李環(huán)輝 許燕芳 顏桂云 張東鵬 袁宇琴

(1.廈門中胤建筑工程有限公司 福建廈門 361000； 2.福建省方鑫建設(shè)集團(tuán)有限公司 福建廈門 361000;3.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118)

0 引言

雙柱墩的構(gòu)造簡(jiǎn)單，空間利用性強(qiáng)，在我國(guó)的橋梁建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛，地震動(dòng)下帶系梁雙柱墩的墩-系梁連接點(diǎn)處最易受到破壞，如圖1所示，在抗震設(shè)計(jì)中需采取措施保護(hù)該節(jié)點(diǎn)。在雙柱墩結(jié)構(gòu)中，橫系梁結(jié)構(gòu)僅作為連接構(gòu)件，地震動(dòng)作用下系梁的開裂或者損壞不會(huì)影響橋墩的正常使用，在抗震設(shè)計(jì)中一般使系梁最先進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，以減小墩底地震響應(yīng)和提高橋梁的抗震性能，保護(hù)橋墩安全[1-2]。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的反應(yīng)譜衰減速率較慢，長(zhǎng)周期段內(nèi)的譜值大于普通地震動(dòng)，且遠(yuǎn)場(chǎng)地震下結(jié)構(gòu)的減隔震效果明顯比普通地震動(dòng)差[3-4]。

圖1 墩梁節(jié)點(diǎn)破壞

采用減震控制技術(shù)減少橋梁結(jié)構(gòu)損傷，在工程中得到了廣泛的運(yùn)用。吳徽等[5]研究表明，加入BRB的框架結(jié)構(gòu)在大震后仍有較好的承載力。BRB支撐先于結(jié)構(gòu)屈服消耗能量，且震后易更換。李曉莉等[6]研究表明，BRB主要通過(guò)改變力的工作路線來(lái)減小墩身軸力，規(guī)則橋墩的單斜式支撐比人形支撐更易加大基礎(chǔ)剪力。王晨等[7]提出的預(yù)制裝配式梁端鋼板耗能鉸節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力，可實(shí)現(xiàn)“弱梁”的結(jié)構(gòu)形式，保證地震下結(jié)構(gòu)變形和耗能集中于節(jié)點(diǎn)上。更換鋼板可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能快速恢復(fù)；康婷等[8]提出新型承載-耗能梁柱節(jié)點(diǎn)，具有易裝配和更換特性，不僅滿足抗震設(shè)計(jì)要求，其連接構(gòu)造安全可靠。肖曉菲等[9]提出，鋼質(zhì)可控鉸的裝配式防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)新體系，該體系使結(jié)構(gòu)損傷位置集中于防屈曲支撐和鋼質(zhì)可控鉸上，實(shí)現(xiàn)震后可恢復(fù)功能。

每種減震裝置都有優(yōu)勢(shì)和局限性，單一減震裝置難滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防要求。為此，針對(duì)雙柱墩梁橋，提出新型減震控制方案，研究其失效機(jī)制與減震性能，為工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 雙柱墩式新型減震梁橋結(jié)構(gòu)

提出兩種新型減震方案：①新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ：系梁端部替換為金屬耗能鉸，如圖2(c)；②新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ，同時(shí)使用金屬耗能鉸和BRB支撐，如圖2(d)。地震動(dòng)下金屬耗能鉸進(jìn)入塑性狀態(tài)消耗能量，保護(hù)柱-梁節(jié)點(diǎn)不受地震破壞，實(shí)現(xiàn)塑性區(qū)域可控；BRB支撐可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力性能，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生位移倒塌破壞；新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ同時(shí)采用金屬耗能鉸和BRB支撐抵抗地震力，能實(shí)現(xiàn)“弱BRB支撐-中金屬耗能鉸-強(qiáng)墩柱”的結(jié)構(gòu)多道防線設(shè)防體系，實(shí)現(xiàn)震后可恢復(fù)功能。

(a)抗震結(jié)構(gòu) (b) BRB減震結(jié)構(gòu)

(c)新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ (d)新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ圖2 雙柱墩模型

2 雙柱墩梁橋減震結(jié)構(gòu)模型

2.1 雙柱墩模型參數(shù)

