桥墩截面型式对动水压力影响的试验研究

李均进， 熊露瑶， 张焱焜， 李嵩林， 李 想

(1.云南省公路科学技术研究院， 昆明 650051；2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

桥梁是地震中破坏较严重的结构物，震后紧急救援和灾后重建中，桥梁又是咽喉要道，发挥着极其重要的作用。如何采取有效措施确保桥梁工程在地震中的安全性和可靠性，最大限度降低地震灾害，已成为人们越来越关注的课题[1-2]。

郑史雄[3]针对地震作用下的桥墩动力响应进行了研究，分析了流固耦合效应对结构动力响应的影响。李献忠等[4]通过数值模拟的方式对桥墩周围的地震动水压力进行了研究，分析探讨了地震动水压力对深水桥梁的影响。谷音等[5]针对水-土-桥梁动力相互作用下的大跨桥梁地震反应，分析了动水压力对深水桥梁的地震反应影响规律。孔艺达等[6]以深水高墩连续刚构桥为研究对象，通过建立有限元模型，分别采用反应谱分析和时程分析方法，探讨了动水压力对桥梁结构内力的影响规律。冼巧玲等[7]采用数值模拟方法，分析探讨了水深变化对桥梁动力特性的影响，以及不同方向地震波作用下桥梁动力响应的影响规律。左生荣等[8]针对某实桥案例，利用有限元建模分析探讨了地震作用下深水桥梁不同高度处的动力响应。江辉等[9]针对近、远场地震下深水桥墩的动力响应特性进行了对比及研究。黄信等[10]基于Morison方程和辐射波浪理论对动水压力作用下的桥墩地震响应进行了研究。柳春光等[11]同样基于Morison方程并采用Airy理论通过自编程序对深水桥梁在流固耦合作用下的地震响应进行了分析。王志华等[12]基于Navier-Stokes方程建立了深水桥墩地震反应分析有限元模型，进而分析探讨了流固耦合效应对桥墩墩身变形以及内力的影响。吴安杰等[13]通过建立波浪、水流和地震联合作用下的结构动力学方程，分析探讨了不同波流要素对深水桥梁动力响应的影响。赵秋红等[14]在地震-波浪耦合作用下对深水桥墩动力响应进行分析，同时考虑了恶劣相位差的影响，并基于分析结果提出了耦合作用折算系数，简化了最大动力响应幅值的计算，推动了其在实际工程中的应用。

综上分析，抗震研究主要包括2方面：一是数值模拟计算研究分析；二是物理模型试验研究。在模拟地震振动台上进行抗震模型试验被认为是最直观的结构抗震试验，所得结果与地震作用结果有较好的可比性，对结构的抗震研究和设计有着重要的参考价值。

随着我国桥梁工程建设的不断发展，跨江、跨河、跨海大桥修建越来越多，而在地震作用下，位于深水中的桥墩会和周围水体发生动力相互作用，这会对桥梁结构的安全造成威胁[15]。为此，本文通过振动台模型试验，研究不同岸坡地形、不同截面型式的桥墩在地震作用下对其动水压力的影响，为桥梁抗震设计提供参考。

1 试验设计

1.1 模型设计

结合振动台试验条件，拟定了矩形、圆端形、矩形变截面3种截面型式，其中矩形截面模型为长度0.5 m、宽度0.3 m、高度2.5 m的实心截面模型。为了凸显截面型式对动水压力及桥墩响应的影响，在矩形截面的设计基础上按截面刚度等效原则，采用式(1)将矩形截面等效成圆端形截面，3种模型高度均为2.5 m，配筋率保持一致，均为0.8%。

(1)

式中：b为矩形截面宽度，m；h为矩形截面高度，m；d为圆形截面直径，m。

此外，为探索等截面型式和变截面型式对流固耦合效应的影响，补充了1组变截面矩形桥墩的试件。为保证3个截面型式的桥墩模型重量及重心高度一致，模型重量一致问题采用等重心等轴压比的原则设计。各模型设计尺寸如图1～图3所示，混凝土成形试件如图4所示。

(a) 立面

(b) 侧面

(c) 俯视图

1.2 试验工况

为研究不同截面型式下桥墩的动水压力分布规律，试验对象参数主要包括：桥墩截面型式和岸坡地形。其中岸坡地形设置了有反射波和无反射波2种工况，模拟水深为1.6 m、地震动为0.292g的E1地震激励波，振动方向选用X(横向)+2/3Z(竖向)地震波。根据这些参数拟定3个截面型式模型的试验工况共6个，如表1所示。

(a) 立面

(b) 侧面

(c) 俯视图

1.3 试验准备

1) 地震模拟台阵参数

在地震模拟台阵上进行抗震模型试验，考虑到模型规模和安装需要，本次试验使用移动台。其主要技术参数为：工作频率0.1 Hz～50 Hz、水平方向最大位移±150 mm、竖向最大位移±150 mm、水平方向最大速度±800 mm/s、竖向最大速度±600 mm/s、水平方向最大加速度±1.0g、竖向最大加速度±1.0g。

2) 水域环境模拟

采用钢制水箱模拟水域环境，水箱底面长度、宽度及水箱深度分别为4.5 m、2.95 m、2.0 m，水箱外侧板板厚2 cm，内侧板板厚1 cm，底板板厚4 cm。模型固定在水箱内，再将水箱固定在振动台上，以实现塔墩在水中的振动。为了防止水箱里的水在试验过程中渗漏到设备中，试验水箱采用双层箱壁设计，箱底密封，无箱顶，箱壁采用双层钢板间加肋处理，如图5所示。

