外置耗能器对自复位预制RC桥墩抗震性能的影响研究

以中国已建成的首座震后自复位桥梁-京台高速（北京段）黄徐路跨线桥为背景,结合自复位结构和装配式结构的特点,发展自复位预制RC桥墩新型结构。设计并制作对桥墩抗侧强度贡献率分别为0,20%及40%的3组外置耗能部件,并对3组自复位桥墩进行水平拟静力往复试验研究。通过桥墩变形和损伤演化过程、力-位移滞回曲线、骨架曲线、试件耗能能力、预应力筋张拉力变化、残余位移、接缝开口和受压区高度变化等评估自复位预制RC桥墩的抗震性能及外置耗能器对其影响。研究结果表明：外置耗能器耗能段均出现明显的高阶屈曲形态,耗能作用明显,附加外置耗能器自复位桥墩的滞回曲线呈明显的“旗帜”形;耗能器的抗侧强度贡献率越高,墩柱的滞回曲线越饱满,墩柱的耗能能力和抗侧承载力也明显提高;加载至偏移率3.5%时,自复位预制墩柱抗侧承载力无明显下降,表现出良好的延性性能;随墩顶水平位移增加,墩柱内轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,建议墩内竖向预应力筋初始张拉力不超过名义屈服强度的70%;为保证自复位墩柱具有较小的残余位移,建议附加外置耗能器对桥墩的抗侧贡献率不宜超过40%。研究可为自复位预制RC桥墩的结构设计、数值模型验证和工程实践提供参考。     

基于RSC体系的双层桥梁排架墩地震损伤控制设计

为实现钢筋混凝土（RC）双层桥梁排架墩的地震损伤控制设计，提出将上层桥墩设计为装配式摇摆-自复位（RSC）结构，下层桥墩设计为装配式承插连接，但不发生摇摆反应的双层桥梁排架墩。给出新型排架墩中无黏结预应力筋、耗能角钢等的设计方法。以甘肃省洛塘河大桥非规则双层排架墩为原型，建立普通RC与新型RSC两种双层排架墩抗震数值分析模型，并结合太平洋地震工程研究中心（PEER）完成的RSC排架墩振动台试验结果验证建模方法的准确性。在此基础上，完成RC与RSC排架墩模型在40条近断层地震动下的动力时程分析，对比分析2种排架墩的抗震性能。研究结果表明：RSC排架墩上层桥墩最大层间位移角略大于普通RC排架墩的上层桥墩最大层间位移角，但RSC排架墩下层桥墩最大层间位移角仅为普通RC排架墩下层桥墩最大层间位移角的47%；RSC排架墩上、下层桥墩层间残余位移角仅为普通RC排架墩上、下层桥墩层间残余位移角的2%左右；RSC排架墩可显著降低下层桥墩的地震剪力需求，无黏结预应力筋应力保持弹性，耗能角钢易屈服耗能但未拉断，验证了所建议的双层桥梁排架墩地震损伤控制设计方法的合理性。     

设置防屈曲支撑的自复位双柱墩抗震性能研究

基于可恢复功能设计理念,利用防屈曲支撑的耗能能力强、便于更换及自复位桥墩震后残余位移小等优点,提出一种设置防屈曲支撑自复位双柱墩。同时以Opensees软件模拟此双柱墩,并通过与相应的试验数据进行对比,验证了模拟方法的正确性。以初始刚度、残余位移等为评价指标,对比研究设置防屈曲支撑的自复位双柱墩与未设置防屈曲支撑的自复位双柱墩、普通混凝土双柱墩的抗震性能。之后,建立防屈曲支撑与自复位双柱墩的刚度比,分别为0.25、0.50和0.75,对比研究不同刚度比对自复位双柱墩抗震性能的影响。结果表明:设置防屈曲支撑的自复位双柱墩与未设置防屈曲支撑的自复位双柱墩相比,初始刚度、承载能力、耗能能力均有明显的提高;与普通混凝土双柱墩相比,残余位移降低近83%,自复位能力较强。设置防屈曲支撑的自复位双柱墩的耗能能力随着刚度比的增大而提高,最大残余位移也随着刚度比的增大而增加,自复位能力降低。     

