搖擺隔震橋墩研究綜述

王 一，李思嬌，王 兵，林澤樺，閔金偉

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

目前，我國橋梁結構抗震設計均采用延性設計與減隔震設計，延性設計通過在墩身特定部位形成塑性鉸來消耗地震能量，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重影響到橋梁的交通功能，且需要耗費大量人力及資金進行修復。減隔震設計通過在結構特定部位添加減震裝置，在吸收地震能量的同時延長結構自振周期，此設計方法已在橋梁結構中得到廣泛應用，然而這些減隔震裝置的變形能力有限，且結構加入減隔震裝置后的地震響應受地震頻譜特性影響較大，因此減隔震設計方法具有一定的局限性。

近年來，具有殘余變形小、損傷可控、震后自復位性能的搖擺隔震橋墩受到廣泛關注，本文簡要介紹了搖擺橋墩的減震機理，綜述了搖擺橋墩的研究現狀，總結了目前搖擺橋墩可改進之處以及未來發展趨勢。

1 搖擺橋墩隔震機理

典型單柱搖擺橋墩的結構組成如圖1所示，主要由主梁、墩柱、預應力鋼筋、耗能組件與承臺組成。

圖1 搖擺橋墩結構組成

其中墩底與承臺接觸面為搖擺界面，多遇地震作用下搖擺界面閉合，即墩柱不發生搖擺，此時結構與傳統墩底固結的延性橋墩相差無幾。設計地震及罕遇地震作用下，當地震彎矩大于結構自重及預應力筋提供的抗搖擺彎矩時，墩柱開始搖擺，通過搖擺界面不斷的交替開合行為來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，因此，可以最大限度地避免墩柱發生自身破壞，將損傷控制在搖擺界面上。震后通過結構自重及預應力作用下自動復位，這對于橋梁結構在震后快速恢復交通功能具有重要意義。

其中預應力筋作為搖擺橋墩的核心組件，主要作用是為結構提供一定的自復位能力，且適當限制墩柱搖擺幅度，彌補結構由于墩柱與承臺斷開而造成整體性不足的問題。耗能組件主要作用是增強結構整體的耗能能力，吸收地震能量，一般選擇便于更換的各類外置阻尼器。搖擺橋墩的滯回關系如圖2所示，可以認為是自復位組件與耗能組件滯回曲線的有機結合，具有“旗幟形”的特點。

圖2 搖擺橋墩的滯回曲線

2 搖擺橋墩研究現狀

Mander等[1]最先將搖擺隔震應用于橋梁結構，提出了一種適用于搖擺橋梁的基于位移的廣義抗震設計方法，為驗證所提設計理念，制作了一個接近足尺的橋墩模型并進行低周循環加載試驗，實驗結果表明，結構具有良好的自復位能力，且墩柱無明顯損傷，其強度與剛度并沒有隨循環加載次數的增多而變化，理論預測與實驗結果中的力與位移關系吻合良好。趙揚[2]提出了添加預應力筋的搖擺橋墩有限元建模方法，并通過非線性時程分析分析了自由搖擺橋墩、添加預應力筋橋墩有無預應力三種模型的地震響應，指出搖擺隔震橋墩的墩底彎矩顯著小于傳統延性橋墩，施加預應力后可以有效減小墩底位移和墩身搖擺幅度。夏修身等[3]在建立了考慮鋼筋屈服的預應力鋼筋模型，以上述三模型為研究對象，探討了預應力鋼筋初拉力及預應力損失對墩柱地震響應的影響，指出預應力筋及初拉力會增大墩底彎矩，而預應力筋屈服則會降低墩底彎矩，減小鋼筋軸向應力，有利于墩柱搖擺。韋性涵[4]制作了自由搖擺與添加預應力筋的搖擺橋墩縮尺模型并進行低周循環加載試驗，同樣指出預應力筋的加入可以有效降低墩頂位移，但墩底彎矩與受壓區寬度也有所增大。

與傳統延性橋墩相比，搖擺橋墩可以顯著降低墩身內力，但由于不允許橋墩出現塑性鉸、預應力筋不發生較大程度屈服，因此其耗能能力可以忽略不計。為提高其耗能能力，部分學者嘗試在墩底與承臺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、預應力筋軸向應力變化規律，指出增大耗能鋼筋配筋率可以減小墩頂位移，降低預應力筋軸向應力。趙建鋒等[6]指出隨著耗能鋼筋配筋率的提高，結構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。

耗能鋼筋一般設置于墩柱內部，震后更換勢必對墩柱造成損傷，基于此，部分學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，通過非線性時程分析驗證了其出色的耗能能力。趙圓圓[8]對比了各種阻尼器的優缺點，最終選擇軟鋼阻尼器作為外置耗能組件，建立了相應有限元模型并進行低周循環加載，分析了阻尼器的設計參數對墩柱抗震性能的影響規律。曹志亮[9]選取鋁棒作為外置耗能組件，通過低周循環加載試驗指出耗能鋁棒提高了墩柱側向剛度，具有較強的耗能能力，且震后更換較為方便。

3 可改進之處與發展趨勢

經過眾多學者不斷的探索與研究，搖擺隔震橋墩體系已逐漸成熟，但目前主要應用于橋梁加固方面，實際工程案例并不多。搖擺橋墩的可改進之處與發展趨勢總結如下。

1)目前關于搖擺橋墩的試驗大多為擬靜力試驗或推覆試驗，但這兩種試驗均不能真實模擬結構在地震作用下的受力情況及運動狀態，因此開展振動臺試驗是十分必要的。

2)目前國內外研究均集中于搖擺單柱橋墩，而對于搖擺橋梁整體的研究較少，且雙柱式橋墩在我國公路和城市橋梁中占有很大比重，有必要針對整橋搖擺及雙柱式搖擺橋墩展開相關研究。

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連接處。

4)現有搖擺橋墩結構墩梁連接多為固結處理，主梁在溫度及車輛荷載、混凝土收縮徐變作用下產生附加力，不利于主梁自由變形。近年來，國內外學者針對減隔震支座展開了大量研究，現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 結論及展望

搖擺橋墩兼具損傷可控和震后自復位能力，是橋梁抗震領域未來研究熱點之一，其對于震后快速恢復交通功能、保證災后搶險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，較好地契合了預制裝配技術，可以有效縮短工期，節約人力物力。但目前搖擺橋梁理論主要應用于橋梁加固方面，各國橋梁規范也缺少相關條文。究其原因，主要是搖擺橋墩的構造形式尚不統一，且自復位組件及耗能組件參數的選擇并無相關標準，設計方法尚不成熟，需要國內外廣大學者進一步展開研究。

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