适应扭转的新型自复位桥墩抗震性能研究

Seismic Performance Study of a New Self-Centering Torsion-Adaptable Bridge Pier

摘要

为解决小半径曲线桥下固定墩耦合受力出现塑性损伤难以修复的问题，提出一种适应扭转的新型预应力混凝土自复位桥墩。基于ABAQUS建立桥墩数值模型，在验证模型可靠性的基础上，设计了适应扭转的履带式金属阻尼器，研究压弯以及压弯扭耦合受力下单个桥墩的受力特征，比较履带式阻尼器钢板厚度、圆弧段曲率半径以及墩柱轴压比等参数的影响，从能量角度分析上述参数对结构抗震性能的影响。结果表明：履带式阻尼器具有良好的耗能能力和塑性变形能力，可以作为适应扭转自复位桥墩的耗能组件，能够在极限状态下保持稳定性能，避免了快速承载力下降和严重损伤；其次，在扭转荷载作用下，新型自复位桥墩展现出更好的承载能力和适应性，尽管承载力有所下降，但仍保持了一定的耗能能力。

Abstract

To address the issue of plastic damage in fixed piers under coupled loading conditions （such as combined axial compression， bending， and torsion） in small-radius curved bridges， which is difficult to repair， a novel torsion-adaptable prestressed concrete self-centering pier is proposed. Based on ABAQUS， a numerical model of the pier was established and validated for reliability. A torsion-adaptable crawler-type metallic damper was designed as the energy-dissipating component. The mechanical behavior of the single pier under axial compression-bending and axial compression-bending-torsion coupled loading conditions was investigated. The effects of key parameters， including the steel plate thickness of the crawler-type damper， the curvature radius of the arc segment， and the axial compression ratio of the pier， were studied. The influence of these parameters on the seismic performance of the structure was analyzed from an energy perspective. The results demonstrate that the crawler-type damper exhibits excellent energy dissipation capacity and plastic deformation ability， making it a suitable energy-dissipating component for torsion-adaptable self-centering piers. It maintains stable performance under extreme conditions， avoiding rapid load-bearing capacity degradation and severe damage. Furthermore， under torsional loading， the novel self-centering pier shows improved load-bearing capacity and adaptability. Although the load-bearing capacity decreases， it retains a certain level of energy dissipation capability. This study provides a theoretical basis and practical reference for the design of small-radius curved bridges.

Graphical abstract

关键词

适应扭转 / 自复位桥墩 / 压弯剪扭耦合 / 数值仿真 / 抗震性能

Key words

torsional adaptablility / self-centering bridge piers / compression bending torsion coupling / numerical simulation / seismic performance

0 引 言

小半径曲线梁桥固定墩在地震作用下往往会承受压弯剪扭耦合作用，曲线桥的横向惯性力因桥面曲率产生偏心，导致固定墩承受显著的扭矩，车辆荷载的离心力也会通过上部结构传递至桥墩，形成附加扭转力矩，使固定墩易受损，尤其是弯剪破坏、弯扭破坏和扭剪破坏等，导致桥墩底部出现塑性损伤，承载能力迅速下降甚至丧失，严重时引发桥梁垮塌事故。为了减少或避免灾后修复需求，国内外对各类摇摆体系进行了系统的研究，为曲线桥的抗震设计提供了新的思路和方法。目前，我国桥梁抗震设计多采用延性抗震^［1-3］和减隔震^［4-8］设计方法，近年来研究人员提出了自复位摇摆结构，作为一种创新解决方案，旨在减少甚至避免灾后修复。