(a)抗震橋梁

(b)新型組合減震梁橋結(jié)構(gòu)Ⅱ圖3 梁橋總體布置圖

圖4 支座布置圖

橋墩抗震模型如圖2(a)所示，系梁、橋墩配筋率按規(guī)范規(guī)定設(shè)置；BRB減震結(jié)構(gòu)布置如圖2(b)所示，是用BRB支撐將抗震結(jié)構(gòu)的系梁中點(diǎn)與橋墩墩頂、墩底連接形成的，表1為防屈曲支撐的主要參數(shù)；新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ的布置如圖2(c)所示，是將抗震結(jié)構(gòu)系梁端部外側(cè)替換為金屬耗能鉸，金屬耗能鉸由高強(qiáng)鋼腹板、屈曲約束金屬連接板和銷軸組成，如圖5(a)，參數(shù)如表2所示[9]。在實(shí)際工程中，將金屬耗能鉸兩側(cè)端板預(yù)埋進(jìn)梁端混凝土，用耗能元件和銷軸連接，圖5(b)中A點(diǎn)為金屬耗能鉸梁端混凝土開裂，B點(diǎn)為耗能元件屈服，C為耗能元件屈曲，D點(diǎn)為金屬耗能鉸破壞；新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ如圖2(d)所示，組合使用金屬耗能鉸和BRB支撐抵抗地震力。通過(guò)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，控制雙柱墩承載能力強(qiáng)于系梁上金屬鉸的承載能力，系梁上金屬鉸的承載能力強(qiáng)于BRB支撐，使結(jié)構(gòu)失效順序?yàn)椋菏紫菳RB支撐屈服，然后金屬耗能鉸屈服，最后橋墩墩身屈服。

(a)金屬耗能鉸形狀

(b)金屬耗能鉸骨架曲線圖5 金屬耗能鉸

表1 BRB支撐性能參數(shù)

表2 金屬耗能鉸骨架曲線數(shù)值

2.2 結(jié)構(gòu)失效機(jī)制分析

采用位移控制方法中的主節(jié)點(diǎn)目標(biāo)位移控制，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，主節(jié)點(diǎn)為蓋梁中點(diǎn)。初始目標(biāo)假定為結(jié)構(gòu)總高度的1%、2%、4%，得到結(jié)構(gòu)基底剪力Vb與頂層位移Uroof之間的關(guān)系，雙柱墩結(jié)構(gòu)的各個(gè)特征節(jié)點(diǎn)的名稱如圖6所示；位移推覆作用下抗震結(jié)構(gòu)、BRB減震結(jié)構(gòu)、新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ和新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的失效順序，如圖7所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)分布圖

圖7 結(jié)構(gòu)失效順序圖墩頂、墩底混凝土開裂 墩-系梁連接點(diǎn)混凝土開裂 系梁端點(diǎn)混凝土開裂 系梁端點(diǎn)破壞，結(jié)構(gòu)失效 BRB支撐屈服 墩-系梁連接點(diǎn)混凝土開裂 系梁端點(diǎn)混凝土開裂 金屬耗能鉸耗能元件開始屈服 金屬耗能鉸完全屈服 系梁端點(diǎn)混凝土開裂 金屬耗能鉸耗能元件開始屈服 墩-系梁連接點(diǎn)混凝土開裂 金屬耗能鉸完全屈服

(1)抗震結(jié)構(gòu)失效順序

推覆位移為20 mm時(shí)，墩頂和墩底開始出現(xiàn)塑性鉸，橋墩基底剪力-墩頂位移曲線增長(zhǎng)率不發(fā)生改變；推覆位移為40 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)1混凝土開裂，曲線增長(zhǎng)率開始下降；推覆位移為273 mm時(shí)，系梁混凝土開裂，曲線增長(zhǎng)率持續(xù)下降；推覆位移為334.5 mm時(shí)，系梁進(jìn)入屈服狀態(tài)，此時(shí)墩-系梁連接點(diǎn)破壞，橋墩的承載能力下降，橋墩失效。

(2)BRB減震結(jié)構(gòu)失效順序

推覆位移為20 mm時(shí)，墩頂、墩底出現(xiàn)塑性鉸，橋墩基底剪力-墩頂位移曲線的增長(zhǎng)率不變；推覆位移為35 mm時(shí)，BRB支撐開始屈服，曲線呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，BRB支撐完全屈服破壞后，基底剪力-墩頂位移曲線的變化規(guī)律與抗震結(jié)構(gòu)曲線的相同，BRB支撐可以提高橋墩的抗側(cè)向力剛度，延緩橋墩節(jié)點(diǎn)的破壞時(shí)間點(diǎn)。

(3)新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ失效順序

推覆位移為26 mm時(shí)，墩頂、墩底出現(xiàn)塑性鉸，橋墩基底剪力-墩頂位移曲線的增長(zhǎng)率不變；推覆位移為62 mm時(shí)，金屬耗能鉸耗能元件開始屈服，曲線增長(zhǎng)速率下降；推覆位移為78 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)1混凝土開裂；推覆位移為100 mm時(shí)，金屬耗能鉸完全屈服，曲線的增長(zhǎng)率不變，系梁端點(diǎn)不會(huì)發(fā)生塑性破壞，實(shí)現(xiàn)了系梁端部塑性鉸外移，避免墩-系梁連接點(diǎn)處發(fā)生破壞。