不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验

为探讨预制拼装钢管混凝土桥墩抗震力学性能,充分发挥预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力,以实际桥墩为参考,考虑不同拼装接缝形式、耗能钢筋配筋率和预应力轴压比等参数,设计和制作了6个摇摆式预制拼装预应力钢管混凝土桥墩和2个对比墩（1个摇摆式预应力钢筋混凝土墩和1个承插式预应力钢管混凝土墩）,共8个缩尺模型。采用拟静力试验方法,结合数值模拟揭示预应力预制拼装钢管混凝土桥墩的延性能力、自复位性能、滞回耗能特性、破坏模式和破坏机理。试验结果表明：对于2种构造下的钢管混凝土桥墩,摇摆式桥墩因其可发生一定范围内摇摆,并设置预应力筋和耗能钢筋,使其延性与耗能能力更加优异;在墩底设置UHPC座垫层,加载过程中其对承台的破坏相对较小,提高了桥墩的损伤容限;在相同的目标位移下,摇摆式试件残余位移小于承插式试件,表明摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩拥有良好的自复位特性;对于摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩,增大耗能钢筋配筋率,使得试件损伤状态出现滞后,耗能能力增强,减轻墩底接缝破坏程度,同时使得残余位移增大;增大预应力轴压比,其约束试件变形的自复位能力进一步增强,使试件残余位移减小,有利于桥墩在震后功能的快速恢复;通过建立各试件的有限元纤维模型,进一步验证了试验结果的准确性。研究成果可为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供试验基础。     

PC与RC空心墩抗震性能试验对比

为研究PC空心墩的抗震性能,设计制作了3个PC空心墩(1个整体式和2个装配式),并用1个RC空心墩作为对比试件,对4个试件进行了拟静力试验.基于试件的破坏特征、滞回性能、曲率分布、剪切变形等试验结果,详细比较了RC及PC整体式、PC装配式空心墩的承载力、刚度、延性、耗能、复位能力等抗震性能,分析了预应力轴压比对空心墩抗震性能的影响.研究结果表明:RC空心墩中布置无粘结后张预应力筋可以有效降低残余位移,对累积滞回耗能影响不大,但可减小等效粘滞阻尼比;布置耗能钢筋的PC装配式空心墩的自复位能力较强,曲率分布和剪切错动主要集中在墩底接缝处,其损伤程度比整体式空心墩轻的多;预应力轴压比过大可导致保护层混凝土提前被压碎,使空心墩屈服后出现负刚度.     

灌浆波纹管装配式PC双柱墩双向拟静力试验

为了解双向荷载作用下灌浆波纹管装配式双柱墩的抗震性能,设计和制作了现浇混凝土墩、灌浆波纹管连接和预应力灌浆波纹管混合连接装配式双柱墩构件。开展了装配式双柱墩的双向拟静力试验,研究了破坏模式、滞回特性、骨架曲线、刚度退化、残余位移和接缝张开规律等,并与现浇混凝土双柱墩墩进行比较,重点分析了灌浆波纹管连接装配式预应力混凝土（PC）双柱墩的位移延性和变形性能。结果表明,整体现浇墩和波纹管连接装配式双柱墩的破坏形态均是以弯曲破坏为主的延性破坏,预应力增大了轴压,使得双柱墩的柱脚混凝土压碎高度增大到15 cm,而灌浆波纹管连接装配式混凝土墩的柱脚破坏高度为10 cm。双向荷载作用下,现浇墩的耗能能力、极限承载力、刚度等均大于灌浆波纹管装配式墩。增加预应力筋后,装配式双柱墩强轴方向的滞回耗能、承载力、刚度和变形能力等可以接近现浇墩,其中承载力达到现浇墩的97.9%。位移延性系数为4.79,大于现浇墩的位移延性系数3.23,残余变形则降低到现浇墩的70%。同时,预应力灌浆波纹管装配式墩2个方向的位移延性和变形能力更为接近,均可以形成完全塑性铰机制,从而避免了一个方向的过早破坏,整体抗震性能明显提升。研究结果可以为灌浆波纹管装配式PC双柱墩的设计和应用提供试验基础。     

