搖擺隔震橋墩研究綜述

王 一，李思嬌，王 兵，林澤樺，閔金偉

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

目前，我國橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計均采用延性設(shè)計與減隔震設(shè)計，延性設(shè)計通過在墩身特定部位形成塑性鉸來消耗地震能量，雖然能保證在大震作用下不倒塌，但震后過大的殘余位移將嚴重影響到橋梁的交通功能，且需要耗費大量人力及資金進行修復(fù)。減隔震設(shè)計通過在結(jié)構(gòu)特定部位添加減震裝置，在吸收地震能量的同時延長結(jié)構(gòu)自振周期，此設(shè)計方法已在橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，然而這些減隔震裝置的變形能力有限，且結(jié)構(gòu)加入減隔震裝置后的地震響應(yīng)受地震頻譜特性影響較大，因此減隔震設(shè)計方法具有一定的局限性。

近年來，具有殘余變形小、損傷可控、震后自復(fù)位性能的搖擺隔震橋墩受到廣泛關(guān)注，本文簡要介紹了搖擺橋墩的減震機理，綜述了搖擺橋墩的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前搖擺橋墩可改進之處以及未來發(fā)展趨勢。

1 搖擺橋墩隔震機理

典型單柱搖擺橋墩的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由主梁、墩柱、預(yù)應(yīng)力鋼筋、耗能組件與承臺組成。

圖1 搖擺橋墩結(jié)構(gòu)組成

其中墩底與承臺接觸面為搖擺界面，多遇地震作用下?lián)u擺界面閉合，即墩柱不發(fā)生搖擺，此時結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)墩底固結(jié)的延性橋墩相差無幾。設(shè)計地震及罕遇地震作用下，當?shù)卣饛澗卮笥诮Y(jié)構(gòu)自重及預(yù)應(yīng)力筋提供的抗搖擺彎矩時，墩柱開始搖擺，通過搖擺界面不斷的交替開合行為來阻斷地震能量的傳播。且在搖擺過程中墩柱主要為受壓狀態(tài)，因此，可以最大限度地避免墩柱發(fā)生自身破壞，將損傷控制在搖擺界面上。震后通過結(jié)構(gòu)自重及預(yù)應(yīng)力作用下自動復(fù)位，這對于橋梁結(jié)構(gòu)在震后快速恢復(fù)交通功能具有重要意義。

其中預(yù)應(yīng)力筋作為搖擺橋墩的核心組件，主要作用是為結(jié)構(gòu)提供一定的自復(fù)位能力，且適當限制墩柱搖擺幅度，彌補結(jié)構(gòu)由于墩柱與承臺斷開而造成整體性不足的問題。耗能組件主要作用是增強結(jié)構(gòu)整體的耗能能力，吸收地震能量，一般選擇便于更換的各類外置阻尼器。搖擺橋墩的滯回關(guān)系如圖2所示，可以認為是自復(fù)位組件與耗能組件滯回曲線的有機結(jié)合，具有“旗幟形”的特點。

圖2 搖擺橋墩的滯回曲線

2 搖擺橋墩研究現(xiàn)狀

Mander等[1]最先將搖擺隔震應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于搖擺橋梁的基于位移的廣義抗震設(shè)計方法，為驗證所提設(shè)計理念，制作了一個接近足尺的橋墩模型并進行低周循環(huán)加載試驗，實驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)具有良好的自復(fù)位能力，且墩柱無明顯損傷，其強度與剛度并沒有隨循環(huán)加載次數(shù)的增多而變化，理論預(yù)測與實驗結(jié)果中的力與位移關(guān)系吻合良好。趙揚[2]提出了添加預(yù)應(yīng)力筋的搖擺橋墩有限元建模方法，并通過非線性時程分析分析了自由搖擺橋墩、添加預(yù)應(yīng)力筋橋墩有無預(yù)應(yīng)力三種模型的地震響應(yīng)，指出搖擺隔震橋墩的墩底彎矩顯著小于傳統(tǒng)延性橋墩，施加預(yù)應(yīng)力后可以有效減小墩底位移和墩身搖擺幅度。夏修身等[3]在建立了考慮鋼筋屈服的預(yù)應(yīng)力鋼筋模型，以上述三模型為研究對象，探討了預(yù)應(yīng)力鋼筋初拉力及預(yù)應(yīng)力損失對墩柱地震響應(yīng)的影響，指出預(yù)應(yīng)力筋及初拉力會增大墩底彎矩，而預(yù)應(yīng)力筋屈服則會降低墩底彎矩，減小鋼筋軸向應(yīng)力，有利于墩柱搖擺。韋性涵[4]制作了自由搖擺與添加預(yù)應(yīng)力筋的搖擺橋墩縮尺模型并進行低周循環(huán)加載試驗，同樣指出預(yù)應(yīng)力筋的加入可以有效降低墩頂位移，但墩底彎矩與受壓區(qū)寬度也有所增大。