(4)新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ失效順序

推覆位移為20 mm時(shí)，墩頂、墩底混凝土開裂；推覆位移為35 mm時(shí)，BRB支撐進(jìn)入屈服狀態(tài)，基底剪力-墩頂位移曲線增長(zhǎng)率不變；推覆位移為102 mm時(shí)，金屬耗能鉸耗能元件開始屈服，新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的金屬耗能鉸進(jìn)入屈服狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)較新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ晚，說(shuō)明BRB支撐耗能可延緩雙柱墩結(jié)構(gòu)進(jìn)入損傷的時(shí)間；推覆位移為144 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)1混凝土開裂；推覆位移為183 mm時(shí)，金屬耗能鉸完全屈服，曲線增長(zhǎng)率保持不變，說(shuō)明金屬耗能鉸能實(shí)現(xiàn)系梁端部塑性鉸外移，避免結(jié)構(gòu)在墩-系梁連接點(diǎn)處發(fā)生破壞，不會(huì)降低橋墩的承載力。

綜上所述：地震下BRB減震結(jié)構(gòu)的BRB支撐首先屈服，消耗地震能量，增加橋墩的抗側(cè)向力剛度；地震下新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ的金屬耗能鉸最先開始耗能，結(jié)構(gòu)承載能力不發(fā)生退化。墩-系梁破壞節(jié)點(diǎn)外移至金屬耗能鉸，抗震結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，金屬耗能鉸減震結(jié)構(gòu)的抗震性能良好；地震動(dòng)下新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的BRB支撐最先達(dá)到屈服，可減少地震動(dòng)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。隨著地震動(dòng)能量增大，橋墩的塑性發(fā)展集中于金屬耗能鉸上，實(shí)現(xiàn)塑性耗能區(qū)域可控；震后可通過(guò)更換BRB支撐和金屬耗能鉸，使橋墩結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)承載能力，保證橋墩安全，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)墩柱-中系梁-弱支撐”多防線設(shè)防抗震理念。

2.3 性能點(diǎn)分析

相比于普通地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷破壞更嚴(yán)重[10]。因此，選取CHY032N、ILA005-V、ILA041-N這3條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作為目標(biāo)地震動(dòng)，地震動(dòng)信息如表3所示。圖8為以上3條地震動(dòng)需求譜曲線與四類橋墩的結(jié)構(gòu)能力譜曲線的交點(diǎn)。

表3 地震動(dòng)信息

圖8(a)中0.1g的CHY032N的需求譜曲線與新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ無(wú)交點(diǎn)，說(shuō)明金屬耗能鉸屈曲破壞后雙柱墩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃战Y(jié)構(gòu)，墩底地震響應(yīng)急劇增大，此時(shí)新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ發(fā)生破壞，滿足不了地震動(dòng)需求；遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的地震需求譜不似規(guī)則地震動(dòng)需求譜呈現(xiàn)規(guī)律性，因此結(jié)構(gòu)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的設(shè)防烈度要比普通地震動(dòng)高，才能保證結(jié)構(gòu)安全；圖8(b)和(c)表示四類雙柱墩結(jié)構(gòu)都能滿足地震動(dòng)ILA005-V和ILA041-N的需求。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)地震動(dòng)需求譜和結(jié)構(gòu)能力譜的交點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N圖8 性能點(diǎn)分析

3 遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下減震梁橋性能分析

綜上分析：新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的抗震性能最好。將新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ和抗震結(jié)構(gòu)放入全橋模型中分析，得到梁橋在峰值加速度0.1g的遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下的地震響應(yīng)，揭示新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的減震性能。橋墩墩柱鋼筋參數(shù)與抗震結(jié)構(gòu)相同，主梁看作彈性結(jié)構(gòu)，不考慮配筋，新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ梁橋模型如圖3(a)所示?？拐鹆簶蚰Ｐ腿鐖D3(b)所示；地震動(dòng)信息如表3所示，輸入結(jié)構(gòu)地震動(dòng)為縱、橫兩方向，縱向地震影響系數(shù)為1，橫向地震影響系數(shù)為0.85。由于BRB支撐和金屬耗能鉸基本不會(huì)降低橋梁的縱向地震響應(yīng)，因此，本節(jié)地震響應(yīng)著重分析雙柱墩的橫向地震響應(yīng)。

3.1 主梁地震響應(yīng)