预应力混凝土空心墩拟静力试验与数值分析

为研究预应力混凝土空心墩的抗震性能,对4个空心墩模型进行拟静力试验研究,并基于试件的破坏特征、滞回性能等试验结果,利用OpenSees软件,采用纤维梁柱单元模拟各空心墩在拟静力荷载下的力学行为,对比分析预应力混凝土整体式空心墩、装配式空心墩与钢筋混凝土空心墩的拟静力行为。结果表明:在钢筋混凝土空心墩中配置竖向无粘结后张预应力筋,可提高其刚度与水平抗力,增强滞回曲线的捏缩效应,减小残余位移,对累积滞回耗能影响不大;与整体式空心墩不同,添加耗能钢筋的预应力装配式空心墩没有出现明显的塑性铰区,曲率分布和剪切错动主要集中在墩底接缝处,滞回曲线呈明显的捏缩状,损伤程度较轻,其刚度、累积滞回耗能分别约为钢筋混凝土空心墩的100%、73%;建议的模型和方法能较准确地预测预应力空心墩的拟静力行为。     

基于摇摆机械铰连接的自复位桥墩抗震性能研究

为减少自复位桥墩的摇摆界面可能由压力造成的混凝土压碎和预应力损失，同时加快预制桥墩与承台的连接速度，基于某采用钢筋提供耗能能力及恢复力的可恢复铰(简称RH铰),提出一种新型摇摆机械铰。该新型摇摆机械铰(简称摇摆铰)首先将RH铰的普通钢筋改为无粘结预应力筋和U形耗能器，分别为桥墩系统提供自复位能力和耗能能力，形成球形机械铰(简称球形铰),再增大支点与墩中心线的距离使重力提供稳定力矩。对该摇摆铰与球形铰结构构造进行对比分析，推导摇摆铰桥墩和球形铰桥墩的荷载～位移关系，对比2种桥墩的滞回曲线，并以某四跨连续梁桥为背景，采用非线性时程分析方法对比分析采用摇摆铰和球形铰桥梁的地震响应。结果表明：摇摆铰桥墩的滞回曲线呈典型的旗帜形，而球形铰桥墩的滞回曲线可用弹塑性曲线表示；在相同条件下，摇摆铰桥墩比球形铰桥墩具有更强的水平承载能力和自复位能力；与采用球形铰的桥梁相比，采用摇摆铰的桥梁中墩处主梁峰值位移更大，中墩墩底剪力相近，残余位移更小，自复位性能更优。     

自复位双柱式摇摆桥梁抗震设计方法及工程应用

为发展具有损伤可控特性和自复位能力的摇摆结构新型桥梁抗震体系,对自复位双柱式摇摆桥梁的抗震设计方法及其工程应用进行研究。在摇摆桥墩受力机理和旗帜形滞回分析模型基础上,提出其在消压、屈服和设计极限状态的计算方法,并给出限定残余位移侧移率小于1%的回复能力验算公式。考虑到摇摆桥墩的力学行为和变形特点,提出直接基于位移的摇摆桥梁结构抗震设计方法,给出设计原则及具体的设计步骤,并把该方法成功应用到黄徐路跨线桥梁抗震设计中。在此基础上,数值分析不同设计地震作用下摇摆桥梁结构的性能状态及其性能指标,并介绍了中国首座自复位摇摆桥梁工程——黄徐路摇摆桥梁工程实践,展示了实桥应用中的一些抗震构造细节。研究结果表明:提出的验算公式可为设计计算提供充分的理论依据;E1地震作用下耗能钢筋没有屈服且具有较高的安全储备;在E2地震作用下,随着桥梁发挥摇摆功能,摇摆桥墩刚度减小,地震力增幅变小,有效实现了结构减震功能,且震后桥墩残余位移较小,可忽略不计,实现了结构自复位功能,满足了既定的抗震设计目标。     

