搖擺結(jié)構(gòu)在交通基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)體系的缺陷經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，現(xiàn)有的橋梁承受量規(guī)范如下：。目前,我國的橋梁抗震設(shè)計(jì)采用延性抗震和減隔震設(shè)計(jì)方法。延性抗震設(shè)計(jì)方法利用橋墩塑性鉸區(qū)的塑性變形來耗散地震能量,因此塑性鉸區(qū)在地震中損傷破壞嚴(yán)重,且震后墩頂殘余位移可能較大。減隔震設(shè)計(jì)方法可避免橋墩明顯塑性損傷,但在罕遇地震作用下橋梁有發(fā)生落梁或倒塌的潛在風(fēng)險(xiǎn),且不易控制主梁殘余位移,致使震后橋梁的交通功能受限。因此,目前我國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的抗震設(shè)計(jì)方法不能有效控制橋梁結(jié)構(gòu)在受損后的恢復(fù)時(shí)間,震后橋梁交通通行能力的快速恢復(fù)難以實(shí)現(xiàn)。近年來,秉承減隔震理念的搖擺橋墩在具有較好耐久性和穩(wěn)定性的同時(shí),可提供優(yōu)良的抗震能力和震后恢復(fù)能力,且極適用于預(yù)制拼裝技術(shù)的應(yīng)用,使橋梁結(jié)構(gòu)建造速度更快、質(zhì)量更可控、環(huán)境影響更小,是現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)建造技術(shù)的前沿領(lǐng)域文中簡要介紹了搖擺橋墩的基本原理,回顧了搖擺橋梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用,綜述了搖擺橋墩的抗震性能和分析方法的發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了目前搖擺橋墩研究的不足和發(fā)展趨勢(shì)。1采用手冊(cè)的基本原則和工程應(yīng)用1.1擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用圖1所示為典型單柱搖擺橋墩,搖擺橋墩與承臺(tái)之間設(shè)置搖擺界面,通過無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束和耗能裝置將搖擺橋墩和承臺(tái)連接成整體(如圖1(b)所示)。搖擺橋墩利用其搖擺界面的變形來實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的位移需求,橋墩與承臺(tái)的連接部分在地震作用下不斷“提離”和“閉合”,來實(shí)現(xiàn)橋墩的搖擺行為(如圖1(c)所示),以降低橋墩抗側(cè)剛度,延長橋梁結(jié)構(gòu)自振周期從而起到隔震作用。搖擺橋墩主要為受壓構(gòu)件,因此可將損傷控制在搖擺界面上,以避免橋墩主體發(fā)生損傷破壞,且可在變形位置采用不易受損的控制元件(如無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束)和易于修復(fù)的消能裝置,來提高搖擺橋墩的自復(fù)位能力和耗能能力。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)自重與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的復(fù)位彎矩大于耗能鋼筋的抵抗彎矩時(shí),橋墩發(fā)生可控制的搖擺,塑性變形僅發(fā)生在搖擺界面的受壓區(qū)(受壓區(qū)高度為c),結(jié)構(gòu)的整體性得以保持。在預(yù)應(yīng)力束和上部結(jié)構(gòu)重力的作用下,搖擺橋墩具有極佳的自復(fù)位能力。搖擺橋墩利用上部結(jié)構(gòu)自重和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束的自復(fù)位特性(如圖2(a)所示),以及耗能裝置的耗能能力(如圖2(b)所示),提供搖擺橋墩以旗幟形滯回方式運(yùn)動(dòng)(如圖2(c)所示)。1.2搖橋設(shè)計(jì)應(yīng)用1974年Beck和Skinner2運(yùn)營碼頭的發(fā)展2.1外來電阻尼器-難保技術(shù)目前搖擺橋墩的主要研究內(nèi)容集中在將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)和耗能裝置與搖擺橋墩的聯(lián)合應(yīng)用上,并在預(yù)制拼裝技術(shù)中有一定涉及。無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束對(duì)提高搖擺橋墩的抗傾覆能力和減小殘余位移起到更為重要的作用。Mander和Cheng與梭形滯回關(guān)系的RC橋墩相比(如圖5(a)所示),無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力搖擺橋墩可避免橋墩主體發(fā)生較大損傷破壞且具有較好的自復(fù)位能力(如圖5(b)所示)。但由于預(yù)應(yīng)力束在耗能方面的貢獻(xiàn)基本可以忽略,因此該類搖擺橋墩的耗能能力不足,致使位移需求較大。依托美國預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震計(jì)劃項(xiàng)目雖然在地震作用下內(nèi)置耗能裝置的預(yù)應(yīng)力搖擺橋墩損傷較小,但耗能鋼筋損傷嚴(yán)重,且在震后難以更換,致使該類搖擺橋墩在震后需要較為復(fù)雜的修復(fù)工作。