相关学者在纯摇摆结构的基础上开始对控制摇摆桥墩的设计理念以及设计方法开展了一系列研究。Priestley等^［9］提出摇摆自复位桥墩结构可有效提高桥梁抗震性能。Mander等^［10］最早提出无损伤破坏的预应力摇摆桥墩设计理念，发现该类自复位摇摆桥墩抗侧承载能力主要由桥墩轴力决定，采用无粘结预应力可以避免桥墩发生严重损伤且能够为桥墩提供自复位能力。Palermo等^［11］提出利用内置耗能钢筋作为耗能组件与无粘结预应力技术配合形成混合耗能控制摇摆体系，桥墩的承载能力和耗能能力显著增加。其后，国内外学者针对耗能钢筋配筋率、内置耗能装置类型和内置耗能装置自复位桥墩的非线性时程等方面进行了研究，并进行了大量的相关试验：司炳君等^［12］研究了近断层地震动下摇摆自复位桥墩地震反应，提出摇摆自复位桥墩中耗能钢筋配筋率不宜低于0.75%；鲍泽华等^［13］利用非线性时程分析方法，得到了结构周期比和桥墩配筋率的关系，对自复位桥墩合理配筋率进行了优化建议；Ou等^［14］通过对内置耗能钢筋的自复位桥墩进行横向循环加载拟静力分析，发现随着耗能钢筋配筋率的增加，自复位桥墩的残余位移增大。Elgawady等^［15］对纤维增强复合材料包裹混凝土的摇摆桥墩进行了往复荷载试验研究，结果表明该摇摆桥墩延性好且残余位移较小。Nikbakht等^［16］研究了设置形状记忆金属合金筋的摇摆桥墩在非线性静力和动力荷载作用下的抗震性能。

尽管内置耗能装置的摇摆桥墩具有出色的抗侧性能、耗能能力和自复位能力，但在地震中，耗能装置往往会遭受损坏导致地震后难以进行更换。因此国内外学者开始对外置耗能装置的自复位摇摆桥墩进行研究。Marriott等^［17］在自复位桥墩外侧设置可更换的软钢阻尼器，通过拟静力试验得出外置软钢阻尼器具有稳定的能量耗散能力，并且能够达到易更换的效果；Guerrini等^［18］对外置软钢阻尼器进行了优化，得到了装配不同属性阻尼器的自复位桥墩的力学性能和极限能力。郭佳^［19］通过理论分析、数值模拟等对外置耗能装置的自复位桥墩的力学性能进行了研究，结果表明外置耗能装置能够拥有与内置耗能装置相近的耗能能力。钟学琦等^［20］通过在墩底设置球形扭转装置，利用履带式阻尼装置作为耗能装置控制桥墩的损伤以达到更好的自复位效果。史军^［21］提出了一种新型带牺牲部件的自复位桥墩结构并进行了拟静力试验，研究了该自复位桥墩的滞回特性、骨架曲线、等关键因素。相关研究成果被广泛应用在直线桥中^［22-25］。

自复位桥墩解决了直线桥在地震作用下由于墩台固结产生严重损伤的问题，但在曲线桥中由于压弯剪扭耦合受力，导致自复位组件和内置耗能组件性能迅速下降，不能很好地发挥自复位能力。为提升自复位桥墩在压弯剪扭耦合作用下的耗能与自复位性能，达到震后快速修复的目的，一些研究人员开发了具有多屈服点的新型阻尼器，并进行了一系列的理论分析和试验研究。Chen等^［26］提出了一种由两个不同尺寸的环形金属履带式阻尼器组合而成的适用于多种结构体系的新型金属阻尼器，通过循环加载试验研究了单环金属阻尼器的破坏机理、滞回性能和抗疲劳性能等力学性能，发现可以有效地降低结构在不同强度地震作用下的响应。本文对该结构优化改进，设计了一种新型适应扭转的履带式金属阻尼器，将其作为自适应扭转自复位桥墩（SCTP）的主要耗能构件。基于ABAQUS建立桥墩有限元模型，对其受力性能、破坏机理等进行参数化分析，为此类新型自复位桥墩抗震设计提供参考和借鉴。

