橋梁樁墩結(jié)構(gòu)地震振動臺模型試驗技術(shù)綜述

橋梁樁墩結(jié)構(gòu)地震振動臺模型試驗技術(shù)綜述

1橋梁結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀中國位于世界兩個大地震帶（太平洋地震帶和亞歐地震帶）之間。它是世界上最活躍的地震帶之一，因此的地震研究尤為重要。作為生命線工程的重要組成部分，橋梁的毀壞將使現(xiàn)代化的交通網(wǎng)絡(luò)中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。國內(nèi)外大量震害資料，如1994年美國Northridge地震、1999年臺灣Chi-Chi地震、2008年汶川大地震以及近期的海地大地震等的震害已經(jīng)證明了橋梁抗震研究的重要性。圖1為中國汶川地震中橋梁破壞照片?；跇蛄赫鸷Φ慕逃?xùn)，各國學(xué)者對橋梁抗震均十分重視，并相繼開展了廣泛而卓有成效的研究工作，該領(lǐng)域的研究成果將有利于加深對橋梁震害的理解、促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的發(fā)展。試驗研究能夠為理論研究和計算分析提供數(shù)據(jù)，并且可以驗證計算結(jié)果的正確性，推動理論研究進(jìn)入工程實踐領(lǐng)域，是進(jìn)行科學(xué)研究必不可少的手段之一。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。隨著人們對地震研究的日益加強，利用模擬地震振動臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震研究的項目不斷增加，并取得了一系列的研究結(jié)果。筆者對橋梁樁墩結(jié)構(gòu)模擬地震振動臺試驗近年來的發(fā)展和研究成果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜述和分析，內(nèi)容包括模擬地震振動臺試驗的發(fā)展歷史、工作原理及橋墩結(jié)構(gòu)振動臺試驗國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等幾個部分。2室內(nèi)試驗方法對于動力相互作用問題的研究，實際結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立過程中最大困難是缺乏必要的數(shù)據(jù)，必須理論計算與實際并行，所以試驗驗證就成為一種非常重要的研究方法。目前，主要有3種試驗方法：現(xiàn)場試驗、地震觀測和室內(nèi)試驗。其中室內(nèi)試驗因其費用低廉、簡便易行，且試驗條件易于控制，有利于參數(shù)研究和反復(fù)試驗而被廣泛采用。室內(nèi)動力試驗包括離心機(jī)試驗和振動臺試驗，由于模擬地震振動臺試驗可以很好地再現(xiàn)地震過程和進(jìn)行人工地震波試驗，是試驗室中研究類似試驗的最直接的方法，在研究結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理和破壞模式、評價結(jié)構(gòu)整體抗震能力和衡量減震、隔震效果等方面起重要作用。2.1振動試驗技術(shù)的發(fā)展振動試驗設(shè)備的發(fā)展是伴隨振動試驗技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。按激振機(jī)構(gòu)不同，振動臺可分為機(jī)械式、電磁式和電液式。機(jī)械式振動臺是振動設(shè)備中的早期產(chǎn)品，由于其工作頻率范圍過窄，振動位移小，目前已很少進(jìn)行研究和使用；繼機(jī)械式振動臺之后出現(xiàn)的電磁式振動臺有頻率高、掃描范圍廣、便于自動控制等優(yōu)點，可以得到很大的加速度信號，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、造價高且在大位移和大激振力情況下臺體體積大，也限制了其應(yīng)用范圍；20世紀(jì)50年代中期開始又出現(xiàn)了采用電液伺服系統(tǒng)的液壓振動臺，由于電液振動臺能夠真實地模擬各種試驗環(huán)境，又具有推力大、頻率低的優(yōu)點，適用于大位移、大激振力情況的試驗，是目前在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的模擬地震振動試驗設(shè)備。