嵩林， 李 想

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650051；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

橋梁是地震中破壞較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)物，震后緊急救援和災(zāi)后重建中，橋梁又是咽喉要道，發(fā)揮著極其重要的作用。如何采取有效措施確保橋梁工程在地震中的安全性和可靠性，最大限度降低地震災(zāi)害，已成為人們越來越關(guān)注的課題[1-2]。

鄭史雄[3]針對地震作用下的橋墩動力響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了流固耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。李獻(xiàn)忠等[4]通過數(shù)值模擬的方式對橋墩周圍的地震動水壓力進(jìn)行了研究，分析探討了地震動水壓力對深水橋梁的影響。谷音等[5]針對水-土-橋梁動力相互作用下的大跨橋梁地震反應(yīng)，分析了動水壓力對深水橋梁的地震反應(yīng)影響規(guī)律。孔藝達(dá)等[6]以深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，通過建立有限元模型，分別采用反應(yīng)譜分析和時程分析方法，探討了動水壓力對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律。冼巧玲等[7]采用數(shù)值模擬方法，分析探討了水深變化對橋梁動力特性的影響，以及不同方向地震波作用下橋梁動力響應(yīng)的影響規(guī)律。左生榮等[8]針對某實橋案例，利用有限元建模分析探討了地震作用下深水橋梁不同高度處的動力響應(yīng)。江輝等[9]針對近、遠(yuǎn)場地震下深水橋墩的動力響應(yīng)特性進(jìn)行了對比及研究。黃信等[10]基于Morison方程和輻射波浪理論對動水壓力作用下的橋墩地震響應(yīng)進(jìn)行了研究。柳春光等[11]同樣基于Morison方程并采用Airy理論通過自編程序?qū)ι钏畼蛄涸诹鞴恬詈献饔孟碌牡卣痦憫?yīng)進(jìn)行了分析。王志華等[12]基于Navier-Stokes方程建立了深水橋墩地震反應(yīng)分析有限元模型，進(jìn)而分析探討了流固耦合效應(yīng)對橋墩墩身變形以及內(nèi)力的影響。吳安杰等[13]通過建立波浪、水流和地震聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，分析探討了不同波流要素對深水橋梁動力響應(yīng)的影響。趙秋紅等[14]在地震-波浪耦合作用下對深水橋墩動力響應(yīng)進(jìn)行分析，同時考慮了惡劣相位差的影響，并基于分析結(jié)果提出了耦合作用折算系數(shù)，簡化了最大動力響應(yīng)幅值的計算，推動了其在實際工程中的應(yīng)用。

綜上分析，抗震研究主要包括2方面：一是數(shù)值模擬計算研究分析；二是物理模型試驗研究。在模擬地震振動臺上進(jìn)行抗震模型試驗被認(rèn)為是最直觀的結(jié)構(gòu)抗震試驗，所得結(jié)果與地震作用結(jié)果有較好的可比性，對結(jié)構(gòu)的抗震研究和設(shè)計有著重要的參考價值。

隨著我國橋梁工程建設(shè)的不斷發(fā)展，跨江、跨河、跨海大橋修建越來越多，而在地震作用下，位于深水中的橋墩會和周圍水體發(fā)生動力相互作用，這會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全造成威脅[15]。為此，本文通過振動臺模型試驗，研究不同岸坡地形、不同截面型式的橋墩在地震作用下對其動水壓力的影響，為橋梁抗震設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 模型設(shè)計

結(jié)合振動臺試驗條件，擬定了矩形、圓端形、矩形變截面3種截面型式，其中矩形截面模型為長度0.5 m、寬度0.3 m、高度2.5 m的實心截面模型。為了凸顯截面型式對動水壓力及橋墩響應(yīng)的影響，在矩形截面的設(shè)計基礎(chǔ)上按截面剛度等效原則，采用式(1)將矩形截面等效成圓端形截面，3種模型高度均為2.5 m，配筋率保持一致，均為0.8%。

(1)

式中：b為矩形截面寬度，m；h為矩形截面高度，m；d為圓形截面直徑，m。

此外，為探索等截面型式和變截面型式對流固耦合效應(yīng)的影響，補(bǔ)充了1組變截面矩形橋墩的試件。為保證3個截面型式的橋墩模型重量及重心高度一致，模型重量一致問題采用等重心等軸壓比的原則設(shè)計。各模型設(shè)計尺寸如圖1～圖3所示，混凝土成形試件如圖4所示。

