何維利 肖永銘 賈振雷 韓強 賈俊峰

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082；2.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室 100124）

引言

目前，我國現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設計細則》［1］、美國AASHTO［2］和歐洲Eurocode8［3］規(guī)范均采用抗倒塌設計原則。采用強度和變形雙重指標來控制結(jié)構(gòu)抗震設計，增加了橋梁延性抗震設計和能力保護構(gòu)件原則的相關(guān)規(guī)定。傳統(tǒng)的抗震設計理論和方法只考慮了承載力、剛度以及延性耗能機制，并沒有考慮震后結(jié)構(gòu)性能。延性設計不能有效地控制地震造成的損傷，缺乏對震后結(jié)構(gòu)性能的考慮。

震害調(diào)查表明［4］，梁式橋結(jié)構(gòu)體系容易發(fā)生橋墩塑性角、支座破壞，甚至落梁等嚴重地震震害。為了有效地控制地震損傷程度及保證震后結(jié)構(gòu)性能，需要研發(fā)新的抗震橋梁結(jié)構(gòu)體系，并提出相應的抗震設計方法。智利大地震（1963）中，Housner［5］發(fā)現(xiàn)水塔基礎(chǔ)發(fā)生搖擺而在震后幸存，提出結(jié)構(gòu)搖擺抗震理念；Mander和Cheng［6］提出了損傷破壞自復位橋墩設計理念；Palermo等［7］提出無粘結(jié)預應力技術(shù)與內(nèi)置耗能鋼筋聯(lián)合應用的自復位橋墩體系，耗能鋼筋埋置在承臺并延伸至橋墩，可提高搖擺橋墩側(cè)向承載力，并可較好地耗散傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能量。之后，各國學者對采用外置耗能裝置的自復位橋墩進行了一系列的試驗研究［8－16］。

這些研究多是針對獨立的搖擺墩或自復位橋墩進行了試驗研究，研究對象也多集中在單墩，還沒有涉及到自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系研究。搖擺墩或自復位橋墩設計沒有考慮上部結(jié)構(gòu)對其影響，也沒有考慮搖擺墩或自復位橋墩在施工階段、運營階段下整個橋梁體系中的受力狀況。這些研究成果尚不能直接應用于自復位橋梁工程實踐。目前，對新建橋梁采用自復位抗震技術(shù)的只有新西蘭South Rangitikei鐵路橋［17］和本文介紹的建于2016年京臺高速（北京段）黃徐路跨線橋梁工程。

無支座自復位橋梁可利用橋梁上部結(jié)構(gòu)重力實現(xiàn)自復位功能，同時，墩柱內(nèi)豎向無粘結(jié)預應力增強了自復位能力和橋墩的穩(wěn)定性，并利用安裝在特定部位的耗能裝置耗散部分地震能量。本文主要介紹研發(fā)的無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系，自復位橋墩擬靜力試驗，以及無支座自復位橋梁基于性能的抗震設計方法及其工程應用實例等。

1 無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系及作用機理

1.1 無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

無支座自復位橋墩構(gòu)造如圖1所示：獨立墩柱兩端與橋梁上、下部結(jié)構(gòu)分離，可更換的無粘結(jié)預應力鋼索貫穿梁體、墩柱和基礎(chǔ)，墩底設置可更換的耗能裝置。墩柱頂、底部均設置鋼板箍和鋼抗剪銷，墩柱底部混凝土與承臺頂面鋼板形成下?lián)u擺界面，墩柱頂部混凝土與主梁底面形成上搖擺界面。無粘結(jié)預應力鋼索為可更換、可二次張拉的預應力成品索并具有防腐功能，在承臺下方設置后期檢查、更換和監(jiān)測維護通道。

1.2 無支座自復位橋墩的工作機理

無支座自復位橋梁工作機理為：由于自復位橋梁墩柱兩端部均設置搖擺界面，形成了上、下兩個活動關(guān)節(jié)，在水平傾覆力矩作用下，墩柱兩端搖擺界面從全接觸到界面張開一定的角度，此時墩柱產(chǎn)生一定的傾斜，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間形成相對的水平位移，與此同時上部結(jié)構(gòu)在與基礎(chǔ)交界面處發(fā)生一定的抬升。地震作用可使橋墩發(fā)生搖擺和上部結(jié)構(gòu)的反復抬升并復位。

