0 引 言
摇摆自复位桥墩是在墩底设置提离界面，切断地震能量传播路径，并辅以耗能装置及预应力钢筋，以提升抗震韧性的桥梁支承结构。摇摆自复位桥墩中，预应力钢筋提供自复位能力，耗能装置发挥耗能作用。这类结构在往复荷载作用下的滞回曲线具有典型的“旗帜型”特征，耗能装置则是决定“旗帜型”几何特征的重要元件
［1，2］。因此，国内外有较多学者针对自复位桥墩耗能装置的研发开展了有益的探索。
低碳钢具有屈服点低、塑性变形能力好的特点，如角钢、钢板、耗能钢筋等，是性能稳定的耗能元件
［3-5］，但将其外置于自复位桥墩时，易出现压屈等问题。带屈曲约束的耗能装置可克服上述缺点
［6］，但将其作为摇摆自复位桥墩的耗能元件是不经济的。常见的黏滞阻尼器
［7］、铅挤压阻尼器
［8］、型钢剪切型阻尼器
［9，10］等阻尼耗能能力强，已被证实在自复位桥墩中具有良好的应用效果，但不足之处在于服役期内维养成本较高。摩擦型阻尼器利用元件之间相互滑动或转动产生的摩擦力做功实现耗能。文献［
11］提出一种方形转动摩擦阻尼器，利用钢连接件铰接位置处摩擦片在阻尼器转动时产生的摩擦实现耗能；文献［
12］提出的U-T坡面变摩擦阻尼器，主要由剖面呈T形的凸棱部件和剖面呈U形的凹槽部件组成，试验证明U-T坡面机构可以实现变摩擦阻尼力。除了钢构件之间的摩擦滑移可以产生耗能外，橡胶与钢板界面也可产生相对稳定的摩擦力。左恒等
［13］提出了一种内置橡胶和碟簧的钢管橡胶摩擦阻尼器，通过拟动力试验获得了不同扭矩、加载速率及位移幅值下的摩擦力变化规律，并建立了理论恢复力模型；曾传旺等
［14］提出了由摩擦压片、橡胶层、摩擦钢板及紧固螺栓组成的挤压型摩擦阻尼器。试验研究发现，橡胶层厚度及螺栓扭矩影响阻尼力及摩擦负荷，阻尼器滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。以上关于阻尼器的研究重点探索了其抗震性能，且主要面向建筑结构减震加固领域。然而，实际工程中，生产成本低、施工便捷性也是阻尼器选型的重要依据。鉴于橡胶材料具有上述特征，本文提出一种钢筒内置可更换橡胶穿心式摩擦阻尼器，将其作为自复位桥墩的耗能元件。该构件成本低廉、便于施工、易于维养更换。通过往复加载试验获取其滞回性能及破坏特征，并将其应用于铁路自复位桥墩，开展抗震性能研究。
1 SPRFD的基本构造及工作机理
SPRFD的基本构造如
图1所示，主要由高强螺栓、钢套筒、活动挡板、固定挡板、钢拉杆（内置和外置）及可更换橡胶组成。外置钢拉杆与钢套筒连接，内置钢拉杆与固定挡板连接，带动橡胶与钢套筒侧壁产生摩擦，橡胶置于活动挡板与固定挡板之间，通过活动挡板侧的高强螺栓施加预紧力。本文提出的阻尼器构造简单、加工成本低，且橡胶损伤后易于更换，是一种经济适用的耗能装置。
SPRFD在承受荷载前施加预紧力，利用橡胶材料的超弹性性能，在轴向预紧力作用下发生侧向膨胀，与钢套筒内壁相互挤压。在轴向荷载作用下，接触界面通过摩擦耗能，为结构体系提供一定的阻尼力。
2 SPRFD的抗震性能试验
2.1 试验概况
根据阻尼器的构造设计及工作原理，本文加工制作了4组模型试件。其中，模型试件的钢套筒内径为64 mm，内外置钢拉杆直径为32 mm，摩擦橡胶厚度为50 mm，内外径分别为32、64 mm，活动挡板的内外径与摩擦橡胶一致，固定挡板的外径为64 mm。摩擦耗能装置的预紧力通过扭力扳手转动高强螺栓施加，钢构件均采用Q345钢材， 所选橡胶为天然橡胶，硬度75（邵氏A），拉伸强度15 MPa。采用万能试验机对阻尼器进行位移控制加载，如
图2所示，加载位移分别为5、10、15、20、30、40、50、60mm，每次加载3个循环。试验共设定4个工况，分别考虑不同的预紧力（100、150、200、300 N·m）。为便于描述，本文将试件的名称定义为“R64-50-预紧力”。
2.2 滞回曲线及损伤特征