1971年前研制的振動臺均為單自由度運動系統(tǒng)，1971年后開始研制雙軸向運動系統(tǒng)，3軸向6自由度系統(tǒng)的研制則開始于1978年，到了20世紀(jì)80年代中后期普遍應(yīng)用的是3軸向6自由度系統(tǒng)。國外的主要制造公司如MTS公司、三菱公司等，他們與本國的著名大學(xué)合作，使振動技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平；中國振動臺的研制起步較晚，以研制液壓振動臺的單位居多，主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)和中國地震局工程力學(xué)研究所等。在振動臺的試驗研究成果應(yīng)用到抗震科研和實踐的同時，科研和實踐中出現(xiàn)的新問題也不斷地對振動臺試驗提出新的需求，因此，在地震模擬振動臺發(fā)展的同時，也推進(jìn)了抗震科學(xué)的發(fā)展。2.2水下地震模擬系統(tǒng)20世紀(jì)80、90年代以來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，振動臺試驗設(shè)備的研制進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。海岸和近海工程建筑物、內(nèi)河上橋梁等水工結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性受到各國地震工程界的重視。2000年之前，中國的地震模擬系統(tǒng)都不具有進(jìn)行寬水域振動試驗?zāi)芰?，國際上只有日本建有水下地震模擬系統(tǒng)（五洋建設(shè)生產(chǎn)技術(shù)研究所，1993；運輸省港灣技術(shù)研究所，1997）。與普通振動臺相比，水下振動臺在系統(tǒng)推力、控制能力方面有更高的要求，同時，普通振動臺方形臺面也不能適應(yīng)隔水密封的要求。大連理工大學(xué)工程抗震研究所于2000年建成中國唯一具有隔水密封功能的可進(jìn)行水下、陸上結(jié)構(gòu)模型試驗的地震模擬振動臺。與普通振動臺相比，該系統(tǒng)能夠更加客觀地反映出各種水下結(jié)構(gòu)振動與水動力特性。國際上當(dāng)時只有日本和中國建有水下地震模擬系統(tǒng)。2.3結(jié)構(gòu)動力特性振動臺試驗可以有目的地、有針對性地控制動力過程和材料特性，是定量定性分析結(jié)構(gòu)動力試驗的重要手段。通過振動臺試驗可以確定結(jié)構(gòu)的動力特性，包括結(jié)構(gòu)各個階段的自振頻率、周期、阻尼和振型等動力特征參數(shù)。具有如下特點：(1）它能施加所要求的任意的震動，包括人工波和地震波，而且可以在不同方向施加，以便進(jìn)行模擬地震動試驗。(2）可以進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)試驗，也可以進(jìn)行簡單結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)的非線性試驗或破損試驗。(3）數(shù)據(jù)采集與處理現(xiàn)代化，由計算機(jī)控制可進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集、保存與分析加工。文獻(xiàn)給出其工作結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。3結(jié)構(gòu)振動試驗?zāi)壳斑M(jìn)行的與橋梁樁墩結(jié)構(gòu)有關(guān)的模擬地震振動臺模型試驗按模型試件類型主要有土-墩-上部結(jié)構(gòu)振動臺試驗、橋墩水下振動臺試驗、墩-上部結(jié)構(gòu)振動臺試驗；按試驗?zāi)康姆譃閯恿δＰ驮囼灪蛣恿δＰ推茐脑囼?。各種材料的動力性能和靜力性能是有差異的，常用模型試驗試件材料根據(jù)不同的試驗?zāi)康陌ㄎ⒘；炷?、鋼材和有機(jī)玻璃等，各種材料的特點如表1所示。3.1實驗理論基礎(chǔ)3.1.1構(gòu)體系的簡化目前分析土-樁-結(jié)構(gòu)地震動力相互作用的理論研究方法主要有以下幾種。(1）集中質(zhì)量模型：又稱多質(zhì)點系模型，是一種應(yīng)用較早的計算模型，以Penzien模型為代表。