沉箱基础抗震性能的数值与试验研究：土-沉箱动力相互作用(SCDI)的非线性响应分析

本刊推荐：针对大跨桥梁沉箱基础抗震设计中常忽略土-沉箱动力相互作用(SCDI)导致理论模型与实际响应不符的问题，研究人员通过大型振动台试验和Abaqus有限元模拟，系统研究了沉箱基础的地震响应。结果表明沉箱基础以刚体运动为主，Clough双曲线接触模型能高精度模拟高烈度地震下界面非线性行为(误差<6%)，为桥梁抗震设计提供了重要理论依据。

　　

在地震频发的地区，大跨桥梁就像维系交通命脉的生命线，而深埋于地下的沉箱基础则是这些庞然大物屹立不倒的根基。然而，当前桥梁抗震设计面临着一个严峻挑战：工程师们通常将沉箱基础视为刚性体，忽略了其与周围土壤之间复杂的动力相互作用，即土-沉箱动力相互作用(Soil-Caisson Dynamic Interaction, SCDI)。这种简化处理导致理论预测与实际地震响应之间常常出现显著差异。历史教训历历在目：1995年阪神地震中，明石海峡大桥的沉箱基础就发生了沉降和偏转，导致上部结构错位。因此，深入理解SCDI机制，对于保障大跨桥梁的抗震安全至关重要。

尽管沉箱基础因其卓越的承载力和稳定性而被广泛应用，但其在地震作用下的真实行为，特别是土壤与沉箱界面处的非线性接触机制，仍然是一个“黑箱”。传统的弹性半空间假设过于理想化，难以捕捉高强度地震荷载下界面可能发生的滑移、张开-闭合等复杂现象。此外，大多数地震记录来自地表，而沉箱基础深埋地下，地震波随深度的变化如何影响其动力响应，也是当前研究的一大盲点。这些知识缺口促使研究人员寻求更精细化的实验与数值手段来揭示SCDI的奥秘。

为了攻克这些难题，同济大学土木工程学院的研究团队在《Soils and Foundations》上发表了他们的最新成果。他们独辟蹊径，将大型振动台试验与高保真有限元模拟相结合，对沉箱基础的抗震性能展开了系统研究。该研究以泰州长江公路大桥的桥塔沉箱基础为原型，创新性地采用了考虑非线性界面行为的Clough双曲线本构模型，并通过自定义的FRIC子程序在Abaqus中实现，从而更真实地模拟了土-沉箱接触面的力学行为。

研究人员开展这项研究主要依赖于几个关键技术方法：首先，他们设计并实施了大规模振动台试验，使用层叠式剪切土箱模拟自由场边界，以研究土-沉箱-结构系统的动力响应；其次，他们基于相似理论（长度相似比S_l=1/80）精心制作了有机玻璃沉箱和桥塔模型，并通过改变塔顶配重（230 kg, 300 kg, 370 kg）来研究上部结构惯性力的影响；第三，他们利用Abaqus建立了精细的有限元模型，并首次通过FRIC用户子程序成功实现了能实时更新接触面剪切刚度的Clough双曲线本构模型，以模拟高烈度地震下的非线性接触行为；最后，通过输入Chichi、Kobe、Landers等实际地震波，系统对比了试验与数值模拟的结果，验证了模型的可靠性。

5.1. 动力特性

通过白噪声扫描和有限元模态分析，研究发现沉箱基础的存在对土体的基频影响微乎其微。然而，桥塔塔顶配重的增加会显著改变整个系统的动力特性。当配重从230 kg增加到370 kg时，系统的一阶频率从5.715 Hz降至4.531 Hz，降幅达21%。这表明上部结构质量的增加使系统的主导振型从桥塔的弯曲向土体变形转变，有限元模型计算得到的一阶频率（4.377 Hz至5.548 Hz）与试验结果吻合良好，验证了数值模型的准确性。

5.2. 加速度响应

5.2.1. 土-沉箱模型

对土体中加速度响应峰值的分析揭示了一个有趣的现象：从土箱底部到地表，加速度峰值呈现出先减小后增大的“C”型分布规律。这归因于地震波向上传播过程中，土体阻尼消耗了部分能量，而接近地表时，砂质地基的表面放大效应显著放大了接近场地基频（16.385 Hz）的地震波分量。引入沉箱基础后，特别是沉箱底部以上的土层，其加速度响应幅值受到明显影响。在远离沉箱的位置，影响较小，而在沉箱正上方的地表测点A-15-4，加速度响应显著降低，表明沉箱吸收了部分地震能量，起到了隔震作用。

5.2.2. 土-沉箱-结构模型

在自由边界条件下，塔顶（A-T-5）的加速度响应幅值与输入地震动峰值在一定范围内呈线性关系，但当Landers波峰值加速度超过0.75 g时，表现出明显的非线性。这种非线性源于土体塑性变形和土-沉箱界面滑移的耦合机制。增加塔顶配重会降低塔顶的加速度响应，这是因为配重增加降低了系统的一阶频率，使其远离土体的自振频率，从而减少了共振效应。对沉箱本体加速度响应的分析表明，沉箱各测点的加速度响应幅值与测点到沉箱底部的垂直距离呈良好的线性关系，证明沉箱在地震作用下主要发生刚体运动，其自身的弹性变形可以忽略不计。

5.3. 不同接触本构模型的比较

在低强度地震输入（0.1 g）下，绑定约束、Clough双曲线和库仑摩擦三种接触模型得到的塔顶加速度响应几乎一致，表明界面尚未发生显著滑移。然而，当地震输入增强到0.5 g和1.0 g时，忽略界面相对运动的绑定约束模型会严重高估响应（误差可达24.0%），而库仑摩擦模型则因假定恒定剪切刚度而低估了响应（误差达40.4%）。相比之下，能够实时更新接触面刚度的Clough双曲线模型与试验结果最为接近，其预测的塔顶峰值加速度与试验值误差小于6%，显著提升了对高强度地震下非线性接触行为的模拟精度。

该研究的结论深刻揭示了沉箱基础在地震作用下的行为机理。首先，沉箱基础本身表现出显著的刚性特征，其地震响应以刚体运动为主导，这为简化计算模型提供了依据。其次，上部结构质量是调控整个系统动力特性的关键因素，设计时需充分考虑其影响。最为重要的是，研究证实了在高烈度地震下，土-沉箱界面的非线性相互作用不可忽视，而Clough双曲线本构模型是准确模拟这种复杂行为的有效工具。这些发现对改进大跨桥梁的抗震设计策略具有里程碑式的意义。它强调在未来设计中，必须摒弃将基础视为刚性的传统假设，转而采用能够合理反映SCDI效应的先进数值模型，从而更可靠地预测桥梁在地震中的表现，为在地震高风险地区构建更具韧性的交通基础设施提供了坚实的科学基础。未来的研究可着眼于开发基于作动器的等效节点荷载方法，以及简化的弹簧-阻尼器模型，以进一步提升计算效率并在工程实践中推广应用。