橋梁抗震2019年度研究進(jìn)展

趙燦暉，曾顯志，鄧開來

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的控制性工程，在地震時遭遇損壞，將會給地區(qū)通行和搶險救災(zāi)帶來巨大障礙。近100年來，橋梁抗震研究一直是橋梁工程領(lǐng)域內(nèi)的重要方向，目前，各個國家、地區(qū)均有成熟的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，可保障橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的基本安全，但橋梁結(jié)構(gòu)在強震下的損傷仍然不可避免。為進(jìn)一步提升橋梁抗震性能與設(shè)計水平，2019年橋梁抗震領(lǐng)域內(nèi)取得了諸多新成果和新突破，可歸納為3個方面：1)橋墩地震損傷機理研究；2)高性能減隔震裝置的研發(fā)和應(yīng)用；3)地震作用下的多物理場耦合分析技術(shù)。

1 橋墩抗震性能

橋墩是橋梁中的主要抗側(cè)力構(gòu)件，其抗震性能是橋梁抗震研究領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。依據(jù)研究對象的不同，相關(guān)研究成果主要包含了梁式橋中傳統(tǒng)鋼筋混凝土(RC)橋墩、新材料橋墩、新型裝配式橋墩抗震機理研究，以及自復(fù)位橋墩抗震機理及耐震構(gòu)造研究。

1.1 傳統(tǒng)整體澆筑橋墩抗震性能

鋼管混凝土橋墩合理利用了鋼管對核芯混凝土的環(huán)向約束作用，具有承載能力大、韌性好等特點。田甜[9]通過試驗和數(shù)值分析研究了圓形截面墩柱內(nèi)置圓鋼管組合橋墩的抗震性能。Chou等[10]對鋼箱內(nèi)填高強混凝土墩柱的抗震性能進(jìn)行了試驗研究。試件采用了高強度SM 570M鋼(屈服強度在520～580 MPa之間)和高強度混凝土(抗壓強度Fc>80 MPa)，研究了不同鋼墩柱寬厚比、軸向荷載大小和混凝土填充量對墩柱抗震性能的影響。

隨著新型材料的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，許多學(xué)者研究了基于新型高性能材料的橋墩抗震性能。新型高性能材料大多都具有高抗裂、應(yīng)變硬化等特點，可有效降低橋墩地震作用下的損傷。Al-Kaseasbeh等[11]通過數(shù)值模擬和循環(huán)荷載試驗研究了加勁薄壁方箱鋼墩柱的受力性能，并提出相應(yīng)的強度和延性計算公式。Chen等[12]基于能量的退化規(guī)律描述了結(jié)構(gòu)承載力和剛度的退化規(guī)律，并提出了一種考慮局部屈曲的鋼橋墩水平變形滯回模型。Hosseini等[13]利用工程水泥基復(fù)合材料(ECC)的良好延性和耐久性以及在循環(huán)拉伸荷載作用下的多重細(xì)裂紋的特點，將該材料用于橋墩，以提高橋墩的地震損傷限值。此外，Liu等[14]對不同再生骨料混凝土(RAC)橋墩柱在凍融循環(huán)作用下的地震脆性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1.2 預(yù)制拼裝墩和自復(fù)位橋墩抗震性能

預(yù)制拼裝RC橋墩近年來得到了快速發(fā)展，采用灌漿套筒和預(yù)應(yīng)力絞線的橋墩應(yīng)用較廣。Tong等[15]提出了一種新型預(yù)制拼裝橋墩(圖1)，在其墩頂和墩底連接位置設(shè)置了不同屈服強度的無粘結(jié)耗能鋼筋，并對該新型橋墩進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗和數(shù)值模型分析，研究該預(yù)制拼裝橋墩的抗震能力。Mehraein等[16]提出了一種預(yù)制拼裝橋墩新型構(gòu)造，其墩底與樁基之間采用套管+桿鉸接的形式進(jìn)行連接，在允許橋墩繞套管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的同時，又可以傳遞剪切力和拉力，并通過模型試驗驗證預(yù)制拼裝墩的抗震性能和新型構(gòu)造的有效性。Li等[17]對預(yù)制拼裝RC橋墩和整體現(xiàn)澆RC橋墩進(jìn)行了振動臺試驗，對比研究其抗震性能。彭程緯[18]對部分預(yù)制圓鋼管再生塊體混凝土柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，分析了后澆混凝土強度、軸壓比、預(yù)制節(jié)段橫截面尺寸、后澆混凝土隔離帶位置等對該類柱抗震性能的影響。

