基于性能的无支座自复位桥梁抗震设计*

何维利 肖永铭 贾振雷 韩强 贾俊峰

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室 100124）

引言

目前，我国现行的《公路桥梁抗震设计细则》［1］、美国AASHTO［2］和欧洲Eurocode8［3］规范均采用抗倒塌设计原则。采用强度和变形双重指标来控制结构抗震设计，增加了桥梁延性抗震设计和能力保护构件原则的相关规定。传统的抗震设计理论和方法只考虑了承载力、刚度以及延性耗能机制，并没有考虑震后结构性能。延性设计不能有效地控制地震造成的损伤，缺乏对震后结构性能的考虑。

震害调查表明［4］，梁式桥结构体系容易发生桥墩塑性角、支座破坏，甚至落梁等严重地震震害。为了有效地控制地震损伤程度及保证震后结构性能，需要研发新的抗震桥梁结构体系，并提出相应的抗震设计方法。智利大地震（1963）中，Housner［5］发现水塔基础发生摇摆而在震后幸存，提出结构摇摆抗震理念；Mander和Cheng［6］提出了损伤破坏自复位桥墩设计理念；Palermo等［7］提出无粘结预应力技术与内置耗能钢筋联合应用的自复位桥墩体系，耗能钢筋埋置在承台并延伸至桥墩，可提高摇摆桥墩侧向承载力，并可较好地耗散传递至结构的地震能量。之后，各国学者对采用外置耗能装置的自复位桥墩进行了一系列的试验研究［8－16］。

这些研究多是针对独立的摇摆墩或自复位桥墩进行了试验研究，研究对象也多集中在单墩，还没有涉及到自复位桥梁结构体系研究。摇摆墩或自复位桥墩设计没有考虑上部结构对其影响，也没有考虑摇摆墩或自复位桥墩在施工阶段、运营阶段下整个桥梁体系中的受力状况。这些研究成果尚不能直接应用于自复位桥梁工程实践。目前，对新建桥梁采用自复位抗震技术的只有新西兰South Rangitikei铁路桥［17］和本文介绍的建于2016年京台高速（北京段）黄徐路跨线桥梁工程。

无支座自复位桥梁可利用桥梁上部结构重力实现自复位功能，同时，墩柱内竖向无粘结预应力增强了自复位能力和桥墩的稳定性，并利用安装在特定部位的耗能装置耗散部分地震能量。本文主要介绍研发的无支座自复位桥梁结构体系，自复位桥墩拟静力试验，以及无支座自复位桥梁基于性能的抗震设计方法及其工程应用实例等。

1 无支座自复位桥梁结构体系及作用机理

1.1 无支座自复位桥梁结构体系构成

无支座自复位桥墩构造如图1所示：独立墩柱两端与桥梁上、下部结构分离，可更换的无粘结预应力钢索贯穿梁体、墩柱和基础，墩底设置可更换的耗能装置。墩柱顶、底部均设置钢板箍和钢抗剪销，墩柱底部混凝土与承台顶面钢板形成下摇摆界面，墩柱顶部混凝土与主梁底面形成上摇摆界面。无粘结预应力钢索为可更换、可二次张拉的预应力成品索并具有防腐功能，在承台下方设置后期检查、更换和监测维护通道。

1.2 无支座自复位桥墩的工作机理

无支座自复位桥梁工作机理为：由于自复位桥梁墩柱两端部均设置摇摆界面，形成了上、下两个活动关节，在水平倾覆力矩作用下，墩柱两端摇摆界面从全接触到界面张开一定的角度，此时墩柱产生一定的倾斜，使得上部结构和基础之间形成相对的水平位移，与此同时上部结构在与基础交界面处发生一定的抬升。地震作用可使桥墩发生摇摆和上部结构的反复抬升并复位。

