桥梁抗震2019年度研究进展

赵灿晖，曾显志，邓开来

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

桥梁作为交通基础设施的控制性工程，在地震时遭遇损坏，将会给地区通行和抢险救灾带来巨大障碍。近100年来，桥梁抗震研究一直是桥梁工程领域内的重要方向，目前，各个国家、地区均有成熟的桥梁抗震设计规范，可保障桥梁结构在地震作用下的基本安全，但桥梁结构在强震下的损伤仍然不可避免。为进一步提升桥梁抗震性能与设计水平，2019年桥梁抗震领域内取得了诸多新成果和新突破，可归纳为3个方面：1)桥墩地震损伤机理研究；2)高性能减隔震装置的研发和应用；3)地震作用下的多物理场耦合分析技术。

1 桥墩抗震性能

桥墩是桥梁中的主要抗侧力构件，其抗震性能是桥梁抗震研究领域内的关键基础问题。依据研究对象的不同，相关研究成果主要包含了梁式桥中传统钢筋混凝土(RC)桥墩、新材料桥墩、新型装配式桥墩抗震机理研究，以及自复位桥墩抗震机理及耐震构造研究。

1.1 传统整体浇筑桥墩抗震性能

钢管混凝土桥墩合理利用了钢管对核芯混凝土的环向约束作用，具有承载能力大、韧性好等特点。田甜[9]通过试验和数值分析研究了圆形截面墩柱内置圆钢管组合桥墩的抗震性能。Chou等[10]对钢箱内填高强混凝土墩柱的抗震性能进行了试验研究。试件采用了高强度SM 570M钢(屈服强度在520～580 MPa之间)和高强度混凝土(抗压强度Fc>80 MPa)，研究了不同钢墩柱宽厚比、轴向荷载大小和混凝土填充量对墩柱抗震性能的影响。

随着新型材料的不断创新和发展，许多学者研究了基于新型高性能材料的桥墩抗震性能。新型高性能材料大多都具有高抗裂、应变硬化等特点，可有效降低桥墩地震作用下的损伤。Al-Kaseasbeh等[11]通过数值模拟和循环荷载试验研究了加劲薄壁方箱钢墩柱的受力性能，并提出相应的强度和延性计算公式。Chen等[12]基于能量的退化规律描述了结构承载力和刚度的退化规律，并提出了一种考虑局部屈曲的钢桥墩水平变形滞回模型。Hosseini等[13]利用工程水泥基复合材料(ECC)的良好延性和耐久性以及在循环拉伸荷载作用下的多重细裂纹的特点，将该材料用于桥墩，以提高桥墩的地震损伤限值。此外，Liu等[14]对不同再生骨料混凝土(RAC)桥墩柱在冻融循环作用下的地震脆性进行了数值模拟研究。

1.2 预制拼装墩和自复位桥墩抗震性能

预制拼装RC桥墩近年来得到了快速发展，采用灌浆套筒和预应力绞线的桥墩应用较广。Tong等[15]提出了一种新型预制拼装桥墩(图1)，在其墩顶和墩底连接位置设置了不同屈服强度的无粘结耗能钢筋，并对该新型桥墩进行了循环荷载试验和数值模型分析，研究该预制拼装桥墩的抗震能力。Mehraein等[16]提出了一种预制拼装桥墩新型构造，其墩底与桩基之间采用套管+杆铰接的形式进行连接，在允许桥墩绕套管产生旋转的同时，又可以传递剪切力和拉力，并通过模型试验验证预制拼装墩的抗震性能和新型构造的有效性。Li等[17]对预制拼装RC桥墩和整体现浇RC桥墩进行了振动台试验，对比研究其抗震性能。彭程纬[18]对部分预制圆钢管再生块体混凝土柱的力学性能进行了试验研究，分析了后浇混凝土强度、轴压比、预制节段横截面尺寸、后浇混凝土隔离带位置等对该类柱抗震性能的影响。

图1 预制拼装桥墩[15]Fig.1 Prefabricated bridge pier[15]

图2 双柱式摇摆桥墩结构体系[20]Fig.2 Rocking double-column bridge system[20]

2019年，RC预制拼装墩抗震研究已不局限于灌浆套筒和灌浆波纹管连接桥墩，连接构造和形式日趋多样化。这也表明，预制拼装墩的抗震研究仍不成熟，呈现出“百花齐放、多种连接形式并存”的特点，但总体体现了连接构造与耗能构造日益结合的趋势，这可能是预制拼装墩未来的一个发展方向。自复位桥墩低损伤、快恢复的特点与抗震韧性的理念十分契合，目前关于自复位桥墩结构的研究颇为丰富，多数研究采用了基本相同的思路，即在墩底和基础之间设置不同的摇摆界面，并通过张拉预应力筋实现在地震作用下桥墩自复位的目的。与以往的研究相比，2019年自复位桥墩在结构体系方面进展不大，在自复位材料、结构和计算方法方面取得了若干进展，但自复位桥墩的界面分离后，刚度快速下降的问题仍未得到解决，无论是对于科研还是工程应用，都是亟待解决的问题。