内置SMA杆节段拼装桥墩抗震性能分析

为研究超弹性材料SMA在预制节段拼装桥墩中的应用和抗震性能,基于SMA材料循环拉伸试验和预制节段拼装自复位桥墩试验,运用OpenSees有限元软件建立内置SMA杆预制节段拼装自复位(Shape memory alloy self-Centering,SMA-SC)桥墩数值模型,通过拟静力分析,对比RC柱和含耗能钢筋自复位(Energydissipation bars self-Centering, ED-SC)桥墩的骨架曲线、残余位移曲线、耗能曲线,揭示内置SMA杆自复位桥墩具有较小的残余位移和良好的耗能能力。     

预制节段拼装桥墩多节点转动推覆分析方法及试验验证

为了给预制拼装桥墩抗震设计计算提供参考,针对典型预制拼装桥墩所采用的仅无黏结预应力或无黏结预应力+耗能钢筋连接方式,考虑混凝土、耗能钢筋和预应力筋的非线性本构模型,推导了预制节段拼装桥墩多节点转动推覆分析计算过程。基于关键截面弯矩-曲率分析确定弯矩承载力和对应的墩顶水平荷载,然后计算各个接缝的弯矩和曲率,进而计算墩顶位移。开展了2种接缝连接方式预制节段拼装桥墩试件拟静力试验,将多节点转动推覆分析方法模拟结果与拟静力试验结果进行对比,分析预制拼装桥墩水平抗力-侧移曲线以及接缝张开、预应力筋应力、墩柱转角随侧移的变化,各种位移机理对墩顶位移的贡献,接缝处混凝土应变等。研究结果表明:多节点转动模型与单节点转动模型水平承载力计算结果基本一致,而多节点转动模型桥墩侧移计算结果大于单节点模型计算结果,多节点模型计算精度更高;多节点转动模型接缝张开、预应力筋应力和接缝转动计算结果与试验结果基本一致;开始时墩顶位移主要由剪切位移和整体弯曲位移提供,随着墩顶位移的增大,墩底接缝转动对墩顶位移的贡献逐渐占主导地位;墩柱混凝土轴向应变测试结果验证了各个接缝处混凝土应变随着墩高逐渐降低的趋势,接缝处的混凝土轴向应变远大于墩柱混凝土轴向应变。     

承插式连接预制拼装桥墩抗震性能试验研究

为研究不同连接构造、轴压比和承插深度对承插式连接预制拼装桥墩(简称“承插式桥墩”)抗震性能的影响,制作1组现浇桥墩试件和3组承插式桥墩试件开展拟静力试验。对比试件破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及特征值、耗能能力、刚度特性和残余位移、纵筋应变,分析承插式桥墩与现浇桥墩抗震性能差异以及增设钢榫进行结构优化后桥墩抗震性能改善效果。结果表明：承插式桥墩与现浇桥墩试件破坏模式、损伤范围、承载能力、耗能能力、残余位移和钢筋应变沿梁高分布相近;提高承插式桥墩轴压比,能提高桥墩承载能力,降低延性和累积耗能能力,破坏时残余位移远小于其它构件,具有可靠的自复位能力;提高承插深度,会增大桥墩承载能力和耗能能力;墩底增设钢榫能增强承插式桥墩与承台间的连接,承载能力、延性、耗能能力等与承插式和现浇桥墩保持一致,但各加载位移下的累积耗能较高,有助于提高承插式桥墩的耗能能力,具有良好的抗震性能。     

新型SCEB力学性能及其在双柱式桥梁结构中的应用

基于结构"保险丝"概念和减小残余位移的目的,提出采用自复位耗能支撑(SCEB)应用于双柱式桥梁结构的设计理念。首先提出一种新型SCEB-自复位防屈曲支撑,阐明其工作机理并通过试验验证了其力学性能;然后基于新型SCEB的力学性能,建立附加SCEB双柱式桥墩结构的恢复力模型,并给出双柱式桥墩结构中新型SCEB的设计方法,通过合理设计SCEB使其先于桥墩屈服并耗能,可减小主体结构墩身的地震损伤,并且能够有效控制桥梁结构震后的残余位移;最后基于OpenSees软件平台,验证SCEB应用于双柱式桥梁结构中的可行性和有效性,并对附加新型SCEB的双柱式桥梁结构进行抗震性能分析。新型SCEB试验结果验证了合理的设计能够实现新型支撑具有稳定的耗能能力和良好的自复位功能,其力-位移滞回曲线呈明显的旗帜形特征;数值模拟结果不仅验证了附有"保险丝"构件的新型耗能桥梁结构的抗震性能优于传统横系梁桥梁结构,还验证了SCEB作为"保险丝"附加在桥梁结构中的有效性;附加新型SCEB的双柱式桥梁结构与附加传统BRB双柱式桥梁结构相比,在提高桥梁结构横向刚度的同时,对桥墩主体结构具有更好的保护作用和耗能能力,特别是能够减小甚至消除桥梁结构的残余位移。     