當自復位墩柱兩端搖擺界面張開，墩柱剛度開始降低，結(jié)構(gòu)剛度降低周期加長降低了地震力。由于搖擺界面的張開，墩柱頂面和底面均與上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)產(chǎn)生部分接觸，接觸面上產(chǎn)生的相互作用力形成了一對使橋墩復位的回復力矩，從而使橋墩具有自恢復能力。自復位墩柱中設置無粘結(jié)預應力鋼索，通過鋼索的張拉力增加了結(jié)構(gòu)的自復位能力，保證了自復位橋墩的穩(wěn)定性。

圖1 無支座自復位橋梁構(gòu)造Fig.1 Non-bearing self-centering bridge structure

自復位墩柱底部安裝耗能裝置，使橋梁結(jié)構(gòu)在搖擺過程中通過耗能材料的滯回耗散地震能。

在最大地震力作用下，自復位橋墩擺動到最大位置，搖擺界面傾角也達到最大，這時受拉側(cè)的耗能材料進入屈服狀態(tài)，其伸長值也最大。忽略搖擺界面墩柱混凝土塑性影響，在此狀態(tài)下，上部結(jié)構(gòu)重力和墩柱內(nèi)無粘結(jié)預應力及未進入屈服狀態(tài)耗能材料的內(nèi)力均作為橋墩的回復力，只有屈服狀態(tài)的耗能材料需要外力壓縮，成為抵抗回復力。如果回復力足夠大，屈服狀態(tài)的耗能材料全部拉伸變形被壓縮回去，這時自復位橋墩就回復到初始狀態(tài)。反之，如果屈服狀態(tài)的耗能材料存在殘余變形，這時也造成自復位橋墩的殘余變形。

根據(jù)計算結(jié)果繪制無支座自復位橋墩的力－位移滯回曲線如圖2所示。從圖中可以看出無支座自復位橋墩具有良好的耗能能力和自復位能力，而且具有較小的殘余位移。通過抗震目標位移的設定，可以滿足基于性能的設計抗震要求。

圖2 無支座自復位橋墩力－位移滯回曲線Fig.2 Force-displacement hysteresis curve of non-bearing self-centering column

2 無支座自復位橋梁設計

2.1 一般損傷過程和極限狀態(tài)

如圖3所示的無支座自復位橋墩P－Δ曲線顯示了其各階段工作狀態(tài)，無支座自復位橋墩的工作性能狀態(tài)按發(fā)生的時間順序依次為：①搖擺界面消壓、②阻尼器屈服、③阻尼器斷裂失效、④預應力束屈服、⑤預應力束斷裂和⑥完全失效。

圖3 無支座自復位橋墩P－Δ曲線Fig.3 P－Δ curve of non-bearing self-centering column

當無支座自復位橋墩僅承受豎向力和預應力的作用時，搖擺界面承受均布豎向荷載；當施加在墩頂?shù)膫?cè)向水平力從零開始逐漸增大，搖擺界面承受的荷載分布開始發(fā)生變化，并最終達到消壓狀態(tài)，此時搖擺界面的一側(cè)邊緣應力為零，墩頂位移完全由橋墩自身彎曲變形提供。消壓階段過后，隨著荷載的持續(xù)增大，搖擺界面與承臺之間產(chǎn)生開口，此時的橋墩抗側(cè)剛度與初始抗側(cè)剛度相比有極小幅下降。當搖擺界面與承臺之間產(chǎn)生一定開口時，逐步降低橋墩抗側(cè)剛度；當搖擺界面開口位移超過耗能鋼板的屈服位移，即耗能鋼板進入屈服階段，耗能裝置開始發(fā)揮效用，此時橋墩的剛度進一步下降；為了避免出現(xiàn)脆性破壞，通過合理設計預應力鋼束和耗能裝置，使耗能裝置斷裂先于預應力鋼束屈服，最后隨著墩頂水平力的不斷增加，無粘結(jié)預應力束發(fā)生屈服，預先施加的預應力將會有所降低，導致?lián)u擺橋墩抗側(cè)剛度和自復位能力的退化。當預應力束完全失效時，體系穩(wěn)定性和自復位能力退化嚴重，此時結(jié)構(gòu)進入了最終破壞狀態(tài)。

當耗能鋼板進入屈服階段時，將此時橋墩承載能力乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)作為無支座自復位橋墩的持久狀況和短暫狀況下的承載能力極限狀態(tài)。同時，由于耗能鋼板的斷裂會導致本橋梁體系的承載能力及耗能能力大幅下降。為有效地控制地震損傷程度及保證震后結(jié)構(gòu)性能，這里確定無支座自復位橋梁地震狀況和偶然狀況下的承載能力極限狀態(tài)，為耗能裝置發(fā)生斷裂所對應的狀態(tài)，以給設計預留足夠的安全富余度（由于是首座無支座自復位橋梁的設計，無前例可循，這個極限狀態(tài)考慮的相對保守）。

