双柱墩新型减震梁桥的失效机制与减震控制

李环辉 许燕芳 颜桂云 张东鹏 袁宇琴

(1.厦门中胤建筑工程有限公司 福建厦门 361000； 2.福建省方鑫建设集团有限公司 福建厦门 361000;3.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350118)

0 引言

双柱墩的构造简单，空间利用性强，在我国的桥梁建设中应用最为广泛，地震动下带系梁双柱墩的墩-系梁连接点处最易受到破坏，如图1所示，在抗震设计中需采取措施保护该节点。在双柱墩结构中，横系梁结构仅作为连接构件，地震动作用下系梁的开裂或者损坏不会影响桥墩的正常使用，在抗震设计中一般使系梁最先进入塑性耗能状态，以减小墩底地震响应和提高桥梁的抗震性能，保护桥墩安全[1-2]。远场类谐和地震动的反应谱衰减速率较慢，长周期段内的谱值大于普通地震动，且远场地震下结构的减隔震效果明显比普通地震动差[3-4]。

图1 墩梁节点破坏

采用减震控制技术减少桥梁结构损伤，在工程中得到了广泛的运用。吴徽等[5]研究表明，加入BRB的框架结构在大震后仍有较好的承载力。BRB支撑先于结构屈服消耗能量，且震后易更换。李晓莉等[6]研究表明，BRB主要通过改变力的工作路线来减小墩身轴力，规则桥墩的单斜式支撑比人形支撑更易加大基础剪力。王晨等[7]提出的预制装配式梁端钢板耗能铰节点具有良好的延性和耗能能力，可实现“弱梁”的结构形式，保证地震下结构变形和耗能集中于节点上。更换钢板可实现结构功能快速恢复；康婷等[8]提出新型承载-耗能梁柱节点，具有易装配和更换特性，不仅满足抗震设计要求，其连接构造安全可靠。肖晓菲等[9]提出，钢质可控铰的装配式防屈曲支撑框架结构新体系，该体系使结构损伤位置集中于防屈曲支撑和钢质可控铰上，实现震后可恢复功能。

每种减震装置都有优势和局限性，单一减震装置难满足结构抗震设防要求。为此，针对双柱墩梁桥，提出新型减震控制方案，研究其失效机制与减震性能，为工程应用提供技术参考。

1 双柱墩式新型减震梁桥结构

提出两种新型减震方案：①新型减震结构Ⅰ：系梁端部替换为金属耗能铰，如图2(c)；②新型组合减震结构Ⅱ，同时使用金属耗能铰和BRB支撑，如图2(d)。地震动下金属耗能铰进入塑性状态消耗能量，保护柱-梁节点不受地震破坏，实现塑性区域可控；BRB支撑可增强结构抗侧向力性能，避免结构发生位移倒塌破坏；新型组合减震结构Ⅱ同时采用金属耗能铰和BRB支撑抵抗地震力，能实现“弱BRB支撑-中金属耗能铰-强墩柱”的结构多道防线设防体系，实现震后可恢复功能。

(a)抗震结构 (b) BRB减震结构

(c)新型减震结构Ⅰ (d)新型组合减震结构Ⅱ图2 双柱墩模型

2 双柱墩梁桥减震结构模型

2.1 双柱墩模型参数

(a)抗震桥梁

(b)新型组合减震梁桥结构Ⅱ图3 梁桥总体布置图

图4 支座布置图

桥墩抗震模型如图2(a)所示，系梁、桥墩配筋率按规范规定设置；BRB减震结构布置如图2(b)所示，是用BRB支撑将抗震结构的系梁中点与桥墩墩顶、墩底连接形成的，表1为防屈曲支撑的主要参数；新型减震结构Ⅰ的布置如图2(c)所示，是将抗震结构系梁端部外侧替换为金属耗能铰，金属耗能铰由高强钢腹板、屈曲约束金属连接板和销轴组成，如图5(a)，参数如表2所示[9]。在实际工程中，将金属耗能铰两侧端板预埋进梁端混凝土，用耗能元件和销轴连接，图5(b)中A点为金属耗能铰梁端混凝土开裂，B点为耗能元件屈服，C为耗能元件屈曲，D点为金属耗能铰破坏；新型组合减震结构Ⅱ如图2(d)所示，组合使用金属耗能铰和BRB支撑抵抗地震力。通过结构配筋设计，控制双柱墩承载能力强于系梁上金属铰的承载能力，系梁上金属铰的承载能力强于BRB支撑，使结构失效顺序为：首先BRB支撑屈服，然后金属耗能铰屈服，最后桥墩墩身屈服。

(a)金属耗能铰形状

(b)金属耗能铰骨架曲线图5 金属耗能铰

表1 BRB支撑性能参数

表2 金属耗能铰骨架曲线数值

2.2 结构失效机制分析

采用位移控制方法中的主节点目标位移控制，对结构进行静力弹塑性分析，主节点为盖梁中点。初始目标假定为结构总高度的1%、2%、4%，得到结构基底剪力Vb与顶层位移Uroof之间的关系，双柱墩结构的各个特征节点的名称如图6所示；位移推覆作用下抗震结构、BRB减震结构、新型减震结构Ⅰ和新型组合减震结构Ⅱ的失效顺序，如图7所示。