配置HRB500E,HRB600钢筋的混凝土圆柱抗震性能试验

为了研究高强度钢筋对试件抗震性能的影响,对11个配置HRB335,HRB500E,HRB600钢筋的混凝土圆形柱进行了水平低周反复荷载作用下的拟静力试验.对比分析钢筋等体积代换和等强度代换时,纵筋强度、箍筋强度、箍筋间距、混凝土强度等因素对试件破坏机理、抗弯承载力、耗能能力的影响及位移延性等对抗震性能的影响.研究结果表明:采用不同强度钢筋时,试件均为典型的弯曲破坏,墩底形成塑性铰,纵筋断裂;钢筋等体积代换时,纵筋强度对试件承载力、变形能力和总耗能能力影响较大,箍筋强度影响较小;等强度代换时,试件抗震性能基本保持不变,采用高强钢筋可以减小钢筋用量;箍筋间距增大时,箍筋对纵筋约束减小,试件变形能力和耗能能力减弱;混凝土强度对试件抗震性能影响较小.     

节段拼装桥墩拟静力试验研究

采用拟静力试验方法比较承插式和节段式两种预制拼装桥墩在循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力、残余变形和墩柱曲率分布的异同。试验结果表明：预应力筋提高了构件的自复位能力,而耗能能力降低;承插式构件破坏形态是弯曲为主的延性破坏,骨架曲线具有强度稳定段,水平抗力和耗能能力较优;节段式构件集中在节缝区域破坏,残余位移比承插式构件小得多。     

新型铁路桥墩的抗震性能研究

针对铁路桥梁摇摆隔震桥墩整体侧向刚度较低的问题,提出在桥墩与承台分离处设置无粘结预应力筋,形成新型桥墩。以某单线铁路桥为例,针对其18号墩提出新型桥墩设计方案,考虑预应力钢筋及其初始预加力损失,基于OpenSees平台建立有限元模型进行地震反应分析,研究其抗震性能。结果表明:罕遇地震作用下,墩顶水平位移、竖向提离位移、墩底弯矩、摇摆反应及预加力损失明显大于设计地震作用下的相应值,但墩底弯矩的增幅小于墩顶水平位移的增幅;输入地震动强度及频谱特性对墩顶位移与墩底提离位移的影响较大,对墩底弯矩的影响相对较小;新型桥墩容易实现罕遇地震作用下不坏的抗震设防要求,具有较好的抗震性能。     

消能自复位摇摆框架墩结构地震反应及易损性分析

摇摆构造可限制结构的地震损伤和残余位移，从而提升结构的震后恢复能力。以消能自复位摇摆框架墩结构为研究对象，基于摇摆刚体假定，建立消能自复位摇摆框架墩结构的动力分析模型，并通过试验结果验证了该模型的有效性。模型中采用拉格朗日方程推导出结构的运动学方程，并考虑了桥墩复位碰撞所造成的速度折减以及预应力束和阻尼器的失效。以黄徐路摇摆桥梁结构为工程背景，对消能自复位摇摆框架墩结构进行实例分析、参数分析和易损性分析。实例分析和参数分析结果表明：阻尼器和预应力束的联合应用可减小结构的位移反应，阻尼器刚度的量纲一化参数（ρ_d）越大则结构减震效果越好，且在脉冲近场地震作用下的减震效果更为明显。针对阻尼器屈服、阻尼器失效、预应力束失效和结构倒塌4个极限状态的易损性分析的结果表明：在E1地震作用下，阻尼器失效、预应力束失效和结构倒塌的发生概率极小；在E2地震作用下，阻尼器极易发生屈服，阻尼器失效和预应力束失效的概率小于20%，结构倒塌的发生概率近乎为0；在脉冲近场地震作用下，ρ_d增大可降低各极限状态的发生概率，预应力束刚度的增大对各极限状态的发生概率影响较小，预应力束初始应力的增大会增加预应力束失效的发生概率。     

