基于結構“保險絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制研究

謝文 孫利民

摘要： 在雙柱式高墩中引入結構“保險絲”概念，即在墩柱間附加易于震后修復或可更換的“保險絲”構件，通過其耗能來確保墩柱處于彈性或輕微損傷狀態。首先以等效單自由度體系為例，闡明了結構“保險絲”概念的基本理論，通過參數化分析揭示了其損傷控制機理；建立了基于結構“保險絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制方法；最后以一雙柱式高墩為例實現了所提出的損傷控制方法，通過彈塑性靜力和動力分析驗證了該損傷控制方法的可行性和有效性。研究表明：控制后（附加“保險絲”構件）的雙柱式高墩的地震響應和損傷明顯低于控制前的，且地震輸入能集中在“保險絲”構件上，使墩柱處于彈性狀態，驗證了結構“保險絲”概念在雙柱式高墩地震損傷控制中的有效性。關鍵詞： 抗震措施； 地震損傷； 雙柱式高墩； “保險絲”構件； 損傷控制方法

中圖分類號： U442.5+5； TU311.3文獻標志碼： A文章編號： 1004-4523（2016）03-0420-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.007

引言

近年來，雙柱式高墩在中國鐵路和公路橋梁建設中應用的越來越多，尤其在地震頻發的西部地區，但公路橋梁抗震設計規范（JTG/T B02012008）對其抗震設計只給出了原則性指導意見。此外，美國圣費爾南多和日本神戶地震引起了橋墩嚴重損傷甚至倒塌，使人們認識到橋墩需進行延性設計。然而采用延性設計的橋墩在遭受強震后，盡管它不會發生倒塌，但會發生較大的殘余位移[1]，需花高昂的費用修復甚至重建。為克服延性橋墩在震后仍發生較大殘余變形的不足，Mander等[2]提出了預應力節段拼裝橋墩。后來，ElBahey等[3]將結構“保險絲”概念引入雙柱式橋墩的抗震設計和修復中，該措施既可提高雙柱式橋墩的耗能能力，又可有效減輕墩柱的地震損傷，使墩柱在地震后不需修復或稍加修復即可恢復正常使用功能。ElBahey等[35]通過擬靜力試驗和數值方法分析了不同“保險絲”構件對雙柱式矮墩抗震性能的影響，建立了未考慮高階振型影響的損傷控制設計方法；孫利民等[67]通過擬靜力試驗研究了附有“保險絲”構件的雙柱式高墩的抗震性能，但試驗模型不是真正意義上的高墩，無法體現高墩的動力特點及高階效應；魏俊[8]基于斜拉橋損傷控制中輔助墩的性能參數需求，用彈塑性靜力分析方法對6 m高的試驗模型進行了損傷控制設計，未考慮高階振型和地震動的影響。在大跨度橋梁抗震領域，Cole等[9]研究了剪切連桿及其安裝部位對舊金山奧克蘭海灣橋主塔地震響應的影響。在建筑結構抗震領域，為改善剪力墻之間連梁的抗震性能，Fortney[10]提出了帶“保險絲”構件的鋼連梁；Vargas等[1112]根據提出的簡化方法設計了附加不同“保險絲”構件的常規框架結構，并進行了試驗驗證；隨后這種理念得到了進一步發展[1317]。可見，結構“保險絲”概念已受到廣泛關注，且大多數研究集中在建筑結構，在橋梁結構尤其是在雙柱式高墩中鮮有研究與應用。因此本文在雙柱式高墩中引入結構“保險絲”概念，建立可考慮高階振型和地震動影響的地震損傷控制方法，并通過彈塑性靜力和動力方法驗證其有效性。

本文首先以等效單自由度體系為對象，闡明結構“保險絲”概念的基本理論及其損傷控制機理，并進行參數化分析；進而提出和建立基于結構“保險絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制思路和方法；最后以一墩高為60 m的雙柱式橋墩為例，根據所提控制方法進行地震損傷控制設計，并通過彈塑性靜力和動力分析驗證該方法的可行性和結構“保險絲”概念在高墩地震損傷控制中的有效性。

4結論

（1）提出和建立了基于結構“保險絲”概念的雙柱式高墩地震損傷控制方法，并在一墩高為60 m的雙柱式橋墩中得以實現，驗證了所提控制方法的可行性和可靠性；

（2）損傷控制后（附有BRBs）的雙柱式高墩的地震位移需求和損傷明顯低于損傷控制前的，同時通過“保險絲”構件集中耗能，可使控制后的墩柱處于彈性狀態，驗證了結構“保險絲”概念在高墩損傷控制設計中的有效性；

（3）經FEMA356規范修正后，采用彈塑性靜力分析方法可準確預測等效SDOF體系的性能參數，如結構和“保險絲”構件的位移延性系數等，且得到彈塑性動力分析的驗證；

（4）后續將研究雙柱式高墩和高墩體系的振動臺模型試驗，以驗證本文所提地震損傷控制方法的有效性和可行性。

參考文獻：

[1]Kawashima K， MacRae G A， Hoshikuma J， et al. Residual displacement response spectrum[J]. Journal of Structural Engineering， 1998， 124（5）： 523—530.

