Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

当地震发生导致地面震动时，脚下的土壤有时会失去强度，变成一种厚厚的、类似流体的浆状物。这种被称为“液化”的现象是桥梁基础面临的一种无声威胁。不同于能将结构牢牢固定在原位的坚实地面，液化的土壤提供的阻力极小，使得桩基——即锚固桥梁的深层柱体——会在上方重量的作用下发生沉降、倾斜或断裂。这对一种被称为“整体式桥台桥”（integral abutment bridge）的特定类型桥梁而言尤为危险。这类结构的特点是采用单一、连续的框架建造，没有旧式桥梁中常见的伸缩缝，这使得它们能够随温度变化更自然地移动。然而，这种无缝设计也意味着桥面与桩基刚性连接，会将每一分地震能量直接传递到基础中。一旦土壤发生液化，桥梁就会失去抓地力，桩基必须在不折断的前提下吸收全部的震动冲击力。

工程师面临的问题不仅是如何建造这些桥梁，而是如何使它们能够抵御不同类型的地震。地震并非千篇一律；有些发生在断层线附近，会发出强烈的、突发的能量脉冲，令结构措手不及；而另一些则发生在远处，传递出一种较长、较平缓的摇晃感。研究人员想要了解，在土壤变为液体的情况下，桩基的材料和形状选择如何影响桥梁的生存能力。为了寻找答案，来自中国和阿富汗大学的工程师团队创建了一个单跨桥梁的详细计算机模拟模型。他们模拟了六种不同类型的桩基：大型和小型混凝土圆柱体、钢管、不同方向排列的钢梁，以及一种在钢管内灌注混凝土的混合设计。随后，他们让这些虚拟桥梁经历十次记录在案的地震运动，其中一半来自近场地震事件，另一半来自远场地震事件，同时模拟了土壤液化的过程。

结果显示，最佳的桩基选择在很大程度上取决于地震的类型和所使用的材料。当地面因近场地震的剧烈、猛烈的脉冲而震动时，刚性的混凝土桩（尤其是较大的那些）比钢制选项更容易发生弯曲和开裂。由于混凝土具有刚性，无法很好地吸收突如其来的冲击，从而导致结构内部产生更高的应力。相比之下，当震动来自远方时，钢桩比混凝土桩承受了更大的位移和应力。这表明，钢材天然的柔韧性虽然通常有助于其生存，但在远场地震的缓慢波动中，有时反而会成为其弱点。然而，有一种设计在各种情况下都脱颖而出，表现得最为稳健：那就是钢管混凝土桩。这种混合型桩基结合了混凝土的强度与钢材的柔韧性，使其能够以极高的一致性应对两类地震带来的压力。

研究还观察了桥梁本身的位移情况。模拟结果显示，由钢管混凝土桩支撑的桥梁比由纯钢桩支撑的桥梁位移更小，且无论地震是近场还是远场，其位移量几乎保持不变。这种稳定性至关重要，因为过度的位移可能会损坏路面或与公路的连接部分。研究人员发现，虽然钢桩强度很高，但它们更容易发生失稳（buckling）——即一种柱体变形导致结构坍塌的现象——尤其是在土壤失去抓地力的时候。相比之下，钢管混凝土桩能够通过弯曲和拉伸而不发生失效，有效地消散了地震能量。

对于在液化易发地区设计桥梁的工程师来说，这些发现提供了一条清晰的路径。研究表明，使用钢管混凝土桩是整体式桥台桥最可靠的选择，因为它们提供了强度与柔韧性的平衡，能够保护结构免受近距离突发冲击和远距离平缓震动的双重影响。如果必须使用钢梁，研究指出，桩基与土壤接触的高应力区域需要额外的加固，以防止失效。通过选择合适的基桩材料，工程师可以确保即使在脚下的地面变成液体时，上方的桥梁依然屹立不倒。