提升桥梁震后的可恢复性——基于摇摆机械铰连接的自复位桥墩研发

传统的桥墩延性抗震设计方法虽然避免了桥梁的倒塌，但在地震后，桥墩塑性区可能会受到严重破坏，并可能因较大的残余位移而被拆除。为减小桥墩的损伤和残余位移，可恢复性桥墩受到越来越多的关注。作为一种可恢复体系，混合摇摆墩在震后表现出低损伤和良好的自复位性能。一方面摇摆接缝的张开显著减少了原本塑性铰区混凝土的受拉破坏；另一方面无粘结预应力筋（PT筋）提供了恢复力，减少了墩柱的残余位移。

虽然摇摆墩墩身损伤减轻，但摇摆界面的局部压力可能会造成柱趾处混凝土严重损伤和预应力损失。为减少摇摆界面的损伤，国内外学者提出了以下方案： ① 增强墩底区域约束以提高混凝土的极限压应变。常用的约束形式包括钢套筒、纤维增强复合材料（FRP）套筒。 ② 墩底使用高性能材料，如超高性能混凝土（UHPC）、高韧性水泥基复合材料（ECC）等。③ 在墩底设置机械铰，机械铰主要包括钢构件、耗能装置和自复位装置，并设置一定的构造为柱脚提供转动能力。

机械铰除了可以减轻墩底局部损伤外，由于其采用螺栓或焊接连接，还具有施工速度快和震后易于更换的优点。因此，国内外学者先后提出了多种形式的机械铰。Latour等开发了一种设有摩擦阻尼器和预应力螺纹钢筋的自复位柱脚，试验表明该柱脚的损伤和残余位移均较小；Wang等提出了3种适用于方形钢管混凝土柱的自复位钢柱脚，试验表明采用这些连接的立柱呈现典型的旗帜形滞回特性，具有良好的自复位能力和稳定的耗能能力。上述机械铰连接主要用于建筑结构，在桥梁结构中的运用较少。在钢筋混凝土桥墩方面，Mitoulis等提出了一种可恢复铰（图1，简称RH铰），该铰设置弧形凹槽为桥墩提供转动能力，在铰边缘布有一圈高强钢筋，地震作用下距离转动中心较远的钢筋屈服耗能，离转动中心较近的钢筋保持弹性提供恢复力。然而在这种铰中，桥墩和上部结构的重力会在铰处产生倾覆力矩，因此需要较大的配筋率来抵抗倾覆力矩，而且弹性钢筋的恢复力力臂很小，提供的恢复力矩有限。

图1 摇摆铰装置构造

鉴于此，本文提出一种适用于钢筋混凝土桥墩的新型摇摆机械铰（简称摇摆铰），用于减小自复位摇摆墩的摇摆界面局部损伤，以及加快桥墩与基础的连接速度。摇摆铰采用无粘结预应筋（PT筋）和耗能器，分别为桥墩系统提供自复位能力和耗能能力。首先介绍了摇摆铰的构造和工作原理，并推导了摇摆铰桥墩的荷载—位移曲线。并分别在不考虑耗能器和考虑耗能器两种工况下，研究了采用该摇摆铰的自复位桥墩的滞回性能。

摇摆铰装置构造见图1，主要包含上盘、下盘、球冠座板、PT筋、耗能器共5部分。上盘和下盘的凹槽和剪力销接触配合，承受竖向力和剪力，限制上盘的横向位移。上盘支撑在球冠座板上，球冠座板支撑在球槽上。PT筋一端锚固在下盘底板的凹槽里，一端锚固在墩顶。耗能器对称布置在摇摆铰四周，并用螺栓固定在上盘和下盘上。

在工作机理方面，正常使用情况下摇摆铰的防转装置可以限制上、下盘之间的相对转动，PT初张力和重力载荷也能提供稳定力矩，满足桥墩正常使用下的刚度需求。在地震作用下，当防转装置的螺栓所受地震力超出设计力时，螺栓被剪断，摇摆铰桥墩将绕转动中心（即球冠座板的球心）摇摆，摇摆过程受力如图2所示。球冠座板和球槽之间的滑动，类似于球钢支座的运动，为墩柱提供了转动能力，且摇摆界面的钢-钢接触避免了原本混凝土的受压损伤；预应力筋和耗能器分别为桥墩提供自复位能力与耗能能力。在震后，损伤主要集中在耗能器上，而结构主体不受损伤或低损伤，更换耗能器和防转装置可实现桥墩震后功能的快速恢复。