1 新型适应扭转的自复位桥墩体系

1.1　结构构造

新型适应扭转的自复位桥墩由预应力筋、混凝土墩身、耗能组件以及承台组成，桥墩采用墩台分离式构造，墩身中空布置耗能钢筋，墩底设置耗能组件，耗能组件由履带式阻尼器和滑动轨道构成，见图1。为使履带式阻尼装置适应扭转，承台内预制适应扭转轨道盘，分为上盖板和下轨道盘，上盖板分为两部分，通过M12螺栓连接。上盖板高20 mm和50 mm，以限制滑动块的竖向位移，确保耗能性能。下轨道盘高10 cm，设有30 mm×30 mm的滑动槽，滑动块放入其中并涂油以减小摩擦，确保在压弯剪扭耦合荷载下与桥墩同步扭转。桥墩底部装配直径400 mm、厚10 mm的钢护筒。承重桥墩和承台使用C50混凝土。自复位组件由位于桥墩中心线的预应力筋和锚固板组成，上锚固板连接墩顶，下锚固板连接承台底部。预应力筋直径为25 mm，施加预应力640 kN，上部荷载为220 kN，轴压比为0.2。在桥墩底部布置8个履带式金属阻尼器，采用Q235钢材，履带式阻尼器由半径30 mm的圆弧段和35 mm的直线段组成，钢板厚度为10 mm，绕桥墩中心线角度为30°，并进行润滑处理以适应桥墩的扭转。底部设置高200 mm、厚10 mm的Q460环形钢套筒，以控制混凝土的塑性损伤。阻尼器一端与护筒连接，另一端设有30 mm×30 mm的滑动块。

1.2　工作原理

新型适应扭转的自复位桥墩通过预应力筋将墩身与桥台连接成整体，保证桥墩的整体性，小震作用下，墩柱自重以及上部结构荷载使桥墩不发生摇摆，中、大震作用下，桥墩在支点位置发生摇摆，同时伴有围绕预应力筋的扭转，此时位于墩底的履带式金属阻尼器随着桥墩摇摆发生拉伸以及压缩（如图2所示），阻尼器通过变形耗散大量地震能量，同时，由于扭转效应的存在，履带式金属阻尼器一侧与桥墩底钢板绑定，一侧在滑动轨道内滑动，因此在压弯剪扭耦合受力下随着桥墩共同扭转的同时，受压侧的阻尼器回缩，受拉侧的阻尼器伸长，通过阻尼装置的压缩伸长变形，利用金属较强的应变强化能力进行耗能，形成适应扭转的结构，同时阻尼器跟随桥墩扭转可以在一定程度上避免同一阻尼器在桥墩摇摆方向上反复发生损伤导致失效（见图3）。桥墩自复位能力主要由预应力钢筋提供，通过调整钢筋预应力使结构摇摆幅度可控。在震后，损伤主要集中在履带式阻尼器上，结构主体不会损伤，通过更换阻尼器完成对结构的快速恢复。

2 桥墩有限元模型

利用ABAQUS建立适应扭转的自复位桥墩有限元模型，桥墩、护筒、轨道装置及承台均采用八结点线性六面体单元减缩积分（C3D8R），履带式阻尼器采用二十结点二次六面体单元（C3D20），PT筋及普通钢筋采用两结点线性三维桁架单元（T3D2）。混凝土受压本构与钢筋采用双折线本构，见图4。阻尼器采用Q235钢材，护筒、轨道装置均采用Q460钢材，材料本构考虑为双折线，屈服强度为460 MPa，极限强度为600 MPa。护筒与桥墩、履带式阻尼器与护筒、轨道盘上下板、轨道盘与承台之间的连接采用绑定（tie）约束模拟；履带式阻尼器滑动块与轨道滑动槽及上板接触面之间采用涂油润滑方式，因此采用钢-钢的表面与表面接触（interaction）连接，切向摩擦系数为0.05，法向为硬接触；墩柱与承台表面采用混凝土表面与表面接触（interaction），切向摩擦系数取0.3。

3 新型自复位桥墩抗震性能研究

3.1　滞回曲线

采用位移控制加载，设置荷载墩顶偏移率为4%，每级循环加载2周，扭转荷载为往复扭转，最大扭弯比为4.0，加载示意图如图5所示，加载制度如图6所示。

图7对比了适应扭转自复位桥墩（SCTP）在压弯荷载（C+B）和压弯剪扭耦合荷载（C+B+T）作用下的弯曲滞回曲线。根据张璞等^［27］的研究，可以看出适应扭转自复位桥墩的滞回曲线属于损伤可恢复体系（Resilient Damage System），结构在经历塑性变形后仍然能保持足够的韧性，承载能力单调增加。