2.2 無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)設計目標

無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)需分別按現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范考慮正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)進行驗算，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性和功能需求提出無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)設計目標如下：

（1）承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，自復位橋墩混凝土應力、抗剪強度、及墩柱內(nèi)無粘結(jié)預應力索的應力需滿足現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范要求。

（2）承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下容許搖擺界面出現(xiàn)消壓，可根據(jù)自復位橋墩各受力狀態(tài)的不同墩柱剛度值，計算相應狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。

（3）地震狀況下，依據(jù)現(xiàn)行《公路橋梁抗震設計細則》要求進行兩階段設計。

E1地震作用下：容許搖擺界面消壓；耗能裝置最大應力小于材料屈服強度；墩柱無粘結(jié)預應力筋的應力應滿足現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范設計要求；橋梁能夠自復位，無殘余位移。

E2地震作用下：容許搖擺界面消壓；耗能裝置不發(fā)生斷裂破壞；無粘結(jié)預應力筋不發(fā)生屈服；橋梁能夠自復位，且殘余位移小于墩柱傾斜率的1%；墩柱局部不出現(xiàn)壓潰破壞；無支座自復位橋墩不發(fā)生穩(wěn)定性破壞。

（4）自復位墩柱和抗剪銷滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的能力保護構(gòu)件設計要求。

2.3 無支座自復位橋梁基于性能的抗震設計標準

確定可進行量化設計的橋梁抗震性能目標是實現(xiàn)基于性能設計的關(guān)鍵。本文根據(jù)無支座自復位抗震橋梁的特點給出了無支座自復位橋梁的抗震設防目標及抗震性能目標。

各抗震設防類別的無支座自復位橋梁基于性能的抗震設防目標應符合表1的規(guī)定。

表1 無支座自復位橋梁基于性能的抗震設防目標Tab.1 Performance-based seismic fortification targets for non-bearing self-centering bridges

各抗震設防類別的無支座自復位橋梁的抗震性能目標應符合表2規(guī)定。

表2 無支座自復位橋梁基于性能的抗震性能目標Tab.2 Performance-based seismic performance targets for non-bearing self-centering bridges

3 無支座自復位橋梁試驗研究

為了驗證柱式搖擺橋梁的抗震性能、工作機理以及為設計提供依據(jù)，選用京臺高速4×30m一聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁原型橋相對應的無支座自復位橋梁的一個中墩為原型墩，進行試驗設計。橋墩采用C40混凝土澆筑，耗能裝置和局部外包鋼板均采用Q235鋼。

試驗試件設計如圖4所示。縮尺比例為1∶3，縮尺后橋墩總高為2250mm，兩橋墩中心間距3300mm，橋墩截面為540mm（加載方向）×400mm的矩形，頂部蓋梁尺寸為4500mm×600mm ×600mm，每個橋墩頂端施加866.4kN的軸壓，每個墩柱內(nèi)設4個預應力孔道，每孔布置一根φS15.2鋼絞線，張拉控制力控制在105.3kN（控制預應力產(chǎn)生的軸壓比與原橋型相同，原橋型設計預應力軸壓比為0.106）。橋墩加載側(cè)各布置一個芯板厚8mm的防屈曲鋼板阻尼器，如圖5所示。試驗采用電液伺服結(jié)構(gòu)試驗機進行力和位移混合控制的水平單向往復加載，每一級加載目標循環(huán)兩次。試驗實施力和位移混合控制的水平單向往復加載，每一級加載目標循環(huán)兩次，采用力控制的加載幅值為100kN、200kN、343kN（E1地震力），采用位移控制的加載幅值分別為5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm、120mm。加載示意如圖6所示。本試驗的主要儀表量測內(nèi)容有：梁體頂部豎向荷載；梁體水平荷載；梁體水平位移；橋墩1／2處水平位移；墩頂和墩底搖擺界面開口位移；端部縱筋和箍筋應變，測點布置如圖7所示。

圖4 試件設計樣圖Fig.4 Design details of the specimen

圖5 防屈曲板Fig.5 Buckling-restrained steel plate

圖6 加載方案Fig.6 Loading plan diagram

圖7 應變片與位移計布置Fig.7 Layout of strain gauge and displacement meter

試驗得到的橋墩滯回曲線如圖8所示，從滯回曲線中可知試件加載卸載后殘余位移很小，每個加載級別的殘余位移見圖9。在加載位移偏移率為4.0%時，最大殘余位移率為0.246%，遠小于日本規(guī)范中1%殘余位移角限值的規(guī)定［18］，驗證了本試驗的雙柱式自復位橋墩體系具有很好的自復位能力。從滯回曲線可看出該體系的滯回環(huán)比較飽滿，耗能效果明顯。