該模型將結(jié)構(gòu)體系簡化為彎曲型或彎曲剪切型多質(zhì)點系，各質(zhì)點處既有水平位移又有轉(zhuǎn)角?？拷Y(jié)構(gòu)物的土體與結(jié)構(gòu)有相同振動，稱為等價土體，遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)物的地基，可近似視為半無限體，不受結(jié)構(gòu)物存在的影響。(2）彈性介質(zhì)中的梁模型：將樁視為彈性地基上的梁，離散為若干個單元，按不連續(xù)體用振動或波動理論進(jìn)行處理，目前普遍采用的是Winkler模型。(3）數(shù)值分析法：上述計算模型是基于一定假設(shè)的簡化分析方法，而有限元、邊界元等屬于精確的分析方法，可考慮較多影響因素。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值計算方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。3.1.2結(jié)構(gòu)-動力相互作用在地震作用下，處于水中的橋墩會發(fā)生一定的振動和變形，引起周圍水體的晃動，水體又以動水壓力的形式反作用于橋墩，所以橋墩與周圍水體的耦合振動是一個非常復(fù)雜的動力相互作用問題。目前考慮水體-結(jié)構(gòu)動力相互作用的方法主要有：附加水質(zhì)量法和流固耦合分析法。二者的區(qū)別在于在分別考慮流體對結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，是否還考慮結(jié)構(gòu)對流體的影響。綜上，通過對有關(guān)該領(lǐng)域的理論研究的深入理解和分析，可以指導(dǎo)人們在試驗室模型試驗中揚長避短、完善試驗，可以使試驗結(jié)果具有更高的可靠性。3.2試驗相似律的完善模型試驗需要有相似律作為指導(dǎo)，模型相似律對試驗的精確性起著極其重要的保證作用。在模型設(shè)計中，通常根據(jù)試驗場地和模型制作的條件先定出長度比尺，再以選定的比尺縮小或者放大原型的幾何尺度，通過對模型的分析進(jìn)而研究原型結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和特點，因此模型設(shè)計首先要選擇模型相似律，也就是確定所要遵循的相似準(zhǔn)則。對于縮尺模型試驗，原型結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)之間各種力學(xué)和物理量的相似關(guān)系至關(guān)重要，由于同時滿足兩個或者兩個以上作用力相似是很難實現(xiàn)的，在實際運用中，通常通過對所研究問題作深入的分析后，找出主要作用力，滿足一個主要力的相似，而忽略其他次要力的相似。文獻(xiàn)以一致相似律的形式，給出了地震模擬試驗相似律的一般表達(dá)式，解決了人工質(zhì)量模型與欠人工質(zhì)量模型等與重力效應(yīng)相關(guān)的相似關(guān)系問題。對于結(jié)構(gòu)動力模型試驗的相似換算關(guān)系有一定的技巧，應(yīng)根據(jù)不同的試驗?zāi)康?，采用不同的相似關(guān)系。林皋等（1958,2000）根據(jù)不同的試驗?zāi)康?，歸納為3種情況：彈性相似律（彈性體振動的代表性相似關(guān)系）、重力相似律（土工建筑物臨近破壞階段的代表性相似關(guān)系）和彈性力-重力相似律，并指出對于水工結(jié)構(gòu)還應(yīng)保持動水壓力與靜水荷載的相似。在確定試件幾何、應(yīng)力、加速度以及質(zhì)量等物理量的相似常數(shù)時，需要考慮振動臺激振力及臺面的限制。另外，還要注意試件的吊裝和在振動臺上的安裝。振動臺試驗結(jié)果的有效性取決于模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的相似程度，如果處理得當(dāng)，就能得到更多有用的信息，從而獲得更多接近于實際的試驗結(jié)果。遲世春等通過兩個有機(jī)玻璃模型的結(jié)構(gòu)動力試驗，驗證了結(jié)構(gòu)動力模型試驗的彈性相似律和彈性力-重力相似律，并討論了它們應(yīng)用的前提。研究人員根據(jù)對結(jié)構(gòu)動力特性、彈性振動響應(yīng)與破壞形態(tài)等試驗?zāi)康牡牟煌?，采用不同的相似關(guān)系。