图3为不同预紧力下阻尼器的力-位移关系曲线。随着预紧力的增加，滞回曲线的形状逐渐发生变化。当预紧力为100 N·m时，滞回曲线的形状接近于刚塑性模型；当预紧力从150 N·m逐渐增加至300 N·m时，滞回曲线的形状逐渐发生变化，且预紧力越大，滞回曲线的形状变化越显著。随着加载位移的增大，滞回曲线的形状逐渐过渡至弹塑性模型，且阻尼力不断减小；预紧力越大，往复循环后阻尼力的减小越明显，即阻尼力的衰减速率随着预紧力的增大而增大。
图4为R64-50-100试件在部分加载位移下的滞回环。在5 mm的加载位移下，阻尼器起滑后的阻尼力保持恒定，滞回环接近弹塑性；在10 mm的加载位移下，阻尼器起滑后的阻尼力突然降低，然后趋于稳定；当加载位移超过10 mm时，阻尼力随着位移的增大呈上升趋势，且在最大位移附近，滞回曲线由“圆弧角”变为“棱角”。因此，当预紧力较小时，随着加载位移的增大，滞回环从弹塑性过渡到刚塑性。
图5为试验加载结束后橡胶的磨损状况，预紧力较小的试件橡胶磨损较小，而预紧力较大的试件橡胶出现了较为明显的磨损情况，磨损区域集中在橡胶的边缘处。其中，预紧力较大的试件在同一控制位移下也会因磨损使阻尼力减小，且位移越大阻尼力损失越显著。试验结束后，阻尼器内部有橡胶摩擦产生的碎屑，钢套筒管壁的温度高于试验加载前。
图6（a）为加载位移达到60 mm，预紧力分别为100、150 N·m时，阻尼器的滞回环比较。当预紧力为100 N·m时，3次循环加载过程中，阻尼力保持恒定；当预紧力为150 N·m时，阻尼力在第一次循环后有下降，但在第二次和第三次循环过程中降低不明显，且依旧高于预紧力为100 N·m对应的阻尼力。
图6（b）为加载位移达到60 mm，预紧力分别为200、300 N·m时，阻尼器的滞回环比较。当预紧力为200 N·m时，阻尼力在3次循环中逐渐减小；当预紧力增加至300 N·m时，每次循环后的阻尼力均有减小，3次循环后的阻尼力值低于预紧力为200 N·m对应的值。由加载位移为60 mm的滞回环分析结果可知，当预紧力较大时，阻尼器在等位移循环过程中的阻尼力衰减更显著。
2.3 割线刚度及等效阻尼比
针对阻尼器的力学性能，主要选用割线刚度、滞回耗能及等效黏滞阻尼比作为关键参数进行分析。割线刚度K的计算公式如式（1）所示：
式中：Fmax与Fmin分别为最大与最小阻尼力；Dmax与Dmin分别为最大与最小位移。
等效黏滞阻尼比的计算公式如式（2）所示：
式中：W为每周循环加载的耗能大小。
图7为阻尼器在不同加载位移下的割线刚度。随着加载位移的增加，割线刚度整体呈下降趋势，当加载位移达到60 mm时，4组试件阻尼器的割线刚度趋于一致；预紧力越大，割线刚度越大，刚度下降越快。
图8为阻尼器在不同加载位移下的等效黏滞阻尼比。等效黏滞阻尼比在整个加载过程中基本趋于稳定，不同加载位移下等效黏滞阻尼比拟合曲线的斜率均趋于零，说明阻尼器在往复荷载作用下可提供稳定的阻尼。
图9为阻尼器在不同加载位移下的滞回耗能。随着加载位移的增加，阻尼器的耗能能力不断提高，且预紧力越大，阻尼器的耗能能力越大。由于预紧力较大的阻尼器在往复荷载作用下内部橡胶发生摩擦损伤，其耗能能力在加载后期增长缓慢。
阻尼器的预紧力对其滞回特性有明显的影响。研究表明，不同预紧力下阻尼器的滞回性能均较为稳定，在实际应用中可以结合经济性、安装便捷性调整阻尼器的数量。需要说明的是，试验设计中仅考虑预紧力变化的影响，以获得阻尼器的滞回特征和损伤特性。不同钢筒直径、橡胶层厚度等几何参数对抗震性能影响的量化研究，将根据实际工程应用需求进一步开展。
2.4 SPRFD的简化分析模型
基于OpenSees平台建立阻尼器的简化分析模型，采用Two Node Link Element进行模拟，并结合Bouc-Wen材料模型模拟SPRFD的滞回曲线。其中，Bouc-Wen模型可以较好地考虑阻尼器在往复加载过程中的强度退化及刚度退化效应。简化分析模型的计算结果与试验滞回曲线对比如
图10所示，数值计算结果和试验滞回曲线吻合较好。需要说明的是，当预紧力较大时，加载过程中阻尼力的增大效应在Bouc-Wen模型中未能体现，但是阻尼力在反复加载过程中的退化效应可以较好地反映。