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(a) 立面

(c) 俯视图

图4 3种截面型式的混凝土成形试件

表1 试验工况

3) 试验传感器布设

在不同桥墩墩身分别布设8个动水压力传感器，分别布设在距墩身底部0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.4 m、1.5 m处，传感器布设如图6、图7所示。

图5 模拟库区环境的试验水箱

(a) 立面

图7 试验模型传感器布设

4) 不同岸坡地形模拟

为模拟有反射波和无反射波的不同岸坡地形，通过在水箱侧壁布置了吸波材料的塑料盲沟，以有效模拟实际水域对水体波动的无限远传播条件，从而模拟有反射波和无反射波2种工况。其中吸波材料为40 cm厚的土工席垫。预试验观测发现，在地震波作用下，布置了吸波材料的水箱侧壁无明显反射波。依此作为无反射波的系列工况，开展后续试验。

2 桥墩截面型式对动水压力的影响

分别在有反射波、无反射波的工况下，将矩形截面、圆端形截面和变截面矩形模型在1.6 m水深时沿水深布置的各动水压力测点峰值进行对比，即分别在有反射波、无反射波且沿桥墩模型X+2/3Z输入E1地震波时，对比3种桥墩各动水压力测点峰值变化。

2.1 无反射波时不同截面型式对动水压力的影响

在不考虑水体反射波的工况下，分别将矩形截面、圆端形截面和变截面矩形模型在1.6 m水深时沿水深布置的各动水压力测点峰值进行对比，即不考虑反射波且沿桥墩模型X+2/3Z输入E1地震波时3种桥墩各动水压力测点峰值，如表2、图8所示。

表2 1.6 m水深无反射波各桥墩模型各测点横向动水压力峰值

图8 无反射波时1.6 m水深下各截面模型动水压力峰值对比

2.2 有反射波时不同截面型式对动水压力的影响

在有反射波工况下，分别将矩形截面、圆端形截面和变截面矩形模型在1.6 m水深时沿水深布置的各动水压力测点峰值进行对比，即考虑反射波且沿桥墩模型横向X+2/3Z竖向输入E1地震波时3种桥墩各动水压力测点峰值，如表3、图9所示。

由表3及图9可知，在有反射波时同一水深下，3种截面型式桥墩的动水压力峰值均随水深增加而增大，且矩形截面的动水压力峰值最大，圆端形截面桥墩动水压力峰值最小，且该现象在桥墩底部较为明显，沿墩身向上即越靠近水面，3种截面型式桥墩的动水压力峰值越接近，说明在有反射波时圆端形截面较矩形截面和变截面矩形来说仍然可以减小地震动水压力。

表3 1.6 m水深有反射波各桥墩模型各测点横向动水压力峰值

由图8、图9可知，无论是在有、无反射波工况下，桥墩的截面型式在较低水位时对动水压力的峰值影响程度较小，当处于高水位时，截面型式对动水压力峰值的影响较为显著，且圆端形截面型式明显优于矩形截面型式和变截面型式。

图9 有反射波时1.6 m水深下各截面模型动水压力峰值对比

2.3 岸坡地形条件对动水压力的影响

为对比岸坡地形对各不同截面桥墩地震动水压力的影响，分别对有反射波和无反射波工况下各桥墩动水压力峰值进行对比分析。

1) 岸坡地形对矩形模型地震动水压力的影响

为对比岸坡地形对矩形模型地震动水压力的影响，分别对矩形模型有反射波和无反射波工况进行对比分析，结果如表4、图10所示。

表4 矩形桥墩模型不同水深测点动水压力峰值

图10 矩形截面桥墩不同水深测点动水压力峰值对比

2) 岸坡地形对变截面矩形模型地震动水压力的影响

为对比岸坡地形对变截面矩形模型地震动水压力的影响，分别对变截面矩形模型有反射波和无反射波工况进行对比分析，结果如表5、图11所示。

3) 岸坡地形对圆端形截面模型地震动水压力的影响

为对比岸坡地形对圆端形截面模型地震动水压力的影响，分别对圆端形截面模型有反射波和无反射波工况进行对比分析，结果如表6、图12所示。

由上述3种截面地震动水压力峰值对比情况可知，岸坡地形即水体反射波对于3种截面型式桥墩的影响均呈现相似的规律，在水面下1.1 m时，水体反射波对于动水压力峰值具有明显的增强效果，其中矩形截面模型的增幅为10.5%，圆端形截面模型的增幅为14.6%，变截面模型的增幅为19.1%。因此当深水桥墩处于类似于本试验水箱的地形条件如两岸较近的峡谷时应注意水体的反射波对于动水压力的放大作用。

表5 变截面矩形桥墩模型不同水深测点动水压力峰值

表6 圆端形截面桥墩模型不同水深测点动水压力峰值对比

图11 变截面矩形截面桥墩不同水深测点动水压力峰值对比

图12 圆端形截面桥墩不同水深测点动水压力峰值对比

3 结论

本文介绍了水与桥塔模型动力相互作用的振动台试验的设计和实施，主要包括桥塔模型的设计及试验相关环节的确定，通过模拟地震试验，采集不同水深测点处的动水压力，分析了在不同岸坡地形下不同截面型式桥墩对动水压力的影响，主要结论如下：

1) 桥墩的截面型式在较低水位时对动水压力的峰值影响程度较小，当处于高水位时，截面型式对动水压力峰值的影响较为显著，且圆端形截面型式明显优于矩形截面型式和变截面型式。

2) 不同截面型式的桥墩模型在墩底测点动水压力最大，且有反射波与无反射波工况下，不同截面型式的桥墩对动水压力影响规律基本一致。

3) 水体反射波对动水压力峰值具有明显的增强效果，且对变截面型式影响最大，对矩形截面型式影响最小。