圖10為等效粘滯阻尼比隨加載幅值變化曲線，等效粘滯阻尼比的值隨著位移增加而增加，說明外置耗能裝置的搖擺橋墩具有良好的耗能能力，抗震性能良好。驗證了雙柱式自復位橋墩體系不僅具有良好的自復位能力，而且具有足夠的承載力。即使是加載到最大位移120mm時，抗側(cè)能力仍然沒有明顯降低，說明該體系具有良好的剛度和位移延性。

試驗表明無支座自復位橋墩在循環(huán)荷載作用下上下?lián)u擺界面交替開合，不會發(fā)生現(xiàn)澆混凝土橋墩出現(xiàn)的塑性鉸現(xiàn)象，有效地避免了橋墩的損傷破壞，試驗結(jié)束后橋墩狀態(tài)良好。局部角點也未見混凝土壓潰破壞現(xiàn)象，證明了增加局部墊板和搖擺部位的鋼板箍能夠有效防止混凝土局壓破壞。建議設計時增加剪力銷來防止橋墩出現(xiàn)大滑移，同時需要附加抗扭限位構(gòu)造防止橋墩出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。

圖8 試驗滯回曲線Fig.8 Hysteresis curve of the test

圖9 各加載級別的殘余位移Fig.9 Residual displacements at each load level

圖10 等效粘滯阻尼比Fig.10 Specimen equivalent damping ratio

4 無支座自復位橋梁實橋應用

4.1 橋梁概況

2016年在京臺高速黃徐路分離式立交跨線橋中實施了無支座自復位橋梁的建設，黃徐路分離式立交跨線橋居于京山鐵路北側(cè)，在京臺主線樁號ZK18＋165.197處上跨京臺高速公路。黃徐路道路線位與鐵路大致平行，與京臺主線斜交，斜交角118.9°。該橋為跨徑2×40m的連續(xù)梁橋，全長87.2m。橋梁寬度為16m，橋墩為1.4m×1.6m矩形斷面的雙柱式墩，墩高為6.8m。黃徐路橋型如圖11所示。

4.2 黃徐路橋設計要求

1.設計標準

（1）荷載標準：公路－I級

（2）抗震標準：地震基本烈度為8度，設計按8度設計，按9度采取抗震措施。

2.設防目標

黃徐路橋采用基于性能的抗震設計方法。橋梁抗震設防目標如下：

圖11 黃徐路橋立面示意Fig.11 Elevation of the Huang-xu Road overpass

（1）E1地震作用下：不受損傷或不需修復可繼續(xù)使用。

（2）E2地震作用下：僅發(fā)生輕微損傷，不需修復或經(jīng)簡單修復可繼續(xù)使用。

3.抗震性能目標

（1）E1地震作用下：容許搖擺界面消壓；耗能裝置最大應力小于材料屈服強度；墩柱無粘結(jié)預應力筋的應力應滿足現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范的設計要求；橋梁能夠自復位，無殘余位移。

（2）E2地震作用下：容許搖擺界面消壓；耗能裝置不發(fā)生斷裂破壞；無粘結(jié)預應力筋不發(fā)生屈服；橋梁能夠自復位，且殘余位移小于墩柱傾斜率的1%；墩柱局部不出現(xiàn)壓潰破壞；無支座自復位橋墩不發(fā)生穩(wěn)定性破壞。設計自復位橋墩E2作用下的最大水平位移小于耗能裝置斷裂時的極限位移。

4.3 黃徐路橋設計概況

黃徐路橋設計施工的重點和難點為無支座自復位橋墩。與正常橋梁計相比，無支座自復位橋梁主要體現(xiàn)在取消原中墩墩柱柱頂支座，并將原中墩由與承臺固結(jié)的鋼筋混凝土墩柱變?yōu)樽詮臀活A應力混凝土墩柱；邊墩橋臺、樁基和主梁構(gòu)造均按照常規(guī)橋梁設計。其墩柱構(gòu)造不同于傳統(tǒng)鋼筋混凝土墩柱，且構(gòu)成部件較為復雜，需要根據(jù)其受力特點對中墩墩柱、承臺、樁基施工進行專門的設計。