图6 节点分布图

图7 结构失效顺序图墩顶、墩底混凝土开裂 墩-系梁连接点混凝土开裂 系梁端点混凝土开裂 系梁端点破坏，结构失效 BRB支撑屈服 墩-系梁连接点混凝土开裂 系梁端点混凝土开裂 金属耗能铰耗能元件开始屈服 金属耗能铰完全屈服 系梁端点混凝土开裂 金属耗能铰耗能元件开始屈服 墩-系梁连接点混凝土开裂 金属耗能铰完全屈服

(1)抗震结构失效顺序

推覆位移为20 mm时，墩顶和墩底开始出现塑性铰，桥墩基底剪力-墩顶位移曲线增长率不发生改变；推覆位移为40 mm时，节点1混凝土开裂，曲线增长率开始下降；推覆位移为273 mm时，系梁混凝土开裂，曲线增长率持续下降；推覆位移为334.5 mm时，系梁进入屈服状态，此时墩-系梁连接点破坏，桥墩的承载能力下降，桥墩失效。

(2)BRB减震结构失效顺序

推覆位移为20 mm时，墩顶、墩底出现塑性铰，桥墩基底剪力-墩顶位移曲线的增长率不变；推覆位移为35 mm时，BRB支撑开始屈服，曲线呈增长趋势，BRB支撑完全屈服破坏后，基底剪力-墩顶位移曲线的变化规律与抗震结构曲线的相同，BRB支撑可以提高桥墩的抗侧向力刚度，延缓桥墩节点的破坏时间点。

(3)新型减震结构Ⅰ失效顺序

推覆位移为26 mm时，墩顶、墩底出现塑性铰，桥墩基底剪力-墩顶位移曲线的增长率不变；推覆位移为62 mm时，金属耗能铰耗能元件开始屈服，曲线增长速率下降；推覆位移为78 mm时，节点1混凝土开裂；推覆位移为100 mm时，金属耗能铰完全屈服，曲线的增长率不变，系梁端点不会发生塑性破坏，实现了系梁端部塑性铰外移，避免墩-系梁连接点处发生破坏。

(4)新型组合减震结构Ⅱ失效顺序

推覆位移为20 mm时，墩顶、墩底混凝土开裂；推覆位移为35 mm时，BRB支撑进入屈服状态，基底剪力-墩顶位移曲线增长率不变；推覆位移为102 mm时，金属耗能铰耗能元件开始屈服，新型组合减震结构Ⅱ的金属耗能铰进入屈服状态的时间点较新型减震结构Ⅰ晚，说明BRB支撑耗能可延缓双柱墩结构进入损伤的时间；推覆位移为144 mm时，节点1混凝土开裂；推覆位移为183 mm时，金属耗能铰完全屈服，曲线增长率保持不变，说明金属耗能铰能实现系梁端部塑性铰外移，避免结构在墩-系梁连接点处发生破坏，不会降低桥墩的承载力。

综上所述：地震下BRB减震结构的BRB支撑首先屈服，消耗地震能量，增加桥墩的抗侧向力刚度；地震下新型减震结构Ⅰ的金属耗能铰最先开始耗能，结构承载能力不发生退化。墩-系梁破坏节点外移至金属耗能铰，抗震结构发生破坏时，金属耗能铰减震结构的抗震性能良好；地震动下新型组合减震结构Ⅱ的BRB支撑最先达到屈服，可减少地震动对桥墩结构的地震响应。随着地震动能量增大，桥墩的塑性发展集中于金属耗能铰上，实现塑性耗能区域可控；震后可通过更换BRB支撑和金属耗能铰，使桥墩结构快速恢复承载能力，保证桥墩安全，实现“强墩柱-中系梁-弱支撑”多防线设防抗震理念。

2.3 性能点分析

相比于普通地震动对结构性能的影响，远场类谐和地震动对结构的损伤破坏更严重[10]。因此，选取CHY032N、ILA005-V、ILA041-N这3条远场类谐和地震动作为目标地震动，地震动信息如表3所示。图8为以上3条地震动需求谱曲线与四类桥墩的结构能力谱曲线的交点。

表3 地震动信息

图8(a)中0.1g的CHY032N的需求谱曲线与新型减震结构Ⅰ无交点，说明金属耗能铰屈曲破坏后双柱墩结构转变为单柱墩结构，墩底地震响应急剧增大，此时新型减震结构Ⅰ发生破坏，满足不了地震动需求；远场类谐和地震动的地震需求谱不似规则地震动需求谱呈现规律性，因此结构对远场类谐和地震动的设防烈度要比普通地震动高，才能保证结构安全；图8(b)和(c)表示四类双柱墩结构都能满足地震动ILA005-V和ILA041-N的需求。在抗震设计时，可根据地震动需求谱和结构能力谱的交点对结构进行设防。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N图8 性能点分析