(a) 立面

(b) 側(cè)面

(c) 俯視圖

1.2 試驗工況

為研究不同截面型式下橋墩的動水壓力分布規(guī)律，試驗對象參數(shù)主要包括：橋墩截面型式和岸坡地形。其中岸坡地形設(shè)置了有反射波和無反射波2種工況，模擬水深為1.6 m、地震動為0.292g的E1地震激勵波，振動方向選用X(橫向)+2/3Z(豎向)地震波。根據(jù)這些參數(shù)擬定3個截面型式模型的試驗工況共6個，如表1所示。

(a) 立面

(b) 側(cè)面

(c) 俯視圖

1.3 試驗準(zhǔn)備

1) 地震模擬臺陣參數(shù)

在地震模擬臺陣上進(jìn)行抗震模型試驗，考慮到模型規(guī)模和安裝需要，本次試驗使用移動臺。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作頻率0.1 Hz～50 Hz、水平方向最大位移±150 mm、豎向最大位移±150 mm、水平方向最大速度±800 mm/s、豎向最大速度±600 mm/s、水平方向最大加速度±1.0g、豎向最大加速度±1.0g。

2) 水域環(huán)境模擬

采用鋼制水箱模擬水域環(huán)境，水箱底面長度、寬度及水箱深度分別為4.5 m、2.95 m、2.0 m，水箱外側(cè)板板厚2 cm，內(nèi)側(cè)板板厚1 cm，底板板厚4 cm。模型固定在水箱內(nèi)，再將水箱固定在振動臺上，以實現(xiàn)塔墩在水中的振動。為了防止水箱里的水在試驗過程中滲漏到設(shè)備中，試驗水箱采用雙層箱壁設(shè)計，箱底密封，無箱頂，箱壁采用雙層鋼板間加肋處理，如圖5所示。

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(a) 立面

(c) 俯視圖

圖4 3種截面型式的混凝土成形試件

表1 試驗工況

3) 試驗傳感器布設(shè)

在不同橋墩墩身分別布設(shè)8個動水壓力傳感器，分別布設(shè)在距墩身底部0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.4 m、1.5 m處，傳感器布設(shè)如圖6、圖7所示。

圖5 模擬庫區(qū)環(huán)境的試驗水箱

(a) 立面

圖7 試驗?zāi)Ｐ蛡鞲衅鞑荚O(shè)

4) 不同岸坡地形模擬

為模擬有反射波和無反射波的不同岸坡地形，通過在水箱側(cè)壁布置了吸波材料的塑料盲溝，以有效模擬實際水域?qū)λw波動的無限遠(yuǎn)傳播條件，從而模擬有反射波和無反射波2種工況。其中吸波材料為40 cm厚的土工席墊。預(yù)試驗觀測發(fā)現(xiàn)，在地震波作用下，布置了吸波材料的水箱側(cè)壁無明顯反射波。依此作為無反射波的系列工況，開展后續(xù)試驗。

2 橋墩截面型式對動水壓力的影響

分別在有反射波、無反射波的工況下，將矩形截面、圓端形截面和變截面矩形模型在1.6 m水深時沿水深布置的各動水壓力測點(diǎn)峰值進(jìn)行對比，即分別在有反射波、無反射波且沿橋墩模型X+2/3Z輸入E1地震波時，對比3種橋墩各動水壓力測點(diǎn)峰值變化。

2.1 無反射波時不同截面型式對動水壓力的影響

在不考慮水體反射波的工況下，分別將矩形截面、圓端形截面和變截面矩形模型在1.6 m水深時沿水深布置的各動水壓力測點(diǎn)峰值進(jìn)行對比，即不考慮反射波且沿橋墩模型X+2/3Z輸入E1地震波時3種橋墩各動水壓力測點(diǎn)峰值，如表2、圖8所示。