圖1 預(yù)制拼裝橋墩[15]Fig.1 Prefabricated bridge pier[15]

圖2 雙柱式搖擺橋墩結(jié)構(gòu)體系[20]Fig.2 Rocking double-column bridge system[20]

2019年，RC預(yù)制拼裝墩抗震研究已不局限于灌漿套筒和灌漿波紋管連接橋墩，連接構(gòu)造和形式日趨多樣化。這也表明，預(yù)制拼裝墩的抗震研究仍不成熟，呈現(xiàn)出“百花齊放、多種連接形式并存”的特點，但總體體現(xiàn)了連接構(gòu)造與耗能構(gòu)造日益結(jié)合的趨勢，這可能是預(yù)制拼裝墩未來的一個發(fā)展方向。自復(fù)位橋墩低損傷、快恢復(fù)的特點與抗震韌性的理念十分契合，目前關(guān)于自復(fù)位橋墩結(jié)構(gòu)的研究頗為豐富，多數(shù)研究采用了基本相同的思路，即在墩底和基礎(chǔ)之間設(shè)置不同的搖擺界面，并通過張拉預(yù)應(yīng)力筋實現(xiàn)在地震作用下橋墩自復(fù)位的目的。與以往的研究相比，2019年自復(fù)位橋墩在結(jié)構(gòu)體系方面進(jìn)展不大，在自復(fù)位材料、結(jié)構(gòu)和計算方法方面取得了若干進(jìn)展，但自復(fù)位橋墩的界面分離后，剛度快速下降的問題仍未得到解決，無論是對于科研還是工程應(yīng)用，都是亟待解決的問題。

2 橋梁抗震裝置

2.1 減隔震裝置

隔震裝置處于上部結(jié)構(gòu)連接下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置，發(fā)揮著不可替代的作用，不僅對上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，還需要將地震作用下上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平慣性力傳遞給下部結(jié)構(gòu)。研究隔震裝置的抗震性能對橋梁抗震有積極意義，對此，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。對于隔震裝置的研究主要是針對隔震支座、普通板式橡膠支座以及新型支座，如形狀記憶合金(SMA)支座等。

圖3 SMA材料線性化本構(gòu)圖[28]Fig.3 Linearized constitutive model of SMA materials[28]

減震裝置在地震動作用下主要起到耗散能量的作用，可有效降低橋梁結(jié)構(gòu)的整體地震響應(yīng)，保護(hù)重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件免受地震損傷。減震裝置主要包括黏滯阻尼器、橡膠緩沖器、屈曲約束支撐等。學(xué)者們在這方面也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

范定強等[35]研究了非線性黏滯阻尼器對橋梁抗震性能的影響。Zhou等[36]通過斜拉橋振動臺試驗，研究了兩種不同屈服強度的橫向阻尼器對斜拉橋抗震性能的影響(圖4)。在此基礎(chǔ)上，對橫向阻尼器的震后剩余承載力進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗研究，并對其疲勞性能進(jìn)行評估。趙玉亮[37]通過振動臺試驗對磁流變阻尼器的力學(xué)性能、力學(xué)模型、磁場分布及磁流變阻尼器減震系統(tǒng)控制策略等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。朱立華[38]研發(fā)了一種帶有屈后剛度硬化的摩擦型阻尼器，并通過理論分析和模型試驗，推導(dǎo)了相應(yīng)阻尼器的理論計算公式，提出了基于位移的阻尼器設(shè)計方法。Yang等[39]通過對橋梁模型進(jìn)行的一系列振動臺試驗，研究了沖擊對橋梁橫向地震反應(yīng)的影響以及橡膠緩沖器的減震耗能效果。Upadhyay等[40]建立了具有自復(fù)位耗能裝置和屈曲約束支撐的橋梁有限元模型，并對極限破壞狀態(tài)下橋梁的抗震性能進(jìn)行了評價。