压弯荷载下，适应扭转的自复位桥墩具有良好的自复位性能和耗能性能，且每个滞回曲线都与骨架曲线轮廓吻合，很好地控制了混凝土在摇摆过程中的损伤。在压弯剪扭耦合作用下，适应扭转的自复位桥墩的耗能能力和自复位能力仅受到扭转的轻微影响，承载能力出现了一定程度的下降，但是其滞回曲线顶点与骨架曲线轮廓基本吻合，仅出现轻微下降，下降最大值为5.19%，说明在复杂的荷载组合下，适应扭转的自复位桥墩仍然能够保持一定的自复位能力。

从图8可见，在扭转荷载作用下，新型自复位桥墩的滞回曲线表现为伴随摩擦滑移的金属塑性变形耗能特性。可以将新型自复位桥墩的扭转角-扭矩滞回曲线分为以下三个阶段：

第一阶段，随着扭转角的增大，扭矩逐渐增大，阻尼器随着桥墩扭转发生转动，此时阻尼器处于弹性变形阶段。第二阶段，由于阻尼器扭转存在滞后，出现塑性损伤，发生变形，发生扭转所需的扭矩减小。第三阶段，由于钢材硬化的存在，发生扭转的扭矩再次增大，直至目标扭转角。在扭转过程中阻尼器塑性损伤主要出现在滑动块位置处，尤其需要着重关注滑动块的角点位置。

单个桥墩在压弯剪扭耦合荷载作用下，其与扭转荷载下的扭转角-扭矩曲线对比（图9）可以看出，适应扭转的自复位桥墩摇摆过程使阻尼器产生塑性损伤，出现了扭转强度退化的现象，但扭转骨架曲线也只是出现轻微下降，结构整体没有呈现明显的承载能力丧失现象，在耦合荷载下也基本能够保持稳定的力学性能（图10）。

3.2　残余位移

图11展示了适应扭转的自复位桥墩残余位移。已有研究表明：墩柱震后残余位移率是评价墩柱震后可恢复性的重要指标。结合日本阪神地震后桥梁修复的经验，当墩柱震后残余位移超过15 mm或残余位移率超过1%时，修复工作将变得非常困难。

根据自复位桥墩的残余位移折线图可以看出，适应扭转的自复位桥墩极限状态残余位移率最大值仅为0.25%，能够满足震后易修复的要求。

4 参数分析

4.1　履带式阻尼器钢板厚度影响

改变适应扭转履带式阻尼器的钢板厚度，选择钢板厚度t=6 mm、t=8 mm、t=10 mm、t=12 mm进行分析。结果表明，随着钢板厚度的增加，适应扭转的自复位桥墩的滞回曲线逐渐由旗帜形变为梭形，其承载能力和累计耗能能力增大，但是残余位移也随之增大（见图12—图15）。

当t=12 mm时，桥墩最大的残余位移相较于t=6 mm增大了45.33%。当钢板厚度为6 mm时，残余位移会出现波动，通过分析，出现这种状况是由于钢板厚度不足导致桥墩在扭转荷载影响下出现水平向位移。

从图16及图17可以看出，随着钢板厚度增加，桥墩需要的起滑扭矩增大，且随着钢板厚度的提升，阻尼器自身刚度增大，在压弯剪扭耦合作用的情况下，在往复运动过程中传递至轨道块的力更大，与纯扭荷载下所需的弯矩差值较大，导致滞回曲线波动较为明显。

根据扭转骨架曲线，随着钢板厚度的增加，自复位桥墩开始滑动所需的弯矩增大。当t=6 mm时，履带式阻尼器的柔度较大，扭转角-扭矩滞回曲线较为平缓。钢板厚度为6 mm、8 mm、10 mm时骨架曲线较为接近，而阻尼器钢板厚度为12 mm的自复位桥墩扭转骨架曲线明显较大，不利于阻尼器的整体扭转。因此，为满足适应扭转的自复位桥墩的抗震需求，综合考虑阻尼器耗能能力以及残余变形的影响，当阻尼器厚度为10 mm时桥墩性能达到最优。