2 桥梁抗震装置

2.1 减隔震装置

隔震装置处于上部结构连接下部结构的关键位置，发挥着不可替代的作用，不仅对上部结构起到支撑作用，还需要将地震作用下上部结构产生的水平惯性力传递给下部结构。研究隔震装置的抗震性能对桥梁抗震有积极意义，对此，学者们进行了大量的研究。对于隔震装置的研究主要是针对隔震支座、普通板式橡胶支座以及新型支座，如形状记忆合金(SMA)支座等。

图3 SMA材料线性化本构图[28]Fig.3 Linearized constitutive model of SMA materials[28]

减震装置在地震动作用下主要起到耗散能量的作用，可有效降低桥梁结构的整体地震响应，保护重要结构构件免受地震损伤。减震装置主要包括黏滞阻尼器、橡胶缓冲器、屈曲约束支撑等。学者们在这方面也进行了相应的研究。

范定强等[35]研究了非线性黏滞阻尼器对桥梁抗震性能的影响。Zhou等[36]通过斜拉桥振动台试验，研究了两种不同屈服强度的横向阻尼器对斜拉桥抗震性能的影响(图4)。在此基础上，对横向阻尼器的震后剩余承载力进行了进一步的试验研究，并对其疲劳性能进行评估。赵玉亮[37]通过振动台试验对磁流变阻尼器的力学性能、力学模型、磁场分布及磁流变阻尼器减震系统控制策略等方面进行了系统研究。朱立华[38]研发了一种带有屈后刚度硬化的摩擦型阻尼器，并通过理论分析和模型试验，推导了相应阻尼器的理论计算公式，提出了基于位移的阻尼器设计方法。Yang等[39]通过对桥梁模型进行的一系列振动台试验，研究了冲击对桥梁横向地震反应的影响以及橡胶缓冲器的减震耗能效果。Upadhyay等[40]建立了具有自复位耗能装置和屈曲约束支撑的桥梁有限元模型，并对极限破坏状态下桥梁的抗震性能进行了评价。

图4 横向阻尼器[36]Fig.4 Transverse damper[36]

2.2 减隔震设计方法

对于减隔震体系的研究主要集中于桥梁地震响应简化计算方法和基于位移的隔震设计方法研究两个方面，主要采用理论分析方法。Gkatzogias等[41]提出了一种可用于直接估算减少自由度的隔震和耗能体系的峰值非弹性响应计算方法。Ye等[42]提出了一种基于直接位移的基础隔震结构设计方法，使含铅芯橡胶支座的基础隔震结构满足位移临界值规定的性能指标。Nassar等[43]提出了一种考虑隔震性能在不同条件下变化的概率可靠性评估方法，并以温度、地震危险性、关键结构单元的尺寸和材料力学性能为随机变量。李健等[44]根据摩擦摆系统的简化力学模型，给出了考虑桩土效应、桥墩刚度以及支座非线性的摩擦摆支座减隔震桥梁抗震简化计算方法。

2019年，桥梁减隔震装置的研发和设计方法都有了显著提升，总体呈现出传统装置研究不断深入，新型装置层出不穷的特点。在传统减隔震装置方面，主要在理论计算方法上有所进步，计算方法更加简便、评价指标更加客观，但总体来看，这属于较为成熟的领域，其研究不如新型装置的研发活跃。在新型装置方面，总体来看仍未脱离橡胶支座、摩擦摆支座隔震，粘滞阻尼、金属阻尼、摩擦阻尼耗能的框架主要是在阻尼的实用化方面有所进展。中国的大规模桥梁建设逐渐向西部高烈度地区转移，对传统隔震、耗能机理的装置提出了大吨位、大变形、高耐候的要求。传统减隔震装置的研究仍有较大提升空间，在未来的一段时间内仍是本领域的研究热点。值得注意的是，文献[28]、文献[37]开始将半主动控制的理念引入减隔震中，为减隔震的发展开辟了新的研究方向。

3 多物理场耦合分析

图5 刚构桥水下振动台试验[50]Fig.5 Underwater shaking table test for a rigid-frame bridge[50]

4 热点与展望

综述了2019年关于桥梁抗震领域的研究进展，依据文献资料涉及的主要研究对象，按照桥墩抗震性能、桥梁抗震装置、多物理场耦合分析3个方面进行了详细的分类汇总和介绍，并归纳总结了关于桥梁抗震领域的研究热点和发展趋势。主要结论如下：

2)预制拼装墩的研究已逐渐脱离了传统连接形式，呈现出“百花齐放、形式多样”的特点，并体现出连接构造与耗能构造日益结合紧密的趋势，成为预制拼装墩抗震研究的重要发展方向。

3)自复位桥墩仍未脱离预应力自复位的总体框架，尽管在自复位材料、结构和计算方法方面取得了若干进展，但界面分离后，桥墩刚度快速下降的弊病仍然未消除，是自复位桥墩在结构体系上亟需解决的问题。

4)新型减隔震装置研究仍未脱离橡胶支座、摩擦摆支座隔震，粘滞阻尼、金属阻尼、摩擦阻尼耗能的框架，大吨位、大变形、高耐候是此类减隔震装置研究中需解决的重要问题；在减隔震中引入半主动控制的方法，是新的重要研究方向。