提離式基礎抗震性能研究綜述

董 凱

（同濟大學 土木工程學院,中國 上海200092）

0 引言

震是困擾人類的一大自然災害，就近年來說，最近30余年，地球上發生了多次地震災害。2008年5月12日發生在我國四川的“汶川”8.0級特大地震，造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。橋梁工程作為震后重要的交通樞紐，對于營救傷員、發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節，在地震作用時易產生破壞。其中基礎的破壞較為常見。過去，擴大基礎為了地震時能夠承受較大的地震力，往往將尺寸設計得過大，高度過厚；樁基礎中，樁或樁中主筋往往深入承臺，地震時地面運動通過樁-承臺固結體系，將能量傳至上部結構，上部結構過大的慣性力反過來又可能導致樁上拔及剪切破壞。為此，地震時，如果允許擴大基礎底面與土體短暫分離（或樁與承臺分離），這樣傳至上部結構的地震能量會大大減小。同時，由于基礎（或承臺）與下面交替提離與接觸，這樣會來回搖擺，延長結構自振周期，從而避開了場地的卓越周期，進而減小了整個橋梁的地震反應。各國學者從上世紀六十年代以來，投入大量精力進行研究，以期給橋梁抗震帶來新的設計思路。本文從理論研究、試驗研究和工程應用三個方面來進行簡要敘述。

1 理論研究

二十世紀六十年代，有地震工程師（Housner1963；Meek 1978）指出了結構搖擺減震機制的應用前景.。在大地震的震害調查中發現，有一些很脆弱的結構由于不經意的搖擺而在地震中安然無恙（Cloud 1963；Hanson 1973）。Housner(1968)被認為是第一個明確地將基礎提離與結構的地震反應聯系起來的科學家。Clough和Huckelbridge(19771978)根據三層鋼框架式房屋模型的振動臺試驗也證明，允許柱基產生提離可改善結構的性狀，使其破壞大大減輕，也就是說允許基礎出現提離，可以降低對于框架的強度和延性要求。Muto等（1980）通過單自由度結構模型的振動臺試驗和計算分析，發現柔性結構在其基座上做搖擺運動，在地震時是十分穩定的。經過幾十年的發展，研究者已經提出了幾種模型來模擬提離的發生，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這種現象進行分析。在他的一本書中,分析了塊體的自由振動并建立了數學方程來計算搖擺周期及由于振動而產生能量損失。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彈簧模型擴大基礎的提離

和復雜的有限元及邊界元模型相比，Winkler彈簧模型在模擬土-結構相互作用時更為簡便。Winkler模型更便于實際應用。Allotey通過研究Winkler模型，推導出可以應用于土-結構相互作用的狀態方程并成功地求解了基于Winkler模型的剛性基礎的彎矩-轉角響應問題。基于Winkler彈簧模型，提離基礎共有6種不同的響應狀態，分別是：先彈性后提離、彈性與提離同時發生、先提離后彈性、先屈服后提離、先提離后屈服及達到彈塑性極限。

1.3 改進的Winkler彈簧模型

美國聯邦應急管理局推薦了幾種不同的方式來使用Winkler彈簧。他們推薦采用豎向剛度和旋轉剛度非耦合的模型[2]。如圖2所示，有兩種不同的彈簧：中彈簧和邊彈簧。邊彈簧單位長度的剛度是基于L×B/6的基礎豎向剛度；中彈簧單位長度的剛度等于無限長基礎的豎向剛度。

圖2 Winkler彈簧模型

圖3 Sakellaraki的試驗模型

2 試驗研究

試驗研究主要分為兩種類型，一種重點是研究基礎和土體相互作用，此時基礎與土體接觸面會產生永久變形；另一種是主要研究提離對上部的影響[3]。下面就這兩類試驗分別選取一個典型例子進行說明。

2.1 Sakellaraki試驗

Sakellaraki[4]進行了一次小型提離式基礎的振動臺試驗。他通過使用縮尺模型模擬了基礎-橋墩-主梁系統，這個系統包括橋面板、立柱、橋墩、基礎以及土體。試驗構件高度是840mm，基礎截面寬度是300mm，他所采用的構件如圖3。考慮了主梁兩側質量、墩柱剛度、基礎大小及地面剛度。振動臺試驗考慮了五條地震波，包括Kobe1995、Turkey1999和 Ojiya2004。

2.2 Espinoza和Mahin試驗

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

圖4 Espinozo的試驗模型

圖5 Rion-Antirion橋加筋土隔震基礎

3 工程應用

近幾十年中，已有一些實際橋梁采用提離式基礎的概念，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橋采用新型的基礎形式--加筋土隔震基礎，我們可以看到提離式基礎的概念，從下面的介紹中，可以看出此種基礎形式混合了提離式樁基礎和擴大基礎的特點。

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

4 總結

本文從提離式基礎的理論研究、試驗研究和工程應用三個方面進行敘述，簡要回顧了這種新型基礎形式近幾十年來的發展狀況。提離式基礎由于能夠通過土體塑形耗能和搖擺減隔震來減小上部結構在地震時所承受的加速度，由此會很大程度的降低橋梁整體由于抗震設計而增加的費用。相信在不遠的將來，提離式基礎能夠成為一種地震區常采用的基礎形式。必須說明的是，我們國家在這個方面起步晚，和世界先進水平（如新西蘭）相比，有較大差距。希望通過本文的簡要敘述，引起工程技術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．提離式樁基礎抗震性能擬靜力試驗研究[D]．上海：同濟大學，2010．

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

［5］Espinoza A．and 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．and 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．