表2 1.6 m水深無反射波各橋墩模型各測點(diǎn)橫向動水壓力峰值

圖8 無反射波時1.6 m水深下各截面模型動水壓力峰值對比

2.2 有反射波時不同截面型式對動水壓力的影響

在有反射波工況下，分別將矩形截面、圓端形截面和變截面矩形模型在1.6 m水深時沿水深布置的各動水壓力測點(diǎn)峰值進(jìn)行對比，即考慮反射波且沿橋墩模型橫向X+2/3Z豎向輸入E1地震波時3種橋墩各動水壓力測點(diǎn)峰值，如表3、圖9所示。

由表3及圖9可知，在有反射波時同一水深下，3種截面型式橋墩的動水壓力峰值均隨水深增加而增大，且矩形截面的動水壓力峰值最大，圓端形截面橋墩動水壓力峰值最小，且該現(xiàn)象在橋墩底部較為明顯，沿墩身向上即越靠近水面，3種截面型式橋墩的動水壓力峰值越接近，說明在有反射波時圓端形截面較矩形截面和變截面矩形來說仍然可以減小地震動水壓力。

表3 1.6 m水深有反射波各橋墩模型各測點(diǎn)橫向動水壓力峰值

由圖8、圖9可知，無論是在有、無反射波工況下，橋墩的截面型式在較低水位時對動水壓力的峰值影響程度較小，當(dāng)處于高水位時，截面型式對動水壓力峰值的影響較為顯著，且圓端形截面型式明顯優(yōu)于矩形截面型式和變截面型式。

圖9 有反射波時1.6 m水深下各截面模型動水壓力峰值對比

2.3 岸坡地形條件對動水壓力的影響

為對比岸坡地形對各不同截面橋墩地震動水壓力的影響，分別對有反射波和無反射波工況下各橋墩動水壓力峰值進(jìn)行對比分析。

1) 岸坡地形對矩形模型地震動水壓力的影響

為對比岸坡地形對矩形模型地震動水壓力的影響，分別對矩形模型有反射波和無反射波工況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表4、圖10所示。

表4 矩形橋墩模型不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值

圖10 矩形截面橋墩不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值對比

2) 岸坡地形對變截面矩形模型地震動水壓力的影響

為對比岸坡地形對變截面矩形模型地震動水壓力的影響，分別對變截面矩形模型有反射波和無反射波工況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表5、圖11所示。

3) 岸坡地形對圓端形截面模型地震動水壓力的影響

為對比岸坡地形對圓端形截面模型地震動水壓力的影響，分別對圓端形截面模型有反射波和無反射波工況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表6、圖12所示。

由上述3種截面地震動水壓力峰值對比情況可知，岸坡地形即水體反射波對于3種截面型式橋墩的影響均呈現(xiàn)相似的規(guī)律，在水面下1.1 m時，水體反射波對于動水壓力峰值具有明顯的增強(qiáng)效果，其中矩形截面模型的增幅為10.5%，圓端形截面模型的增幅為14.6%，變截面模型的增幅為19.1%。因此當(dāng)深水橋墩處于類似于本試驗水箱的地形條件如兩岸較近的峽谷時應(yīng)注意水體的反射波對于動水壓力的放大作用。

表5 變截面矩形橋墩模型不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值

表6 圓端形截面橋墩模型不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值對比

圖11 變截面矩形截面橋墩不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值對比

圖12 圓端形截面橋墩不同水深測點(diǎn)動水壓力峰值對比

3 結(jié)論

本文介紹了水與橋塔模型動力相互作用的振動臺試驗的設(shè)計和實施，主要包括橋塔模型的設(shè)計及試驗相關(guān)環(huán)節(jié)的確定，通過模擬地震試驗，采集不同水深測點(diǎn)處的動水壓力，分析了在不同岸坡地形下不同截面型式橋墩對動水壓力的影響，主要結(jié)論如下：

1) 橋墩的截面型式在較低水位時對動水壓力的峰值影響程度較小，當(dāng)處于高水位時，截面型式對動水壓力峰值的影響較為顯著，且圓端形截面型式明顯優(yōu)于矩形截面型式和變截面型式。

2) 不同截面型式的橋墩模型在墩底測點(diǎn)動水壓力最大，且有反射波與無反射波工況下，不同截面型式的橋墩對動水壓力影響規(guī)律基本一致。

3) 水體反射波對動水壓力峰值具有明顯的增強(qiáng)效果，且對變截面型式影響最大，對矩形截面型式影響最小。