近断层强震作用下城市组合钢板梁桥RC桥墩震后可修复性研究

为研究近断层地震动作用下城市组合钢板梁桥钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)桥墩的震后可修复性,以8度区、Ⅲ类场地的城市组合钢板梁桥为背景,分析在E2水平近断层地震动作用下RC桥墩的残余位移比。采用正交试验设计方法,按现行规范试设计25座典型三跨连续城市组合钢板梁桥样本,采用验证后的有限元建模方法建立全桥动力模型,分析跨径、桥宽和桥墩长细比对RC桥墩残余位移比的影响。并以样本中某3×35 m三跨连续组合钢板梁桥为研究对象,进行有限元模型参数分析,研究RC桥墩设计参数(轴压比、长细比、纵筋配筋率和体积配箍率)对残余位移比的影响。结果表明：组合钢板梁桥跨径、桥宽和桥墩长细比均对RC桥墩残余位移比有明显影响;RC桥墩残余位移比与轴压比和长细比成正比关系,而与纵筋配筋率和箍筋体积配箍率成反比关系;为提高城市组合钢板梁桥在近断层地震动作用下桥墩的可修复性,建议RC桥墩轴压比不超过10%,长细比不超过8,纵筋配筋率取1.5%～2.0%,箍筋体积配箍率取0.6%～1.2%。     

桥梁抗震设计理论发展:从结构抗震减震到震后可恢复设计

为了总结桥梁抗震理论与技术的现状和成果,探究桥梁抗震设计理论的未来发展方向,简要回顾了桥梁抗震设计理论的发展过程,介绍了国内外相关规范基于强度的桥梁延性体系设计方法,进一步论述并总结基于性能的桥梁抗震设计的框架与进展,详细讨论了基于位移的性能设计方法和全概率结构抗震性能设计与评估方法。系统介绍了常用的桥梁减震、耗能装置的基本构造、工作原理、分析模型以及应用状况等,分析近年来桥梁减震、耗能技术发展的新动向,指出桥梁减震、耗能技术正由单一的结构减震目标向面向结构性能控制转变,包括减震措施在非地震状态下的性能控制、以及考虑震后结构功能恢复的全寿命期性能控制等。介绍了目前结构抗震研究的新热点——基于震后可恢复性的新型结构抗震体系,详细分析基于摇摆基础和预应力节段拼装桥墩自恢复体系的作用机制和工作原理,讨论自恢复体系在震后结构性能恢复上的优势。在此基础上,展望桥梁抗震的未来发展方向,指出基于震后桥梁使用功能的抗震设计方法和具有自复位、低损伤特性的新型桥梁结构体系将是桥梁抗震研究的热点和重点。     

低烈度地震区横系梁设置对双柱墩静力和抗震影响分析

大部分工程建设者认为横系梁设置对双柱式桥墩抗震性能影响较大,合理设置横系梁个数和刚度能有效提高桥梁结构抗震性能。但目前国内各地区横系梁设置原则仍存在较大差异,部分工程虽处于低烈度地震区,却参照高烈度地震区设置多道横系梁,不但导致材料浪费、施工繁琐,而且还降低了结构的位移延性。本文以6度区某高速公路一联3×40m预应力混凝土T梁为工程实例,采用midas/civil有限元程序分别进行静力和抗震分析。对不同模型分析可知6度区双柱墩未设置横系梁对结构静力影响不大,在抗震性能上亦具有充分的储备;设置横系梁虽提高桥墩横向刚度、改善墩身弯矩分布,但对墩顶位移和墩身抗剪的能力保护不一定有利。因此低烈度地震区双柱墩参照高烈度地震区设置多道横系梁是欠合理的。