基于结构“保险丝”概念的双柱式高墩地震损伤控制研究

谢文 孙利民

摘要： 在双柱式高墩中引入结构“保险丝”概念，即在墩柱间附加易于震后修复或可更换的“保险丝”构件，通过其耗能来确保墩柱处于弹性或轻微损伤状态。首先以等效单自由度体系为例，阐明了结构“保险丝”概念的基本理论，通过参数化分析揭示了其损伤控制机理；建立了基于结构“保险丝”概念的双柱式高墩地震损伤控制方法；最后以一双柱式高墩为例实现了所提出的损伤控制方法，通过弹塑性静力和动力分析验证了该损伤控制方法的可行性和有效性。研究表明：控制后（附加“保险丝”构件）的双柱式高墩的地震响应和损伤明显低于控制前的，且地震输入能集中在“保险丝”构件上，使墩柱处于弹性状态，验证了结构“保险丝”概念在双柱式高墩地震损伤控制中的有效性。关键词： 抗震措施； 地震损伤； 双柱式高墩； “保险丝”构件； 损伤控制方法

中图分类号： U442.5+5； TU311.3文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2016）03-0420-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.007

引言

近年来，双柱式高墩在中国铁路和公路桥梁建设中应用的越来越多，尤其在地震频发的西部地区，但公路桥梁抗震设计规范（JTG/T B02012008）对其抗震设计只给出了原则性指导意见。此外，美国圣费尔南多和日本神户地震引起了桥墩严重损伤甚至倒塌，使人们认识到桥墩需进行延性设计。然而采用延性设计的桥墩在遭受强震后，尽管它不会发生倒塌，但会发生较大的残余位移[1]，需花高昂的费用修复甚至重建。为克服延性桥墩在震后仍发生较大残余变形的不足，Mander等[2]提出了预应力节段拼装桥墩。后来，ElBahey等[3]将结构“保险丝”概念引入双柱式桥墩的抗震设计和修复中，该措施既可提高双柱式桥墩的耗能能力，又可有效减轻墩柱的地震损伤，使墩柱在地震后不需修复或稍加修复即可恢复正常使用功能。ElBahey等[35]通过拟静力试验和数值方法分析了不同“保险丝”构件对双柱式矮墩抗震性能的影响，建立了未考虑高阶振型影响的损伤控制设计方法；孙利民等[67]通过拟静力试验研究了附有“保险丝”构件的双柱式高墩的抗震性能，但试验模型不是真正意义上的高墩，无法体现高墩的动力特点及高阶效应；魏俊[8]基于斜拉桥损伤控制中辅助墩的性能参数需求，用弹塑性静力分析方法对6 m高的试验模型进行了损伤控制设计，未考虑高阶振型和地震动的影响。在大跨度桥梁抗震领域，Cole等[9]研究了剪切连杆及其安装部位对旧金山奥克兰海湾桥主塔地震响应的影响。在建筑结构抗震领域，为改善剪力墙之间连梁的抗震性能，Fortney[10]提出了带“保险丝”构件的钢连梁；Vargas等[1112]根据提出的简化方法设计了附加不同“保险丝”构件的常规框架结构，并进行了试验验证；随后这种理念得到了进一步发展[1317]。可见，结构“保险丝”概念已受到广泛关注，且大多数研究集中在建筑结构，在桥梁结构尤其是在双柱式高墩中鲜有研究与应用。因此本文在双柱式高墩中引入结构“保险丝”概念，建立可考虑高阶振型和地震动影响的地震损伤控制方法，并通过弹塑性静力和动力方法验证其有效性。

本文首先以等效单自由度体系为对象，阐明结构“保险丝”概念的基本理论及其损伤控制机理，并进行参数化分析；进而提出和建立基于结构“保险丝”概念的双柱式高墩地震损伤控制思路和方法；最后以一墩高为60 m的双柱式桥墩为例，根据所提控制方法进行地震损伤控制设计，并通过弹塑性静力和动力分析验证该方法的可行性和结构“保险丝”概念在高墩地震损伤控制中的有效性。

4结论

（1）提出和建立了基于结构“保险丝”概念的双柱式高墩地震损伤控制方法，并在一墩高为60 m的双柱式桥墩中得以实现，验证了所提控制方法的可行性和可靠性；

（2）损伤控制后（附有BRBs）的双柱式高墩的地震位移需求和损伤明显低于损伤控制前的，同时通过“保险丝”构件集中耗能，可使控制后的墩柱处于弹性状态，验证了结构“保险丝”概念在高墩损伤控制设计中的有效性；

（3）经FEMA356规范修正后，采用弹塑性静力分析方法可准确预测等效SDOF体系的性能参数，如结构和“保险丝”构件的位移延性系数等，且得到弹塑性动力分析的验证；

（4）后续将研究双柱式高墩和高墩体系的振动台模型试验，以验证本文所提地震损伤控制方法的有效性和可行性。

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