圖4 橫向阻尼器[36]Fig.4 Transverse damper[36]

2.2 減隔震設(shè)計方法

對于減隔震體系的研究主要集中于橋梁地震響應(yīng)簡化計算方法和基于位移的隔震設(shè)計方法研究兩個方面，主要采用理論分析方法。Gkatzogias等[41]提出了一種可用于直接估算減少自由度的隔震和耗能體系的峰值非彈性響應(yīng)計算方法。Ye等[42]提出了一種基于直接位移的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，使含鉛芯橡膠支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)滿足位移臨界值規(guī)定的性能指標(biāo)。Nassar等[43]提出了一種考慮隔震性能在不同條件下變化的概率可靠性評估方法，并以溫度、地震危險性、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元的尺寸和材料力學(xué)性能為隨機變量。李健等[44]根據(jù)摩擦擺系統(tǒng)的簡化力學(xué)模型，給出了考慮樁土效應(yīng)、橋墩剛度以及支座非線性的摩擦擺支座減隔震橋梁抗震簡化計算方法。

2019年，橋梁減隔震裝置的研發(fā)和設(shè)計方法都有了顯著提升，總體呈現(xiàn)出傳統(tǒng)裝置研究不斷深入，新型裝置層出不窮的特點。在傳統(tǒng)減隔震裝置方面，主要在理論計算方法上有所進(jìn)步，計算方法更加簡便、評價指標(biāo)更加客觀，但總體來看，這屬于較為成熟的領(lǐng)域，其研究不如新型裝置的研發(fā)活躍。在新型裝置方面，總體來看仍未脫離橡膠支座、摩擦擺支座隔震，粘滯阻尼、金屬阻尼、摩擦阻尼耗能的框架主要是在阻尼的實用化方面有所進(jìn)展。中國的大規(guī)模橋梁建設(shè)逐漸向西部高烈度地區(qū)轉(zhuǎn)移，對傳統(tǒng)隔震、耗能機理的裝置提出了大噸位、大變形、高耐候的要求。傳統(tǒng)減隔震裝置的研究仍有較大提升空間，在未來的一段時間內(nèi)仍是本領(lǐng)域的研究熱點。值得注意的是，文獻(xiàn)[28]、文獻(xiàn)[37]開始將半主動控制的理念引入減隔震中，為減隔震的發(fā)展開辟了新的研究方向。

3 多物理場耦合分析

圖5 剛構(gòu)橋水下振動臺試驗[50]Fig.5 Underwater shaking table test for a rigid-frame bridge[50]

4 熱點與展望

綜述了2019年關(guān)于橋梁抗震領(lǐng)域的研究進(jìn)展，依據(jù)文獻(xiàn)資料涉及的主要研究對象，按照橋墩抗震性能、橋梁抗震裝置、多物理場耦合分析3個方面進(jìn)行了詳細(xì)的分類匯總和介紹，并歸納總結(jié)了關(guān)于橋梁抗震領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。主要結(jié)論如下：

2)預(yù)制拼裝墩的研究已逐漸脫離了傳統(tǒng)連接形式，呈現(xiàn)出“百花齊放、形式多樣”的特點，并體現(xiàn)出連接構(gòu)造與耗能構(gòu)造日益結(jié)合緊密的趨勢，成為預(yù)制拼裝墩抗震研究的重要發(fā)展方向。

3)自復(fù)位橋墩仍未脫離預(yù)應(yīng)力自復(fù)位的總體框架，盡管在自復(fù)位材料、結(jié)構(gòu)和計算方法方面取得了若干進(jìn)展，但界面分離后，橋墩剛度快速下降的弊病仍然未消除，是自復(fù)位橋墩在結(jié)構(gòu)體系上亟需解決的問題。

4)新型減隔震裝置研究仍未脫離橡膠支座、摩擦擺支座隔震，粘滯阻尼、金屬阻尼、摩擦阻尼耗能的框架，大噸位、大變形、高耐候是此類減隔震裝置研究中需解決的重要問題；在減隔震中引入半主動控制的方法，是新的重要研究方向。