因此,代替內(nèi)置耗能裝置的外置耗能裝置(如防屈曲軟鋼阻尼器,角鋼阻尼器和斜撐阻尼器等)被應(yīng)用在無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力搖擺橋墩中(如圖6所示),這些外置耗能裝置作為保險(xiǎn)絲單元可對(duì)橋墩提供有效的保護(hù),且在震后更換極為方便近年來,可提供更優(yōu)性能的新型材料在搖擺橋墩中的應(yīng)用得到初步研究。Elgawady等在橋墩搖擺過程中,搖擺界面的局部承壓可能會(huì)造成保護(hù)層混凝土的剝落和腳點(diǎn)混凝土的壓碎平齊端面對(duì)接方式使橋墩-承臺(tái)界面的剪力傳遞僅依賴于界面摩擦。采用該種對(duì)接方式可能會(huì)造成搖擺橋墩在地震作用下發(fā)生滑動(dòng)2.2座支撐的連接方式橋墩與上部結(jié)構(gòu)的連接方式主要分為支座支撐和墩梁固結(jié)。對(duì)于采用支座支撐的連接方式,搖擺橋墩與常規(guī)橋墩無顯著差別上世紀(jì)初,類似銷栓的柔性連接方式已開始應(yīng)用于鋼筋混凝土橋墩與上部結(jié)構(gòu)和承臺(tái)的連接,以避免橋墩在連接處的損傷破壞。2006年,Keever等2.3擺動(dòng)橋墩的計(jì)算目前研究人員已提出多種分析方法來計(jì)算搖擺橋墩的力學(xué)行為,如截面分析法、集中塑性鉸法,多彈簧法,實(shí)體有限元法和剛體分析方法等。搖擺橋墩在側(cè)向水平力F、軸力N、阻尼器反力F式中,θ為搖擺界面的截面轉(zhuǎn)角;h為橋墩計(jì)算高度;h圖11所示為MBA方法的計(jì)算流程:首先給出截面轉(zhuǎn)角θ并假設(shè)對(duì)應(yīng)的中性軸高度c,再根據(jù)靜力平衡條件迭代出近似精確的中性軸高度c,從而計(jì)算搖擺橋墩頂部承受的側(cè)向水平力F。集中塑性鉸法是分析搖擺結(jié)構(gòu)反應(yīng)的方法中最簡單的一種,Pampanin等多彈簧法(如圖12所示)是將搖擺界面接觸特性由一組受壓彈簧來表征,橋墩采用彈性梁柱單元,預(yù)應(yīng)力束和耗能裝置均采用桁架單元并分別考慮預(yù)應(yīng)力束和耗能裝置的力學(xué)特性。Marriott等在地震作用下,搖擺橋墩主要作為受壓構(gòu)件,如搖擺界面剛度較大則可將搖擺橋墩簡化成搖擺剛體。1963年HousnerMakris和Vassiliou3現(xiàn)有研究手段存在的不足搖擺結(jié)構(gòu)最早可追溯到公元前510年的希臘神廟,且該建筑在2500年內(nèi)經(jīng)歷多次大地震而未發(fā)生倒塌,目前作為古建筑仍保存較好(1)預(yù)應(yīng)力束和消能減震裝置(如:黏滯阻尼器、軟鋼阻尼器等)在搖擺橋墩中的應(yīng)用可提供其自復(fù)位能力和耗能能力。嵌合式接頭或剪力鍵的應(yīng)用可避免搖擺界面滑移,采用鋼材料、纖維增強(qiáng)聚合材料和復(fù)合纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)搖擺界面加強(qiáng)可限制搖擺界面的局部損傷。(2)目前國內(nèi)外研究手段多采用擬靜力或擬動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試搖擺橋墩,而采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的搖擺橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能研究較少,因此,在真實(shí)地震動(dòng)激勵(lì)下?lián)u擺橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和震后恢復(fù)能力,以及連接節(jié)點(diǎn)的地震反應(yīng)(如:橋墩與承臺(tái)接縫的碰撞效應(yīng))的真實(shí)評(píng)估是需要解決的關(guān)鍵研究問題。(3)目前國內(nèi)外研究主要集中于單柱搖擺橋墩的研究,而對(duì)于我國城市橋梁和公路橋梁中常見、抗倒塌能力更好的雙柱式搖擺橋墩的研究則較少。針對(duì)雙柱式搖擺橋墩的橋墩-上部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)合理構(gòu)造形式的研究暫存不足,為更好地控制橋墩在地震作用下的搖擺幅值,可在橋墩-上部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中引入消能減震元件。(4)目前國內(nèi)外針對(duì)搖擺橋墩的研究對(duì)象以二次剛度為正的搖擺橋墩為主,而負(fù)二次剛度搖擺橋墩未受到足夠重視。在地震作用下負(fù)二次剛度搖擺橋墩可避免共振發(fā)生且能起到顯著隔震效果,且不依賴于預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)用而易于設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)。因而,負(fù)二次剛度搖擺橋墩的抗震性能和抗倒塌能力應(yīng)開展充分研究。(5)適用的搖擺橋墩抗震設(shè)計(jì)方法暫無詳實(shí)依據(jù),為使搖擺橋墩在工程中推廣應(yīng)用,需建立成體系的搖擺橋墩及其橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)搖擺橋墩力學(xué)特性,基于直接位移的抗震設(shè)計(jì)方法是搖擺橋墩及其橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢(shì)。在該方法的研究中,需對(duì)搖擺橋梁整體及局部變形限值、等效阻尼比等關(guān)鍵問題展開充分研究。4擺動(dòng)橋梁工程應(yīng)用受限搖擺橋墩可將損傷控制在搖擺界面以避免主體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷,且具有較好的自復(fù)位能力和耗能能力,可在滿足常規(guī)抗震需求的同時(shí),提供較好的震后可快速恢復(fù)能力,保證交通生命線的震后暢通,給快速救