例如，若研究人員利用振動臺試驗研究樁墩結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和破壞機(jī)理，模型和原型的慣性力、恢復(fù)力和重力3種力應(yīng)滿足相似關(guān)系，則該試驗應(yīng)采用的是彈性力-重力相似律；而文獻(xiàn)、中試驗?zāi)康氖欠治鰳痘A(chǔ)橋墩的振動響應(yīng)，而無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞試驗研究，所以采用彈性相似律即可。3.3臂梁與試件設(shè)計通常假定墩身是一個固定在基礎(chǔ)頂面的懸臂梁，不考慮上部結(jié)構(gòu)對橋墩的約束，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量力以集中附加荷載形式作用于墩頂，試件試驗設(shè)計示意圖如圖3所示。3.3.1結(jié)構(gòu)動力試驗研究振動臺模型試驗是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，也是目前進(jìn)行樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用試驗采用最多的方法。地震中由于場地液化而引起的橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，已經(jīng)受到學(xué)者的重視，所以，對于土-墩-結(jié)構(gòu)相互作用試驗又分為液化土試驗和非液化土試驗。自第一次樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用振動臺試驗（Kubo,1969）以來，其試驗技術(shù)正在不斷發(fā)展。在國外，20世紀(jì)80年代，日本的Mizuno和Iiba首先進(jìn)行了地震波激勵下的樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用振動臺試驗；20世紀(jì)90年代，砂土液化條件下樁-土動力相互作用振動臺試驗成為一個熱點，日美等國在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，美日開展的EDUS研究項目進(jìn)行了大量的振動臺試驗研究，其研究工作已很難區(qū)分傳統(tǒng)的液化與土-結(jié)構(gòu)動力相互作用研究領(lǐng)域；近年來，很多研究人員也進(jìn)行了橋墩結(jié)構(gòu)與土-樁動力相互作用的研究工作，如IshizakiSadayuki等進(jìn)行了土-樁-上部結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，TamuraShuji等進(jìn)行了幾種條件下的結(jié)構(gòu)動力試驗；另外，文獻(xiàn)進(jìn)行了板樁碼頭附近液化土中群樁結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，文獻(xiàn)是圓截面鋼筋混凝土橋墩在多維地震激勵下的動力響應(yīng)，文獻(xiàn)利用世界上最大的振動臺研究了鋼筋混凝土橋墩遭受剪切作用的破壞機(jī)理，而文獻(xiàn)、是液化場地樁墩結(jié)構(gòu)的振動臺試驗。從目前中國國內(nèi)文獻(xiàn)來看，中國最早進(jìn)行樁基振動臺試驗的是劉惠珊和喬太平（1984），但其試驗中沒有涉及到上部結(jié)構(gòu)；真正首先做樁-土-上部結(jié)構(gòu)振動臺試驗的是韋曉（1999），該試驗采用剛性土箱進(jìn)行了一系列試驗，隨后，呂西林和陳躍升（2000）、范立礎(chǔ)和伍小平（2002）等進(jìn)行了非液化場地的土-結(jié)構(gòu)動力相互作用試驗研究；在液化場地方面，劉惠珊等（2000）曾進(jìn)行了正弦波輸入下自由場地液化模型振動臺試驗和考慮建筑地基影響的場地液化模型振動臺試驗；凌賢長等進(jìn)行過液化場地-樁-橋梁結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，并發(fā)表了一系列相關(guān)論文；馮士倫等通過振動臺試驗，研究了飽和砂土中樁基的振動特性以及樁在砂土振動液化后的水平承載特性；2007年6月，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室進(jìn)行了液化地基自由場和液化地基-上部結(jié)構(gòu)的相互作用體系的振動臺模擬試驗，初步研究了液化場地條件下動力相互作用的效果及規(guī)律；張力、唐光武等進(jìn)行的樁土橋梁結(jié)構(gòu)振動臺試驗，通過試驗，了解了樁在地震作用下的破壞規(guī)律，并比較了非液化和液化場地下樁-土相互作用機(jī)理的異同點；同時，有研究人員進(jìn)行了延性彎曲破壞和脆性彎剪破壞的鋼筋混凝土橋墩模擬地震振動臺試驗、獨柱雙層高架橋墩柱振動臺試驗、高墩振動臺試驗和水下橋墩振動臺試驗。