搖擺結(jié)構(gòu)在交通基礎設施中的應用

搖擺結(jié)構(gòu)在交通基礎設施中的應用

橋梁結(jié)構(gòu)體系的缺陷經(jīng)過多年的研究和實踐，現(xiàn)有的橋梁承受量規(guī)范如下：。目前,我國的橋梁抗震設計采用延性抗震和減隔震設計方法。延性抗震設計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重,且震后墩頂殘余位移可能較大。減隔震設計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險,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計規(guī)范中給出的抗震設計方法不能有效控制橋梁結(jié)構(gòu)在受損后的恢復時間,震后橋梁交通通行能力的快速恢復難以實現(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,可提供優(yōu)良的抗震能力和震后恢復能力,且極適用于預制拼裝技術(shù)的應用,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)抗震設計方法和先進建造技術(shù)的前沿領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。1采用手冊的基本原則和工程應用1.1擺動結(jié)構(gòu)的設計應用圖1所示為典型單柱搖擺橋墩,搖擺橋墩與承臺之間設置搖擺界面,通過無黏結(jié)預應力束和耗能裝置將搖擺橋墩和承臺連接成整體(如圖1(b)所示)。搖擺橋墩利用其搖擺界面的變形來實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的位移需求,橋墩與承臺的連接部分在地震作用下不斷“提離”和“閉合”,來實現(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)預應力束)和易于修復的消能裝置,來提高搖擺橋墩的自復位能力和耗能能力。當上部結(jié)構(gòu)自重與無黏結(jié)預應力束產(chǎn)生的復位彎矩大于耗能鋼筋的抵抗彎矩時,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。在預應力束和上部結(jié)構(gòu)重力的作用下,搖擺橋墩具有極佳的自復位能力。搖擺橋墩利用上部結(jié)構(gòu)自重和無黏結(jié)預應力束的自復位特性(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動(如圖2(c)所示)。1.2搖橋設計應用1974年Beck和Skinner2運營碼頭的發(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)預應力技術(shù)和耗能裝置與搖擺橋墩的聯(lián)合應用上,并在預制拼裝技術(shù)中有一定涉及。無黏結(jié)預應力束對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)預應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位能力(如圖5(b)所示)。但由于預應力束在耗能方面的貢獻基本可以忽略,因此該類搖擺橋墩的耗能能力不足,致使位移需求較大。依托美國預制結(jié)構(gòu)抗震計劃項目雖然在地震作用下內(nèi)置耗能裝置的預應力搖擺橋墩損傷較小,但耗能鋼筋損傷嚴重,且在震后難以更換,致使該類搖擺橋墩在震后需要較為復雜的修復工作。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)被應用在無黏結(jié)預應力搖擺橋墩中(如圖6所示),這些外置耗能裝置作為保險絲單元可對橋墩提供有效的保護,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造成保護層混凝土的剝落和腳點混凝土的壓碎平齊端面對接方式使橋墩-承臺界面的剪力傳遞僅依賴于界面摩擦。采用該種對接方式可能會造成搖擺橋墩在地震作用下發(fā)生滑動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初,類似銷栓的柔性連接方式已開始應用于鋼筋混凝土橋墩與上部結(jié)構(gòu)和承臺的連接,以避免橋墩在連接處的損傷破壞。2006年,Keever等2.3擺動橋墩的計算目前研究人員已提出多種分析方法來計算搖擺橋墩的力學行為,如截面分析法、集中塑性鉸法,多彈簧法,實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為橋墩計算高度;h圖11所示為MBA方法的計算流程:首先給出截面轉(zhuǎn)角θ并假設對應的中性軸高度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,預應力束和耗能裝置均采用桁架單元并分別考慮預應力束和耗能裝置的力學特性。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)預應力束和消能減震裝置(如:黏滯阻尼器、軟鋼阻尼器等)在搖擺橋墩中的應用可提供其自復位能力和耗能能力。嵌合式接頭或剪力鍵的應用可避免搖擺界面滑移,采用鋼材料、纖維增強聚合材料和復合纖維增強混凝土對搖擺界面加強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力試驗測試搖擺橋墩,而采用振動臺試驗的搖擺橋梁結(jié)構(gòu)動力性能研究較少,因此,在真實地震動激勵下?lián)u擺橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力和震后恢復能力,以及連接節(jié)點的地震反應(如:橋墩與承臺接縫的碰撞效應)的真實評估是需要解決的關(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。針對雙柱式搖擺橋墩的橋墩-上部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點合理構(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)點中引入消能減震元件。(4)目前國內(nèi)外針對搖擺橋墩的研究對象以二次剛度為正的搖擺橋墩為主,而負二次剛度搖擺橋墩未受到足夠重視。在地震作用下負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,且不依賴于預應力束的應用而易于設計、施工和維護。因而,負二次剛度搖擺橋墩的抗震性能和抗倒塌能力應開展充分研究。(5)適用的搖擺橋墩抗震設計方法暫無詳實依據(jù),為使搖擺橋墩在工程中推廣應用,需建立成體系的搖擺橋墩及其橋梁結(jié)構(gòu)設計方法。根據(jù)搖擺橋墩力學特性,基于直接位移的抗震設計方法是搖擺橋墩及其橋梁結(jié)構(gòu)抗震設計的未來發(fā)展趨勢。在該方法的研究中,需對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擺動橋梁工程應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)的嚴重損傷,且具有較好的自復位能力和耗能能力,可在滿足常規(guī)抗震需求的同時,提供較好的震后可快速恢復能力,保證交通生命線的震后暢通,給快速救