摇摆结构在交通基础设施中的应用

摇摆结构在交通基础设施中的应用

桥梁结构体系的缺陷经过多年的研究和实践，现有的桥梁承受量规范如下：。目前,我国的桥梁抗震设计采用延性抗震和减隔震设计方法。延性抗震设计方法利用桥墩塑性铰区的塑性变形来耗散地震能量,因此塑性铰区在地震中损伤破坏严重,且震后墩顶残余位移可能较大。减隔震设计方法可避免桥墩明显塑性损伤,但在罕遇地震作用下桥梁有发生落梁或倒塌的潜在风险,且不易控制主梁残余位移,致使震后桥梁的交通功能受限。因此,目前我国桥梁抗震设计规范中给出的抗震设计方法不能有效控制桥梁结构在受损后的恢复时间,震后桥梁交通通行能力的快速恢复难以实现。近年来,秉承减隔震理念的摇摆桥墩在具有较好耐久性和稳定性的同时,可提供优良的抗震能力和震后恢复能力,且极适用于预制拼装技术的应用,使桥梁结构建造速度更快、质量更可控、环境影响更小,是现代桥梁结构抗震设计方法和先进建造技术的前沿领域文中简要介绍了摇摆桥墩的基本原理,回顾了摇摆桥梁结构的工程应用,综述了摇摆桥墩的抗震性能和分析方法的发展现状,总结了目前摇摆桥墩研究的不足和发展趋势。1采用手册的基本原则和工程应用1.1摆动结构的设计应用图1所示为典型单柱摇摆桥墩,摇摆桥墩与承台之间设置摇摆界面,通过无黏结预应力束和耗能装置将摇摆桥墩和承台连接成整体(如图1(b)所示)。摇摆桥墩利用其摇摆界面的变形来实现桥梁结构的位移需求,桥墩与承台的连接部分在地震作用下不断“提离”和“闭合”,来实现桥墩的摇摆行为(如图1(c)所示),以降低桥墩抗侧刚度,延长桥梁结构自振周期从而起到隔震作用。摇摆桥墩主要为受压构件,因此可将损伤控制在摇摆界面上,以避免桥墩主体发生损伤破坏,且可在变形位置采用不易受损的控制元件(如无黏结预应力束)和易于修复的消能装置,来提高摇摆桥墩的自复位能力和耗能能力。当上部结构自重与无黏结预应力束产生的复位弯矩大于耗能钢筋的抵抗弯矩时,桥墩发生可控制的摇摆,塑性变形仅发生在摇摆界面的受压区(受压区高度为c),结构的整体性得以保持。在预应力束和上部结构重力的作用下,摇摆桥墩具有极佳的自复位能力。摇摆桥墩利用上部结构自重和无黏结预应力束的自复位特性(如图2(a)所示),以及耗能装置的耗能能力(如图2(b)所示),提供摇摆桥墩以旗帜形滞回方式运动(如图2(c)所示)。1.2摇桥设计应用1974年Beck和Skinner2运营码头的发展2.1外来电阻尼器-难保技术目前摇摆桥墩的主要研究内容集中在将无黏结预应力技术和耗能装置与摇摆桥墩的联合应用上,并在预制拼装技术中有一定涉及。无黏结预应力束对提高摇摆桥墩的抗倾覆能力和减小残余位移起到更为重要的作用。Mander和Cheng与梭形滞回关系的RC桥墩相比(如图5(a)所示),无黏结预应力摇摆桥墩可避免桥墩主体发生较大损伤破坏且具有较好的自复位能力(如图5(b)所示)。但由于预应力束在耗能方面的贡献基本可以忽略,因此该类摇摆桥墩的耗能能力不足,致使位移需求较大。依托美国预制结构抗震计划项目虽然在地震作用下内置耗能装置的预应力摇摆桥墩损伤较小,但耗能钢筋损伤严重,且在震后难以更换,致使该类摇摆桥墩在震后需要较为复杂的修复工作。因此,代替内置耗能装置的外置耗能装置(如防屈曲软钢阻尼器,角钢阻尼器和斜撑阻尼器等)被应用在无黏结预应力摇摆桥墩中(如图6所示),这些外置耗能装置作为保险丝单元可对桥墩提供有效的保护,且在震后更换极为方便近年来,可提供更优性能的新型材料在摇摆桥墩中的应用得到初步研究。