4.2　履带式阻尼器曲率半径影响

选取曲率半径R为25 mm、30 mm、35 mm和40 mm进行分析。从图18—图21可知，随着履带式阻尼器圆弧段曲率半径增大，阻尼器的骨架曲线承载能力与耗能能力会出现下降，但是其残余位移会减小，自复位能力更强。

当曲率半径为25 mm时，阻尼器耗能能力较40 mm时增加了71.41%，承载能力提升了15.94%，最大残余位移由5.6 mm减小至2.25 mm，减小了148.89%，明显小于日本桥梁抗震规范对桥墩最大残余位移1%的要求。

当适应扭转的履带式阻尼器圆弧段曲率半径过小时，会在墩顶位移较大时，由于阻尼器发生塑性变形导致残余位移出现突变。曲率半径对阻尼器的扭转骨架曲线（图22）影响较小，采用R=40 mm履带式阻尼器的自复位桥墩发生滑动所需的弯矩较R=25 mm时的提升了10.99%。因此，当半径为25 mm时，结构耗能能力最强，残余位移最小，而扭转变形差异不大，保证了扭转自适应自复位桥墩良好的抗震性能。

4.3　轴压比影响

轴压比选取为0.05、0.1、0.15、0.2进行分析。图23表明随着轴压比不断增大，适应扭转自复位桥墩的承载能力逐渐提升，累计耗能能力逐渐提升。当轴压比为0.15及0.20时，图25所示骨架曲线接近重合，此时承载能力达到稳定状态，轴压比对结构的影响不大。当轴压比为0.15及0.20时，可以看到骨架曲线出现了下降段，即结构出现了不可恢复的损伤，因此残余位移也逐渐增大。

随着轴压比增大，桥墩的承载能力和累计耗能能力有一定程度的提升，但是残余位移也会因轴压比的增加而增加（图26、图27）。轴压比越大，墩底摩擦力越大，发生扭转滑动所需的扭矩也随之增大，从图28、图29可以看出，随着轴压比的增大，桥墩发生同样扭转角所需的扭矩逐渐增大，相较于轴压比为0.05的桥墩，轴压比0.20的桥墩达到同样扭转角的扭矩增大了17.64%，因此为了结构更好地适应扭转，轴压比在允许范围内适当采取较小值。

5 结 论

本文提出一种新型适应扭转的新型混凝土自复位桥墩，利用ABAQUS对其抗震性能和影响参数进行分析，从耗能能力、残余变形以及扭转变形角度进行研究，得到以下结论：

（1） 履带式阻尼器能够很好地适应扭转变形，通过阻尼器的水平和竖向变位，实现适应扭转以及耗能需求，新型自复位桥墩在压弯剪扭耦合受力下，滞回曲线饱满，耗能能力优秀，残余变形小，能满足复杂受力下结构性能需求。

（2） 在扭转荷载作用下，履带式金属阻尼器通过塑性变形主导能量耗散，滞回曲线呈现稳定的耗能特征。尽管阻尼器因局部塑性累积出现强度退化，但桥墩整体承载力未显著下降，表明其具备良好的扭转适应性与损伤可控性。

（3） 随着钢板厚度的增加，桥墩的耗能能力得以增强，但残余位移也随之增大，阻尼器厚度为10 mm时桥墩性能达到最优。其次随着阻尼器圆弧段曲率半径的增大，桥墩的耗能能力有所降低，而自复位能力则增强，扭转适应性能的变化相对较小，当半径为25mm时综合性能较强。最后随着轴压比的增大，桥墩的耗能能力增强，自复位能力减弱，适应扭转性能也随之减弱。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52378472)

国家自然科学基金资助项目(52078023)

北京市自科基金-北京市教委联合重点项目(23JH0014)

北京建筑大学建大领军人才计划B类(JDLJ20220807)

北京市博士后工作经费资助项目(2023-zz-137)