圖9為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下抗震梁橋結(jié)構(gòu)，和新型組合減震梁橋結(jié)構(gòu)Ⅱ的主梁橫向位移時(shí)程對(duì)比。可知：新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ放入全橋中，地震下主梁橫向位移較抗震結(jié)構(gòu)變化有兩種情況，第一種為主梁橫向位移峰值點(diǎn)較抗震結(jié)構(gòu)的減小28.8%，峰值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)不變；第二種為主梁橫向位移較抗震結(jié)構(gòu)的下降程度較小，但峰值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)后移?？偟膩?lái)說(shuō)，兩種減震方式都能減小主梁橫向位移，保護(hù)主梁安全。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N圖9 主梁橫向位移

3.2 橋墩地震響應(yīng)

表3為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下，抗震結(jié)構(gòu)與新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ特征節(jié)點(diǎn)地震響應(yīng)和減震率?？芍憾盏?、墩-系梁連接點(diǎn)的縱向響應(yīng)在減震后有不同程度的減小，特別是墩-系梁連接點(diǎn)縱向彎矩減震率達(dá)到13.4%；新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的墩底橫向剪力有所增加，增長(zhǎng)率為21.7%；墩底橫向彎矩減震率達(dá)到31%；墩-系梁連接點(diǎn)和系梁端點(diǎn)地震響應(yīng)減震率在29%～42%范圍內(nèi)，表明新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的減震效果明顯，可以有效控制墩柱的地震響應(yīng)。

表3 橋墩地震響應(yīng)大小

圖10為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下抗震結(jié)構(gòu)，以及新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的墩頂橫向位移時(shí)程對(duì)比?？芍焊鞫枕斏w梁中部設(shè)置橫向單向固定支座，因此新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的墩頂橫向位移于主梁橫向位移的減震變化一致，但墩頂橫向位移的減震率比主梁橫向減震率略大，為30%，說(shuō)明新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ能較大程度地減小墩頂橫向位移。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N圖10 墩柱橫向位移

3.3 支座地震響應(yīng)

圖11為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下抗震結(jié)構(gòu)和新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ各個(gè)支座的橫向位移和橫向剪力的對(duì)比?？芍褐卸罩ё鶛M向位移基本為零，減震后幾乎無(wú)變化。橋臺(tái)、邊墩的支座橫向位移減震都有較大程度減小，橋臺(tái)的支座位移的減震率為29%，邊墩的支座位移降至3 mm以下，可保證邊墩單向活動(dòng)支座的安全。新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ橋臺(tái)處支座減震率為28%，橋墩處支座響應(yīng)變化不明顯?？偟膩?lái)說(shuō)：新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ，能較大程度的減小單向活動(dòng)支座的地震響應(yīng)，保證支座的安全。

(a)橫向位移

(b)橫向剪力圖11 支座地震響應(yīng)

圖12為三條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下，新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的BRB的滯回曲線?？芍築RB支撐幾乎在一開始就達(dá)到屈服強(qiáng)度200kN，三條地震動(dòng)作用下的BRB滯回曲線的耗能、變形基本相同，說(shuō)明新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ的BRB支撐在地震作用下，進(jìn)入屈服狀態(tài)，充分消耗地震能量，保證橋墩結(jié)構(gòu)安全。

(a)CHY0.32N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N圖12 BRB滯回曲線

4 結(jié)論

(1)加入金屬耗能鉸和BRB支撐的減震結(jié)構(gòu)的基底剪力-墩頂位移曲線與抗震結(jié)構(gòu)的差異較大，新型減震結(jié)構(gòu)Ⅰ的曲線位于抗震結(jié)構(gòu)的曲線的下方，地震下金屬耗能鉸最先進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，使系梁端點(diǎn)破壞節(jié)點(diǎn)外移至金屬耗能鉸，保證墩-系梁連接點(diǎn)安全。

(2)新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ在地震下，BRB支撐首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，減少地震動(dòng)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，隨后墩-系梁連接點(diǎn)塑性發(fā)展集中于金屬耗能鉸，實(shí)現(xiàn)塑性耗能區(qū)域可控。且該結(jié)構(gòu)有較好的變形能力和耗能能力，可通過(guò)更換BRB支撐和金屬耗能鉸使橋墩快速恢復(fù)承載力，保證橋墩安全，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)墩柱-中系梁-弱支撐”多防線設(shè)防抗震理念。

(3)新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ能較大程度上減小橋梁橫向地震響應(yīng)，縱向地震響應(yīng)基本不發(fā)生改變，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)可采用新型組合減震結(jié)構(gòu)Ⅱ來(lái)抵抗橫向抗震性能。