一种桥墩可修复塑性铰探讨

李凤影 吴嘉生 张自强 黄林生

(广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)



一种桥墩可修复塑性铰探讨

李凤影 吴嘉生 张自强 黄林生

(广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)

提出了一种基于超弹性记忆合金的桥墩可修复塑性铰，以某三联主线桥为例，采用SAP2000结构分析软件，建立了该桥的结构分析模型，对其进行时程分析，结果表明：桥墩可修复塑性铰能有效地减小墩顶的残余位移，且大大减小塑性铰区的残余转角。

桥墩，可修复塑性铰，记忆合金，混凝土

近10年来，大地震频发，如2008年汶川大地震(M8.0)，2009年萨摩亚群岛(M8.0)，2010年智利(M8.8)，以及2011年的日本宫城县海域地震(M9.0)等。道路和桥梁是震后救援人员和救援物资迅速到达地震灾区的重要通道。

桥墩塑性铰区域有别于桥墩其他不同部分的区域，抗震设计时应根据变形需求给予特殊的抗震设计。目前的抗震设计方法仅仅从减少箍筋间距的角度体现，这远远不能满足塑性铰变形的需求。本文将探讨一种采用了超弹性记忆合金(下称SMA)的可修复塑性铰的效率，其表现为足够的能量耗散，降低地震对结构的灾难性影响，同时提供自复位能力来减少桥墩的残余位移。该铰利用SMA棒来调整刚度，由此优化桥梁的抗震设计[1,2]。此外，该铰也是便于检查、维修和更换的部件。

1 桥墩可修复塑性铰

1.1 桥墩可修复塑性铰的构造

这种可修复塑性铰用于桥墩的底部，连接扩展基础或桩承台基础，如图1所示。

可修复塑性铰有三个主要部分，如图2所示。1)第一部分是上钢承板：一个钢垫片连接上部的钢筋混凝土墩柱。基于承载能力设计原理，由于该板受到的巨大荷载将传递到混凝土部分，上板应与桥墩有足够的锚固。该板也用来锚定SMA棒[2]。2)铰的第二部分是下钢承板：一个钢垫片连接到桥台(铰通过连接上、下钢承板的SMA棒来约束弯矩和提供自复位。SMA棒放置在桥墩核心混凝土截面边界)。3)铰的第三部分是外层的多块预制混凝土块，外层混凝土块包围住核心混凝土，并由碳纤维布包裹固定。预制混凝土块的破坏能消耗能量，且更换简便。

SMA棒用螺栓连接钢承板和固定在混凝土可避免该SMA棒的压缩，从而减小因压缩而失稳的可能性。

1.2 桥墩可修复塑性铰的更换步骤

施工时制作两套预制混凝土块，一套使用，一套备用。更换步骤如下：1)用千斤顶撑出足够的空间便于清理破坏后的碳纤维布和预制混凝土块。2)清理完毕后，在核心混凝土表面涂抹一层环氧树脂，将预制混凝土块安装在核心混凝土外围，预制混凝土间也用环氧树脂涂抹粘连。3)安装完毕后，在预制混凝土表面再涂抹一层环氧树脂，用碳纤维布包裹，再用环氧树脂粘结固定。4)松开千斤顶，桥梁恢复使用。

1.3 超弹性形状记忆合金的特性

SMA超弹性效应是由应力诱发的马氏体相变引起的特殊性能。具体表现为：当环境温度高于奥氏体相变结束温度Af时，SMA材料相对于其他普通金属在外荷载作用下具有很强的变形恢复能力。SMA的可恢复应变高达6%～8%，极限变形可达20%，屈服应力达500 MPa左右，材料的极限强度大于1 000 MPa[3,4]。

超弹性SMA的相变温度低于环境常温，以使得超弹性效应能在现实状况下更好的应用发挥，具体如图3所示[5]。

1.4 超弹性形状记忆合金的本构

超弹性SMA的应力—应变关系简化为如图4所示(σ为应力；ε为应变)。

将超弹性SMA的应力—应变关系换算成恢复力—位移的关系(如图5a)所示)。超弹性SMA的恢复力—位移的关系可由一个弹性模型(如图5b)所示)与一个耗能模型(如图5c)所示)并联分析得出[6]。如图5所示(F为恢复力；d为位移)。