3 远场类谐和地震动作用下减震梁桥性能分析

综上分析：新型组合减震结构Ⅱ的抗震性能最好。将新型组合减震结构Ⅱ和抗震结构放入全桥模型中分析，得到梁桥在峰值加速度0.1g的远场类谐和地震动下的地震响应，揭示新型组合减震结构Ⅱ的减震性能。桥墩墩柱钢筋参数与抗震结构相同，主梁看作弹性结构，不考虑配筋，新型组合减震结构Ⅱ梁桥模型如图3(a)所示。抗震梁桥模型如图3(b)所示；地震动信息如表3所示，输入结构地震动为纵、横两方向，纵向地震影响系数为1，横向地震影响系数为0.85。由于BRB支撑和金属耗能铰基本不会降低桥梁的纵向地震响应，因此，本节地震响应着重分析双柱墩的横向地震响应。

3.1 主梁地震响应

图9为远场类谐和地震动作用下抗震梁桥结构，和新型组合减震梁桥结构Ⅱ的主梁横向位移时程对比。可知：新型组合减震结构Ⅱ放入全桥中，地震下主梁横向位移较抗震结构变化有两种情况，第一种为主梁横向位移峰值点较抗震结构的减小28.8%，峰值出现时间点不变；第二种为主梁横向位移较抗震结构的下降程度较小，但峰值出现时间点后移。总的来说，两种减震方式都能减小主梁横向位移，保护主梁安全。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N图9 主梁横向位移

3.2 桥墩地震响应

表3为远场类谐和地震动下，抗震结构与新型组合减震结构Ⅱ特征节点地震响应和减震率。可知：墩底、墩-系梁连接点的纵向响应在减震后有不同程度的减小，特别是墩-系梁连接点纵向弯矩减震率达到13.4%；新型组合减震结构Ⅱ的墩底横向剪力有所增加，增长率为21.7%；墩底横向弯矩减震率达到31%；墩-系梁连接点和系梁端点地震响应减震率在29%～42%范围内，表明新型组合减震结构Ⅱ的减震效果明显，可以有效控制墩柱的地震响应。

表3 桥墩地震响应大小

图10为远场类谐和地震动作用下抗震结构，以及新型组合减震结构Ⅱ的墩顶横向位移时程对比。可知：各墩顶盖梁中部设置横向单向固定支座，因此新型组合减震结构Ⅱ的墩顶横向位移于主梁横向位移的减震变化一致，但墩顶横向位移的减震率比主梁横向减震率略大，为30%，说明新型组合减震结构Ⅱ能较大程度地减小墩顶横向位移。

(a)CHY032N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N图10 墩柱横向位移

3.3 支座地震响应

图11为远场类谐和地震动作用下抗震结构和新型组合减震结构Ⅱ各个支座的横向位移和横向剪力的对比。可知：中墩支座横向位移基本为零，减震后几乎无变化。桥台、边墩的支座横向位移减震都有较大程度减小，桥台的支座位移的减震率为29%，边墩的支座位移降至3 mm以下，可保证边墩单向活动支座的安全。新型组合减震结构Ⅱ桥台处支座减震率为28%，桥墩处支座响应变化不明显。总的来说：新型组合减震结构Ⅱ，能较大程度的减小单向活动支座的地震响应，保证支座的安全。

(a)横向位移

(b)横向剪力图11 支座地震响应

图12为三条远场类谐和地震动作用下，新型组合减震结构Ⅱ的BRB的滞回曲线。可知：BRB支撑几乎在一开始就达到屈服强度200kN，三条地震动作用下的BRB滞回曲线的耗能、变形基本相同，说明新型组合减震结构Ⅱ的BRB支撑在地震作用下，进入屈服状态，充分消耗地震能量，保证桥墩结构安全。

(a)CHY0.32N

(b)ILA005-V

(c)ILA041-N图12 BRB滞回曲线

4 结论

(1)加入金属耗能铰和BRB支撑的减震结构的基底剪力-墩顶位移曲线与抗震结构的差异较大，新型减震结构Ⅰ的曲线位于抗震结构的曲线的下方，地震下金属耗能铰最先进入塑性耗能状态，使系梁端点破坏节点外移至金属耗能铰，保证墩-系梁连接点安全。

(2)新型组合减震结构Ⅱ在地震下，BRB支撑首先进入屈服状态，减少地震动对桥墩结构的地震响应，随后墩-系梁连接点塑性发展集中于金属耗能铰，实现塑性耗能区域可控。且该结构有较好的变形能力和耗能能力，可通过更换BRB支撑和金属耗能铰使桥墩快速恢复承载力，保证桥墩安全，实现“强墩柱-中系梁-弱支撑”多防线设防抗震理念。

(3)新型组合减震结构Ⅱ能较大程度上减小桥梁横向地震响应，纵向地震响应基本不发生改变，在抗震设计时可采用新型组合减震结构Ⅱ来抵抗横向抗震性能。