1.混凝土墩柱設計

自復位橋墩在柱底彎矩較大時，會在柱底和柱頂張開微小縫隙釋放部分彎矩，在地震力來臨時不用考慮塑性鉸屈服后的延性問題，因此墩柱整體配筋率和配箍率較原墩柱有較大降低。在墩底預留空間設置耗能鋼板，墩底截面尺寸較常規(guī)墩柱設計向內(nèi)縮進。墩柱搖擺過程中，往往截面受壓區(qū)高度降低，在主梁中橫梁梁底、承臺頂和墩柱頂?shù)撞烤a(chǎn)生較大局部壓應力，因此對上述4個部位采取了構(gòu)造措施進行局壓設計。另外墩柱本身抗扭變形能力不足，增設了抗扭限位鋼板，滿足墩柱抗扭設計要求。此外，在承臺下方設置后期檢查、更換和監(jiān)測維護通道（圖1所示檢修井）。為保證樁基礎(chǔ)的受力，在計算單樁承載力時，檢修井范圍內(nèi)的樁基不考慮該部分側(cè)摩阻影響。同時樁基配筋進行了相應的核算，即使在高樁承臺情況下樁基配筋也能滿足受力要求。

2.耗能裝置設計

為使耗能裝置達到設計要求，需滿足以下幾點：

（1）先屈服性。耗能裝置作為主要耗能構(gòu)件，在設計過程中需保證其先于墩柱和承臺預埋主筋屈服，并將墩柱和承臺預埋主筋作為能力保護構(gòu)件進行設計。

（2）穩(wěn)定性。地震來臨時需要耗能裝置進行屈服變形滯回耗能，在滯回過程中既得保證鋼板有一定的側(cè)向空間來保證滯回過程中的橫向變形，又保證鋼板不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

（3）可更換性。耗能裝置在地震作用后，需考慮對發(fā)生屈曲的耗能裝置進行更換。

（4）耗能裝置在初始安裝狀態(tài)下應保持零應力狀態(tài)。

（5）耗能裝置具有耐久性。具體實施措施為：首先在耗能鋼板表面鍍鋅處理，然后在安裝完成后，在此處澆筑C25低強度混凝土封閉。

耗能裝置采用插口連接組合式鋼板耗能器，如圖12所示，解決了墩柱變形造成的安裝誤差影響，耗能器完全入位，安裝效果良好，保證了后期受力性能。

圖12 黃徐路橋鋼板耗能器安裝Fig.12 Installation of steel plate energy dissipator on Huang-xu Road overpass

3.預應力設計

結(jié)合之前國內(nèi)部分自復位橋墩試驗案例，對于自復位體系，在擬靜力推覆試驗過程中，往往無粘結(jié)預應力鋼束會產(chǎn)生一定程度的預應力損失。通過對比自復位橋墩搖擺過程中無粘結(jié)預應力鋼束的應力幅值可知，在沒有強震作用下，引起預應力損失的主要原因是夾片錨的夾片松馳。因此本橋的無粘結(jié)預應力體系選擇應用擠壓索和配套錨具，同時要求錨具具備補張拉能力，在檢測發(fā)現(xiàn)預應力出現(xiàn)松弛后考慮進行補張拉。

無支座自復位橋梁抗震技術(shù)在京臺高速公路（北京段）工程黃徐路橋中的首次成功應用，開創(chuàng)了無支座自復位橋梁應用先例，為無支座自復位橋梁抗震技術(shù)的推廣應用提供了設計標準和理論基礎(chǔ)，驗證了無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系的可實施性，積累了設計與施工技術(shù)和經(jīng)驗。

5 結(jié)論

1.本文研發(fā)了一種無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系并闡明了這種新型橋梁結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其抗震作用機理；給出了承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)下的設計要求與對應的抗震設防目標及性能目標；

2.擬靜力試驗表明，無支座自復位橋梁結(jié)構(gòu)承載力高，安全可靠，抗震性能優(yōu)良，同時具有良好的自復位性能和耗能減震能力，且具有較小的震后殘余位移。強震后橋梁損傷可控，減少震后維護工程，可快速恢復使用功能，有效保護橋梁主體結(jié)構(gòu)安全，可實現(xiàn)不中斷橋上交通進行維護作業(yè)，保證了救災生命通道和災后重建物資運輸?shù)臅惩ā?/p>

3.無支座自復位橋梁目前在國內(nèi)外均處于技術(shù)研發(fā)階段，工程應用實例不多。為進一步實現(xiàn)無支座自復位橋梁抗震技術(shù)的推廣應用，還需要對該自復位橋梁結(jié)構(gòu)體系進行進一步的發(fā)展完善，編制相關(guān)設計施工規(guī)范、對相關(guān)的附屬設施進行優(yōu)化設計等。