本文所用模型的SMA应力—应变关系、恢复力—位移关系如图6所示[7]。

2 桥墩可修复塑性铰的模型计算

2.1 桥墩可修复塑性铰核心混凝土承载力

桥墩塑性铰处核心混凝土区域的轴向承载力Nu计算公式如下[8]：

其中，ASMA为全部纵向超弹性SMA棒的面积；ESMA为SMA的弹性模量；Ec为混凝土的弹性模量。

模型相关参数为：

φ=0.79,fc=19.1N/mm2,A=2.835m2,ASMA=0.045 2m2,

ESMA=1.999×105N/mm2,Ec=3.35×104N/mm2。

则Nu=4.22×107N,大于桥墩最大轴向恒载2.51×107N，满足要求。

2.2 桥墩可修复塑性铰模型运算结果

运用SAP2000建立某三联主线桥的模型，如图7所示，作比较的传统塑性铰选用的材料为：C40混凝土、72根φ28mm的HPB335钢筋。采用桥墩可修复塑性铰的模型下称新型模型，采用传统桥墩塑性铰的模型下称传统模型。

对两模型用时程方法运算，以P5号的数据为代表，作以下分析。

2.2.1 墩顶节点位移

采用不同塑性铰的桥梁模型，在时程运算后，5号墩的墩顶节点位移时程曲线如图8所示。可见采用桥墩可修复塑性铰的模型墩顶位移随时间的变化幅度、最大位移、残余位移都更小。传统模型的残余位移为3.812 mm，新型模型的残余位移0.87 mm，桥墩可修复塑性铰使残余位移减少了77.2%。桥墩可修复塑性铰的减小残余位移的效果优于传统桥墩塑性铰。

2.2.2 墩底塑性铰转角

采用不同塑性铰的桥梁模型，在时程运算后，5号墩的墩底塑性铰转角时程曲线如图9所示。对比两图可见采用桥墩可修复塑性铰模型的墩底塑性铰转角随时间的变化幅度、最大转角、残余转角都远远小于采用传统桥墩塑性铰模型的。传统模型的墩底塑性铰的最大转角为5.456×10-3rad、残余转角为1.161×10-3rad，新型模型的墩底塑性铰的最大转角为2.093×10-3rad、残余转角为4.014×10-6rad，采用桥墩可修复塑性铰使墩底塑性铰的最大转角减少了61.1%，残余转角减少了99.8%。可修复桥墩塑性铰能极大的减小墩底桥墩塑性铰的转角。

3 结语

基于本文模型分析研究，可以得出以下结论：1)这种桥墩可修复塑性铰破坏后的修复工序简单、耗时短，在强震后，能被迅速修复，使桥梁恢复通车，为灾后救援节省出宝贵的时间。2)在地震作用下，新型可修复桥墩塑性铰外层的预制混凝土和内部的超弹性记忆合金的耗能能力优越，能大大地减小桥墩在地震时的摆动幅度，起到了良好地减震作用。3)新型可修复桥墩塑性铰能有效地减小墩顶的残余位移和塑性铰转角。

[1] Saiidi M’ , Varela S. A bridge column with superelastic NiTi SMA and replaceable rubber hinge for earthquake damage mitigation[J]. Smart Material Structures,2016,25(7):5-8.

[2] Mitoulis S, Rodriguez Rodriguez J. Seismic Performance of Novel Resilient Hinges for Columns and Application on Irregular Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering,2016(5):1943-5592.

[3] 赵连城,蔡 伟,郑玉峰.合金的形状记忆效应与超弹性[M].北京:国防工业出版社，2002:170-202.

[4] 杨大智.智能材料与智能系统[M].天津:天津大学出版社,2000:104-117.

[5] 宾 帅.超弹性形状记忆合金性能试验与力学模型研究[D].湘潭:湖南科技大学,2015.

[6] 苗晓瑜,王社良,唐 娴,等.SMA-橡胶复合支座的力学性能及在桥梁结构中的应用研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2012(1):28-32.

[7] 周海俊,徐 希,刘海锋.简支梁桥形状记忆合金装置减震防落研究[J].振动与冲击,2015(21):194-199.

[8] 张季超.新编混凝土结构设计原理[M].北京:科学出版社,2011:152-153.

A pier repairable plastic hinge

Li Fengying Wu Jiasheng Zhang Ziqiang Huang Linsheng

(CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

The paper puts forward a kind of pier repairable plastic hinge on the basis of super-elastic memory alloys. Taking the trigemini bridge as an example, applying SAP2000 structure analysis software, it establishes the bridge structure analysis model, and carries out time-history analysis. Results show that: the pier repairable plastic hinge can effectively reduce residual displacement of the pier top and reduce the residual corner of the plastic hinge area as much as possible.

pier, repairable plastic hinge, memory alloys, concrete

1009-6825(2017)17-0144-03

2017-03-27

李凤影(1995- )，女，在读本科生； 吴嘉生(1996- )，男，在读本科生； 张自强(1996- )，男，在读本科生; 黄林生(1995- )，男，在读本科生

U443.22

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