Elgawady等在桥墩摇摆过程中,摇摆界面的局部承压可能会造成保护层混凝土的剥落和脚点混凝土的压碎平齐端面对接方式使桥墩-承台界面的剪力传递仅依赖于界面摩擦。采用该种对接方式可能会造成摇摆桥墩在地震作用下发生滑动2.2座支撑的连接方式桥墩与上部结构的连接方式主要分为支座支撑和墩梁固结。对于采用支座支撑的连接方式,摇摆桥墩与常规桥墩无显著差别上世纪初,类似销栓的柔性连接方式已开始应用于钢筋混凝土桥墩与上部结构和承台的连接,以避免桥墩在连接处的损伤破坏。2006年,Keever等2.3摆动桥墩的计算目前研究人员已提出多种分析方法来计算摇摆桥墩的力学行为,如截面分析法、集中塑性铰法,多弹簧法,实体有限元法和刚体分析方法等。摇摆桥墩在侧向水平力F、轴力N、阻尼器反力F式中,θ为摇摆界面的截面转角;h为桥墩计算高度;h图11所示为MBA方法的计算流程:首先给出截面转角θ并假设对应的中性轴高度c,再根据静力平衡条件迭代出近似精确的中性轴高度c,从而计算摇摆桥墩顶部承受的侧向水平力F。集中塑性铰法是分析摇摆结构反应的方法中最简单的一种,Pampanin等多弹簧法(如图12所示)是将摇摆界面接触特性由一组受压弹簧来表征,桥墩采用弹性梁柱单元,预应力束和耗能装置均采用桁架单元并分别考虑预应力束和耗能装置的力学特性。Marriott等在地震作用下,摇摆桥墩主要作为受压构件,如摇摆界面刚度较大则可将摇摆桥墩简化成摇摆刚体。1963年HousnerMakris和Vassiliou3现有研究手段存在的不足摇摆结构最早可追溯到公元前510年的希腊神庙,且该建筑在2500年内经历多次大地震而未发生倒塌,目前作为古建筑仍保存较好(1)预应力束和消能减震装置(如:黏滞阻尼器、软钢阻尼器等)在摇摆桥墩中的应用可提供其自复位能力和耗能能力。嵌合式接头或剪力键的应用可避免摇摆界面滑移,采用钢材料、纤维增强聚合材料和复合纤维增强混凝土对摇摆界面加强可限制摇摆界面的局部损伤。(2)目前国内外研究手段多采用拟静力或拟动力试验测试摇摆桥墩,而采用振动台试验的摇摆桥梁结构动力性能研究较少,因此,在真实地震动激励下摇摆桥梁结构的抗震能力和震后恢复能力,以及连接节点的地震反应(如:桥墩与承台接缝的碰撞效应)的真实评估是需要解决的关键研究问题。(3)目前国内外研究主要集中于单柱摇摆桥墩的研究,而对于我国城市桥梁和公路桥梁中常见、抗倒塌能力更好的双柱式摇摆桥墩的研究则较少。针对双柱式摇摆桥墩的桥墩-上部结构连接节点合理构造形式的研究暂存不足,为更好地控制桥墩在地震作用下的摇摆幅值,可在桥墩-上部结构节点中引入消能减震元件。(4)目前国内外针对摇摆桥墩的研究对象以二次刚度为正的摇摆桥墩为主,而负二次刚度摇摆桥墩未受到足够重视。在地震作用下负二次刚度摇摆桥墩可避免共振发生且能起到显著隔震效果,且不依赖于预应力束的应用而易于设计、施工和维护。因而,负二次刚度摇摆桥墩的抗震性能和抗倒塌能力应开展充分研究。(5)适用的摇摆桥墩抗震设计方法暂无详实依据,为使摇摆桥墩在工程中推广应用,需建立成体系的摇摆桥墩及其桥梁结构设计方法。根据摇摆桥墩力学特性,基于直接位移的抗震设计方法是摇摆桥墩及其桥梁结构抗震设计的未来发展趋势。在该方法的研究中,需对摇摆桥梁整体及局部变形限值、等效阻尼比等关键问题展开充分研究。4摆动桥梁工程应用受限摇摆桥墩可将损伤控制在摇摆界面以避免主体结构的严重损伤,且具有较好的自复位能力和耗能能力,可在满足常规抗震需求的同时,提供较好的震后可快速恢复能力,保证交通生命线的震后畅通,给快速救