图2 摇摆过程受力示意图

为保持桥墩震后自复位能力，PT筋在目标位移下应保持弹性状态。桥墩、基础及二者与摇摆铰的连接等作为能力保护构件设计，其弯矩和剪力设计值应取与摇摆铰区域截面超强弯矩所对应的弯矩值和剪力值。此外，摇摆铰还能加快预制拼装桥墩与承台的连接速度，进一步减少施工现场的工作量。在工厂将PT筋提前张拉、锚固在摇摆铰底板上，节省了现场张拉PT筋的时间，并便于检查PT筋锚固质量；在现场只需通过预埋的锚栓将摇摆铰桥墩与承台连接。

对摇摆铰桥墩在水平力作用下的荷载—位移关系进行推导。摇摆铰桥墩在摇摆过程中受力示意见图2，图中，F、W _g 、M为墩柱所受水平力、竖向力（包括上部结构荷载）、弯矩；F _pi 、F _dj 分别为第i根PT筋、第j个耗能器的力；X _pi 、X _dj 、X _h 分别为第i根PT筋、第j个耗能器、支点到墩柱中心的距离；H为底板上缘（摇摆面）到墩顶的高度，B为桥墩宽度。

当桥墩发生提离后，对于给定的转角θ，桥墩的荷载—位移关系求解如下（求解时，假设在摇摆过程中，摇摆铰桥墩不会发生水平滑移）。

（1）计算给定转角θ下预应力筋和耗能器的变形量。

（2）根据预应力筋和耗能器的本构关系，计算预应力筋和耗能器对应的荷载Fpi和Fdj。

（3）计算截面对于摇摆支点的弯矩：

式中，M _p 和M _d 分别为预应力筋和耗能器对于支点的弯矩总和；n和m分别为预应力筋和耗能器的数量。

（4）计算桥墩水平位移X和水平力F：

式中，X ₀ 为桥墩提离时刻的弹性变形，M _g 为重力对支点的弯矩。

为研究摇摆铰桥墩的滞回性能，选取一典型矩形桥墩进行计算。该桥墩高10m，截面尺寸2m×2m，材质为C40混凝土，重力10720kN；PT筋长10.25m，配筋率1%，距离支点0.6m；耗能器屈服力为188kN，屈服位移为1.6mm。分别进行不考虑耗能器和考虑耗能器下两种桥墩滞回性能对比。

不设置耗能器时，对摇摆铰桥墩的滞回性能进行分析。不同PT筋初张力轴压比α _p (α _p =F _p0 /A _c f _c ，A _c 为桥墩截面面积，f _c 为混凝土轴心抗压标准强度）下，摇摆铰桥墩的滞回曲线见图3，图中漂移比为水平位移与墩高的比值。由图3可知：对于摇摆铰桥墩，PT筋初张力只影响提离荷载，而不影响提离后刚度，初张力越大，提离荷载越大。

图3 不设置耗能器下摇摆铰桥墩和球形铰桥墩滞回曲线

设置耗能器后，对摇摆铰桥墩的滞回性能进行分析，耗能器配筋率ρ _d (ρ _d =mA _d /A _c ,m 为耗能器个数，A _d 为单个U形耗能器断面面积，Ac 为桥墩截面面积）为6.4%。不同PT筋初张力轴压比下，摇摆铰桥墩的滞回曲线见图4，滞回曲线关键参数见表1。

图4 设置耗能器下摇摆铰桥墩和球形铰桥墩滞回曲线

由图4可以看出，设置耗能器后摇摆铰桥墩的滞回曲线表现出典型的旗帜形，屈服力、最大水平力均有明显提升。由表1可以看出，当αp从0%增大到25%时，摇摆铰桥墩屈服力增大103%、最大水平力增大65.1%；在给定的5%目标漂移比下，αp为0%时残余位移漂移比为1.19%，而αp为13%和25%时残余位移漂移比均接近0，表明合理地设置PT初张力后摇摆铰桥墩具有优良的自复位能力；当αp为0%和25%时，摇摆铰桥墩的等效黏滞阻尼比分别为0.21和0.14，等效黏滞阻尼比随αp的增大有略微的降低，但均满足使用要求。

本文提出一种新型摇摆机械铰（简称摇摆铰），用于减小自复位摇摆墩的摇摆界面局部损伤，以及加快桥墩与基础的连接速度。摇摆铰采用无粘结预应筋（PT筋）和耗能器来分别为桥墩系统提供自复位能力和耗能能力。得出以下主要结论——

（1）推导了摇摆铰桥墩的荷载—位移曲线，便于对摇摆铰桥墩的滞回性能进行设计。

（2）PT初张力的增大，会提高墩柱屈服力和最大水平力，减小等效黏滞阻尼比，而对屈后刚度基本没有影响。合理地设置预应力初张力后可以使残余位移接近0，使得摇摆铰桥墩具有优良的自复位能力。

（3）设置耗能器后，摇摆铰桥墩的滞回曲线表现出典型的旗帜形，屈服力、最大水平力均有明显提升。