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        搖擺隔震橋墩研究綜述

        2022-04-26 07:05:16李思嬌林澤樺閔金偉
        四川建材 2022年4期
        關(guān)鍵詞:墩底墩柱橋墩

        王 一,李思嬌,王 兵,林澤樺,閔金偉

        (江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

        0 前 言

        目前,我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)均采用延性設(shè)計(jì)與減隔震設(shè)計(jì),延性設(shè)計(jì)通過在墩身特定部位形成塑性鉸來(lái)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(yán)重影響到橋梁的交通功能,且需要耗費(fèi)大量人力及資金進(jìn)行修復(fù)。減隔震設(shè)計(jì)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(shí)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期,此設(shè)計(jì)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(jì)方法具有一定的局限性。

        近年來(lái),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(jiǎn)要介紹了搖擺橋墩的減震機(jī)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(jìn)之處以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

        1 搖擺橋墩隔震機(jī)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(tái)組成。

        圖1 搖擺橋墩結(jié)構(gòu)組成

        其中墩底與承臺(tái)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(shí)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)墩底固結(jié)的延性橋墩相差無(wú)幾。設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用下,當(dāng)?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(shí),墩柱開始搖擺,通過搖擺界面不斷的交替開合行為來(lái)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(dòng)復(fù)位,這對(duì)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(dāng)限制墩柱搖擺幅度,彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)由于墩柱與承臺(tái)斷開而造成整體性不足的問題。耗能組件主要作用是增強(qiáng)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(rèn)為是自復(fù)位組件與耗能組件滯回曲線的有機(jī)結(jié)合,具有“旗幟形”的特點(diǎn)。

        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(jì)方法,為驗(yàn)證所提設(shè)計(jì)理念,制作了一個(gè)接近足尺的橋墩模型并進(jìn)行低周循環(huán)加載試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)具有良好的自復(fù)位能力,且墩柱無(wú)明顯損傷,其強(qiáng)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(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的力與位移關(guān)系吻合良好。趙揚(yáng)[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(shí)程分析分析了自由搖擺橋墩、添加預(yù)應(yīng)力筋橋墩有無(wú)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?yè)u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(duì)象,探討了預(yù)應(yīng)力鋼筋初拉力及預(yù)應(yīng)力損失對(duì)墩柱地震響應(yīng)的影響,指出預(yù)應(yīng)力筋及初拉力會(huì)增大墩底彎矩,而預(yù)應(yīng)力筋屈服則會(huì)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(jìn)行低周循環(huán)加載試驗(yàn),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(jì)。為提高其耗能能力,部分學(xué)者嘗試在墩底與承臺(tái)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(shì)必對(duì)墩柱造成損傷,基于此,部分學(xué)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(shí)程分析驗(yàn)證了其出色的耗能能力。趙圓圓[8]對(duì)比了各種阻尼器的優(yōu)缺點(diǎn),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(jìn)行低周循環(huán)加載,分析了阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(yàn)指出耗能鋁棒提高了墩柱側(cè)向剛度,具有較強(qiáng)的耗能能力,且震后更換較為方便。

        3 可改進(jìn)之處與發(fā)展趨勢(shì)

        經(jīng)過眾多學(xué)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(shí)際工程案例并不多。搖擺橋墩的可改進(jìn)之處與發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下。

        1)目前關(guān)于搖擺橋墩的試驗(yàn)大多為擬靜力試驗(yàn)或推覆試驗(yàn),但這兩種試驗(yàn)均不能真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是十分必要的。

        2)目前國(guó)內(nèi)外研究均集中于搖擺單柱橋墩,而對(duì)于搖擺橋梁整體的研究較少,且雙柱式橋墩在我國(guó)公路和城市橋梁中占有很大比重,有必要針對(duì)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(tái)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(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(lái)研究熱點(diǎn)之一,其對(duì)于震后快速恢復(fù)交通功能、保證災(zāi)后搶險(xiǎn)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(guó)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(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)方法尚不成熟,需要國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者進(jìn)一步展開研究。

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