陳躍林等通過結(jié)構(gòu)-地基動力相互作用體系的振動臺模型對比試驗，研究了不同土性的地基條件對動力相互作用效果和規(guī)律的影響。范立礎(chǔ)等總結(jié)了有關(guān)國內(nèi)外樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用試驗的研究現(xiàn)狀。凌賢長等歸納與總結(jié)了液化和軟弱場地樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)動力作用振動臺試驗及與之相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了進(jìn)行該試驗的重要意義，筆者認(rèn)為試驗將結(jié)構(gòu)的延性破壞過程和液化場地的作用有機(jī)結(jié)合起來并利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行深入研究，提出符合實際場地液化條件下鋼筋混凝土樁柱延性抗震的分析方法。在考慮周圍土影響的振動臺試驗中，只能用有限尺寸的容器來裝模擬土，而實際情況地基是沒有邊界的，這樣，由于其邊界上的波動反射以及體系振動形態(tài)的變化將會給試驗結(jié)果帶來一定的誤差，即所謂“模擬箱效應(yīng)”。所以如何合理模擬土體邊界條件，減少模擬箱效應(yīng)，是此類振動臺試驗中的一個重要問題和研究難點。在振動臺試驗中，迄今為止，常用模擬箱有3種：剛性容器（Mizuno和Iiba,1982;Finn,1987；韋曉，1999；樓夢麟等，2000）、柔性容器（Meymand,1998；陳躍林和呂西林，2000）和層狀剪切箱（Matsuda,1988；伍小平，2001；凌賢長，2002—2006），層狀剪切變形容器在模擬土的剪切變形方面明顯優(yōu)于其他幾種容器，并且采用了剛性框架，對土體能提供較好的側(cè)向約束力，不會發(fā)生土體向外膨脹的現(xiàn)象，應(yīng)用較廣。3.3.2結(jié)構(gòu)的地震試驗研究隨著中國橋梁工程建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，跨江、跨河甚至跨海大橋修建得越來越多，在地震作用下，處于深水中的橋墩會和周圍水體發(fā)生動力相互作用，所以該領(lǐng)域的研究成為熱點。對于橋墩的水下振動臺試驗，雖然有關(guān)動水效應(yīng)對樁墩結(jié)構(gòu)影響的理論研究較多，但橋墩類的水中結(jié)構(gòu)物的地震試驗研究較少。該類試驗研究一方面可以直接了解水對樁墩結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響程度和主要影響因素；另一方面獲得的數(shù)據(jù)可以作為檢驗理論分析結(jié)論的基礎(chǔ)。賴偉、王君杰等進(jìn)行了考慮橋墩動水效應(yīng)的水下振動臺試驗，試驗證明了結(jié)構(gòu)周圍水的存在會改變結(jié)構(gòu)的動力特性和地震動響應(yīng)并且會改變結(jié)構(gòu)水下部分受到的荷載激勵；文獻(xiàn)進(jìn)行了彈性階段試驗，主要研究了動水效應(yīng)的影響。在振動臺試驗中，地震動輸入的選擇是能否真實反映結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)相對重要的一個環(huán)節(jié)。由于地震波具有強烈的隨機(jī)性，要保證時程分析結(jié)果的合理性。就必須合理選擇輸入地震波。目前，可供結(jié)構(gòu)時程分析使用的地震記錄有4種：擬建場地的實際地震記錄、典型的強震記錄、人工地震波和通過解析方法計算基巖土層中地震加速度時程作為輸入地震波。根據(jù)研究的需要，可以進(jìn)行各類試驗研究，表2列舉了幾類典型模擬地震振動臺試驗