與傳統(tǒng)延性橋墩相比，搖擺橋墩可以顯著降低墩身內(nèi)力，但由于不允許橋墩出現(xiàn)塑性鉸、預(yù)應(yīng)力筋不發(fā)生較大程度屈服，因此其耗能能力可以忽略不計。為提高其耗能能力，部分學者嘗試在墩底與承臺連接處加入耗能鋼筋。司炳君等[5]分析了不同耗能鋼筋配筋率下的墩頂位移、預(yù)應(yīng)力筋軸向應(yīng)力變化規(guī)律，指出增大耗能鋼筋配筋率可以減小墩頂位移，降低預(yù)應(yīng)力筋軸向應(yīng)力。趙建鋒等[6]指出隨著耗能鋼筋配筋率的提高，結(jié)構(gòu)整體的耗能能力也隨之增大，但配筋率超過0.2%后提高并不顯著。

耗能鋼筋一般設(shè)置于墩柱內(nèi)部，震后更換勢必對墩柱造成損傷，基于此，部分學者提出了震后易于更換的外置耗能組件。周洋[7]采用外置阻尼器替代耗能鋼筋，通過非線性時程分析驗證了其出色的耗能能力。趙圓圓[8]對比了各種阻尼器的優(yōu)缺點，最終選擇軟鋼阻尼器作為外置耗能組件，建立了相應(yīng)有限元模型并進行低周循環(huán)加載，分析了阻尼器的設(shè)計參數(shù)對墩柱抗震性能的影響規(guī)律。曹志亮[9]選取鋁棒作為外置耗能組件，通過低周循環(huán)加載試驗指出耗能鋁棒提高了墩柱側(cè)向剛度，具有較強的耗能能力，且震后更換較為方便。

3 可改進之處與發(fā)展趨勢

經(jīng)過眾多學者不斷的探索與研究，搖擺隔震橋墩體系已逐漸成熟，但目前主要應(yīng)用于橋梁加固方面，實際工程案例并不多。搖擺橋墩的可改進之處與發(fā)展趨勢總結(jié)如下。

1)目前關(guān)于搖擺橋墩的試驗大多為擬靜力試驗或推覆試驗，但這兩種試驗均不能真實模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況及運動狀態(tài)，因此開展振動臺試驗是十分必要的。

2)目前國內(nèi)外研究均集中于搖擺單柱橋墩，而對于搖擺橋梁整體的研究較少，且雙柱式橋墩在我國公路和城市橋梁中占有很大比重，有必要針對整橋搖擺及雙柱式搖擺橋墩展開相關(guān)研究。

3)由于在地震作用下，搖擺橋墩墩底處的位移及速度均較小，耗能組件不能充分發(fā)揮其耗能能力，可以考慮將耗能組件安裝在墩梁連接處或主梁與橋臺連接處。

4)現(xiàn)有搖擺橋墩結(jié)構(gòu)墩梁連接多為固結(jié)處理，主梁在溫度及車輛荷載、混凝土收縮徐變作用下產(chǎn)生附加力，不利于主梁自由變形。近年來，國內(nèi)外學者針對減隔震支座展開了大量研究，現(xiàn)有減震支座已較為成熟，可以起到較好的減震效果，因此可以考慮在主梁與墩柱之間添加減震支座。

4 結(jié)論及展望

搖擺橋墩兼具損傷可控和震后自復(fù)位能力，是橋梁抗震領(lǐng)域未來研究熱點之一，其對于震后快速恢復(fù)交通功能、保證災(zāi)后搶險及重建工作的順利展開具有重大意義。且其各組件職能分明，較好地契合了預(yù)制裝配技術(shù)，可以有效縮短工期，節(jié)約人力物力。但目前搖擺橋梁理論主要應(yīng)用于橋梁加固方面，各國橋梁規(guī)范也缺少相關(guān)條文。究其原因，主要是搖擺橋墩的構(gòu)造形式尚不統(tǒng)一，且自復(fù)位組件及耗能組件參數(shù)的選擇并無相關(guān)標準，設(shè)計方法尚不成熟，需要國內(nèi)外廣大學者進一步展開研究。

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