[2]Mander J B， Cheng C T. Seismic design of bridge columns based on control and repairability of damage[R]. 1997， National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER）： Buffalo， NY.

[3]ElBahey S. Analytical development and experimental validation of a structuralfuse bridge pier concept. 2010， State University of New York at Buffalo， Structural and Environmental Engineering： New York.

[4]ElBahey S， Bruneau M. Bridge Piers with structural fuses and bisteel columns. I： experimental testing[J]. Journal of Bridge Engineering， 2012， 17（1）： 25—35.

[5]ElBahey S， Bruneau M. Bridge piers with structural fuses and bisteel columns. II： analytical investigation[J]. Journal of Bridge Engineering， 2012， 17（1）： 36—46.

[6]Sun L， Wei J， Xie W. Experimental studies on seismic performance of subsidiary piers for long span cablestayed bridge with energy dissipation[J]. Advances in Structural Engineering， 2013， 16（9）： 1567—1578.

[7]謝文， 孫利民， 魏俊. 附有結構“保險絲”構件的橋墩抗震性能試驗研究及其應用[J]. 中國公路學報， 2014，（03）： 59—70.

Xie Wen， Sun Limin， Wei Jun. Experimental study on seismic performance of bridge piers with structural fuses and its application on seismic damage control of a super long span bridge[J]. China Journal of Highway and Transport， 2014，16（03）： 59—70.

[8]魏俊. 斜拉橋耗能型輔助墩抗震性能與損傷控制設計方法研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.

Wei Jun. Investigation on seismic performance and damage control design of energy dissipation subsidiary piers for cablestayed bridges[D]. Shanghai： Tongji University， 2013.

[9]McDaniel C C， Seible F. Influence of inelastic tower links on cablesupported bridge response[J]. Journal of Bridge Engineering， 2005， 10（3）： 272—280.

[10]Fortney P， Shahrooz B， Rassati G. Largescale testing of a replaceable “fuse” steel coupling beam[J]. Journal of Structural Engineering， 2007， 133（12）： 1801—1807.

[11]Vargas R， Bruneau M. Analytical response and design of buildings with metallic structural fuses. I[J]. Journal of Structural Engineering， 2009， 135（4）： 386—393.

[12]Vargas R， Bruneau M. Experimental response of buildings designed with metallic structural fuses. II[J]. Journal of Structural Engineering， 2009， 135（4）： 394—403.

[13]滕軍， 馬伯濤， 李衛華， 等. 聯肢剪力墻連梁阻尼器偽靜力試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2010， 31（12）： 92—100.

Teng Jun， Ma Botao， Li Weihua， et al. Pseudostatic test for coupling beam damper of coupled shear wall structure[J]. Journal of Building Structures， 2010， 31（12）： 92—100.

[14]呂西林， 陳云， 蔣歡軍. 可更換連梁保險絲抗震性能試驗研究[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2013， 41（9）： 1318—1325，1332.

Lu Xilin， Chen Yun， Jiang Huajun. Experimental study on seismic behavior of ″fuse″ of replaceable coupling beam[J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2013， 41（9）： 1318—1325， 1332.

[15]Deng K， Pan P， Lam A， et al. Test and simulation of fullscale selfcentering beamtocolumn connection[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2013， 12（4）： 599—607.

[16]紀曉東， 馬琦峰， 王彥棟， 等. 鋼連梁可更換消能梁段抗震性能試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2014.35（06）： 1—11.

Ji Xiaodong， Ma Qifeng， Wang Yandong， et al. Cyclic tests of replaceable shear links in steel coupling beams[J]. Journal of Building Structures， 2014， 35（06）： 1—11.

[17]呂西林， 陳云， 蔣歡軍. 帶可更換連梁的雙肢剪力墻抗震性能試驗研究[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2014， 42（02）： 175—182.

Lu Xilin， Chen Yun， Jiang Huajun. Experimental study on seismic behavior of fuse of replaceable coupling beam[J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2014， 42（02）： 175—182.

[18]CJJ 1662011. 城市橋梁抗震設計規范[S].

CJJ 1662011. Code for seismic design of urban brideg[S].

[19]Building Seismic Safety Council， Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings[R]. in Report FEMA356. 2000， Federal Emergence Management Agency： Washington， DC.

[20]JTG/T B02012008. 公路橋梁抗震設計規范[S].

JTG/T B02012008. Guideline for seismic design of highway bridges[S].