3 SPRFD在铁路自复位桥墩中的应用
3.1 配置SPRFD的铁路自复位桥墩
鉴于SPRFD在往复循环荷载下具有较稳定的耗能能力，将其应用于铁路自复位桥墩中，开展抗震性能研究。本文以课题组已完成的自由摇摆铁路自复位桥墩试验模型为研究对象，如
图11所示
［15］，可以看出，试验中加台与承台间提离现象明显，因此将阻尼器的外置钢拉杆固定于加台侧面、承台顶部，内置钢拉杆与加台顶部固定，作为外置耗能元件，并配置预应力钢筋，以提供自复位能力。
3.2 数值分析模型
采用OpenSees平台建立配置SPRFD的铁路自复位桥墩分析模型，基本设计信息如
图12所示。桥墩采用弹性梁柱单元模拟，承台及加台采用刚臂单元模拟。无粘结预应力钢筋采用Truss单元配合Elastic-PP单轴材料模拟，通过设置压应变及初始应变实现其仅受拉特性及预加力的模拟。SPRFD采用Two Node link单元配合Bouc-Wen材料模拟。SPRFD顶部节点与承台采用刚臂单元连接，以实现变形协调。墩顶竖向力为36 kN，配置两根直径为12.7 mm的钢绞线，初始预张拉力为100 kN，对应抗拉强度标准值为1 860 MPa。
接缝处仅受压特性通过设置零长度接触单元配合Elastic-No Tension单轴材料模拟。其中，界面提离弹簧的刚度按照文献［
16］方法计算，模拟铁路自复位桥墩的准确性已通过试验验证，如
图13所示。
3.3 抗震性能分析
配置SPRFD的铁路自复位桥墩在往复荷载作用下的滞回曲线如
图14所示。该滞回曲线具有明显的“旗帜型”特征，且具有稳定的耗能能力。配置R64-50-100型、R64-50-150型、R64-50-200型阻尼器的自复位桥墩滞回曲线卸载刚度变化较为明显，即从较大的刚度突变为较小刚度，随后逐渐增大；而配置R64-50-300型阻尼器的自复位桥墩滞回曲线卸载刚度变化较为平缓。可见，配置不同型号阻尼器的自复位桥墩滞回曲线变化规律有所不同。当预紧力较小时，阻尼器中摩擦橡胶的累积损伤较小，初始卸载刚度较大；当预紧力较大时，阻尼器中摩擦橡胶的累积损伤较大，滞回曲线趋向弹塑性模型发展，且阻尼力随加载位移的退化更为明显。尽管预应力钢筋提供的屈服后刚度较小，但阻尼器力学性能的变化对自复位桥墩滞回曲线的影响较为显著。
图15为配置不同型号SPRFD的自复位桥墩滞回曲线对比。单侧配置5组R64-50-100型阻尼器桥墩的耗能能力小于单侧配置4组R64-50-150型阻尼器桥墩，单侧配置3组R64-50-200型阻尼器桥墩和单侧配置4组R64-50-150型阻尼器桥墩的耗能能力接近。尽管在加载后期，阻尼器因摩擦累积损伤导致阻尼力降低，使得自复位桥墩耗能能力有所减弱，但与单侧配置3组R64-50-200型阻尼器的桥墩相比，单侧配置3组R64-50-300型阻尼器的桥墩对桥墩抗侧强度更为有效。
4 结 论
（1）SPRFD的损伤发展与预紧力、加载位移有关。往复荷载作用下，随着预紧力的增大，橡胶的摩擦损伤增加，其损伤主要集中在橡胶的边缘处，且钢套筒内部产生橡胶碎屑。
（2）SPRFD的滞回曲线具备刚塑性模型及弹塑性模型的特征，阻尼力会因橡胶摩擦损伤而降低。阻尼力变化特征与螺栓预紧力相关，预紧力越小阻尼力越稳定，预紧力越大阻尼力衰减越明显。同等加载位移下，预紧力越大阻尼力衰减越明显。
（3）SPRFD的割线刚度与螺栓预紧力的大小呈正相关，且具备稳定的等效黏滞阻尼比。考虑加载过程中阻尼力的退化效应，可采用Bouc-Wen模型模拟钢筒内置可更换橡胶穿心式摩擦阻尼器的滞回特征。
（4）配置较小预紧力SPRFD的自复位桥墩具备稳定的滞回耗能能力，但需要的阻尼器数量较多。预紧力较大的阻尼器尽管存在阻尼力衰减现象，但可为自复位桥墩提供更大的抗侧强度。
京公网安备11010202008535号
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