基于結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制研究

謝文 孫利民

摘要： 在雙柱式高墩中引入結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念，即在墩柱間附加易于震后修復(fù)或可更換的“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件，通過其耗能來確保墩柱處于彈性或輕微損傷狀態(tài)。首先以等效單自由度體系為例，闡明了結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的基本理論，通過參數(shù)化分析揭示了其損傷控制機(jī)理；建立了基于結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制方法；最后以一雙柱式高墩為例實(shí)現(xiàn)了所提出的損傷控制方法，通過彈塑性靜力和動(dòng)力分析驗(yàn)證了該損傷控制方法的可行性和有效性。研究表明：控制后（附加“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件）的雙柱式高墩的地震響應(yīng)和損傷明顯低于控制前的，且地震輸入能集中在“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件上，使墩柱處于彈性狀態(tài)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念在雙柱式高墩地震損傷控制中的有效性。關(guān)鍵詞： 抗震措施； 地震損傷； 雙柱式高墩； “保險(xiǎn)絲”構(gòu)件； 損傷控制方法

中圖分類號(hào)： U442.5+5； TU311.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1004-4523（2016）03-0420-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.007

引言

近年來，雙柱式高墩在中國(guó)鐵路和公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用的越來越多，尤其在地震頻發(fā)的西部地區(qū)，但公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG/T B02012008）對(duì)其抗震設(shè)計(jì)只給出了原則性指導(dǎo)意見。此外，美國(guó)圣費(fèi)爾南多和日本神戶地震引起了橋墩嚴(yán)重?fù)p傷甚至倒塌，使人們認(rèn)識(shí)到橋墩需進(jìn)行延性設(shè)計(jì)。然而采用延性設(shè)計(jì)的橋墩在遭受強(qiáng)震后，盡管它不會(huì)發(fā)生倒塌，但會(huì)發(fā)生較大的殘余位移[1]，需花高昂的費(fèi)用修復(fù)甚至重建。為克服延性橋墩在震后仍發(fā)生較大殘余變形的不足，Mander等[2]提出了預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩。后來，ElBahey等[3]將結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念引入雙柱式橋墩的抗震設(shè)計(jì)和修復(fù)中，該措施既可提高雙柱式橋墩的耗能能力，又可有效減輕墩柱的地震損傷，使墩柱在地震后不需修復(fù)或稍加修復(fù)即可恢復(fù)正常使用功能。ElBahey等[35]通過擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值方法分析了不同“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件對(duì)雙柱式矮墩抗震性能的影響，建立了未考慮高階振型影響的損傷控制設(shè)計(jì)方法；孫利民等[67]通過擬靜力試驗(yàn)研究了附有“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件的雙柱式高墩的抗震性能，但試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒皇钦嬲饬x上的高墩，無法體現(xiàn)高墩的動(dòng)力特點(diǎn)及高階效應(yīng)；魏俊[8]基于斜拉橋損傷控制中輔助墩的性能參數(shù)需求，用彈塑性靜力分析方法對(duì)6 m高的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了損傷控制設(shè)計(jì)，未考慮高階振型和地震動(dòng)的影響。在大跨度橋梁抗震領(lǐng)域，Cole等[9]研究了剪切連桿及其安裝部位對(duì)舊金山奧克蘭海灣橋主塔地震響應(yīng)的影響。在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，為改善剪力墻之間連梁的抗震性能，F(xiàn)ortney[10]提出了帶“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件的鋼連梁；Vargas等[1112]根據(jù)提出的簡(jiǎn)化方法設(shè)計(jì)了附加不同“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件的常規(guī)框架結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；隨后這種理念得到了進(jìn)一步發(fā)展[1317]?？梢姡Y(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念已受到廣泛關(guān)注，且大多數(shù)研究集中在建筑結(jié)構(gòu)，在橋梁結(jié)構(gòu)尤其是在雙柱式高墩中鮮有研究與應(yīng)用。因此本文在雙柱式高墩中引入結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念，建立可考慮高階振型和地震動(dòng)影響的地震損傷控制方法，并通過彈塑性靜力和動(dòng)力方法驗(yàn)證其有效性。

本文首先以等效單自由度體系為對(duì)象，闡明結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的基本理論及其損傷控制機(jī)理，并進(jìn)行參數(shù)化分析；進(jìn)而提出和建立基于結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制思路和方法；最后以一墩高為60 m的雙柱式橋墩為例，根據(jù)所提控制方法進(jìn)行地震損傷控制設(shè)計(jì)，并通過彈塑性靜力和動(dòng)力分析驗(yàn)證該方法的可行性和結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念在高墩地震損傷控制中的有效性。

4結(jié)論

（1）提出和建立了基于結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制方法，并在一墩高為60 m的雙柱式橋墩中得以實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了所提控制方法的可行性和可靠性；

（2）損傷控制后（附有BRBs）的雙柱式高墩的地震位移需求和損傷明顯低于損傷控制前的，同時(shí)通過“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件集中耗能，可使控制后的墩柱處于彈性狀態(tài)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”概念在高墩損傷控制設(shè)計(jì)中的有效性；

（3）經(jīng)FEMA356規(guī)范修正后，采用彈塑性靜力分析方法可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等效SDOF體系的性能參數(shù)，如結(jié)構(gòu)和“保險(xiǎn)絲”構(gòu)件的位移延性系數(shù)等，且得到彈塑性動(dòng)力分析的驗(yàn)證；

（4）后續(xù)將研究雙柱式高墩和高墩體系的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，以驗(yàn)證本文所提地震損傷控制方法的有效性和可行性。

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