当自复位墩柱两端摇摆界面张开，墩柱刚度开始降低，结构刚度降低周期加长降低了地震力。由于摇摆界面的张开，墩柱顶面和底面均与上部结构和基础产生部分接触，接触面上产生的相互作用力形成了一对使桥墩复位的回复力矩，从而使桥墩具有自恢复能力。自复位墩柱中设置无粘结预应力钢索，通过钢索的张拉力增加了结构的自复位能力，保证了自复位桥墩的稳定性。

图1 无支座自复位桥梁构造Fig.1 Non-bearing self-centering bridge structure

自复位墩柱底部安装耗能装置，使桥梁结构在摇摆过程中通过耗能材料的滞回耗散地震能。

在最大地震力作用下，自复位桥墩摆动到最大位置，摇摆界面倾角也达到最大，这时受拉侧的耗能材料进入屈服状态，其伸长值也最大。忽略摇摆界面墩柱混凝土塑性影响，在此状态下，上部结构重力和墩柱内无粘结预应力及未进入屈服状态耗能材料的内力均作为桥墩的回复力，只有屈服状态的耗能材料需要外力压缩，成为抵抗回复力。如果回复力足够大，屈服状态的耗能材料全部拉伸变形被压缩回去，这时自复位桥墩就回复到初始状态。反之，如果屈服状态的耗能材料存在残余变形，这时也造成自复位桥墩的残余变形。

根据计算结果绘制无支座自复位桥墩的力－位移滞回曲线如图2所示。从图中可以看出无支座自复位桥墩具有良好的耗能能力和自复位能力，而且具有较小的残余位移。通过抗震目标位移的设定，可以满足基于性能的设计抗震要求。

图2 无支座自复位桥墩力－位移滞回曲线Fig.2 Force-displacement hysteresis curve of non-bearing self-centering column

2 无支座自复位桥梁设计

2.1 一般损伤过程和极限状态

如图3所示的无支座自复位桥墩P－Δ曲线显示了其各阶段工作状态，无支座自复位桥墩的工作性能状态按发生的时间顺序依次为：①摇摆界面消压、②阻尼器屈服、③阻尼器断裂失效、④预应力束屈服、⑤预应力束断裂和⑥完全失效。

图3 无支座自复位桥墩P－Δ曲线Fig.3 P－Δ curve of non-bearing self-centering column

当无支座自复位桥墩仅承受竖向力和预应力的作用时，摇摆界面承受均布竖向荷载；当施加在墩顶的侧向水平力从零开始逐渐增大，摇摆界面承受的荷载分布开始发生变化，并最终达到消压状态，此时摇摆界面的一侧边缘应力为零，墩顶位移完全由桥墩自身弯曲变形提供。消压阶段过后，随着荷载的持续增大，摇摆界面与承台之间产生开口，此时的桥墩抗侧刚度与初始抗侧刚度相比有极小幅下降。当摇摆界面与承台之间产生一定开口时，逐步降低桥墩抗侧刚度；当摇摆界面开口位移超过耗能钢板的屈服位移，即耗能钢板进入屈服阶段，耗能装置开始发挥效用，此时桥墩的刚度进一步下降；为了避免出现脆性破坏，通过合理设计预应力钢束和耗能装置，使耗能装置断裂先于预应力钢束屈服，最后随着墩顶水平力的不断增加，无粘结预应力束发生屈服，预先施加的预应力将会有所降低，导致摇摆桥墩抗侧刚度和自复位能力的退化。当预应力束完全失效时，体系稳定性和自复位能力退化严重，此时结构进入了最终破坏状态。

当耗能钢板进入屈服阶段时，将此时桥墩承载能力乘以结构重要性系数作为无支座自复位桥墩的持久状况和短暂状况下的承载能力极限状态。同时，由于耗能钢板的断裂会导致本桥梁体系的承载能力及耗能能力大幅下降。为有效地控制地震损伤程度及保证震后结构性能，这里确定无支座自复位桥梁地震状况和偶然状况下的承载能力极限状态，为耗能装置发生断裂所对应的状态，以给设计预留足够的安全富余度（由于是首座无支座自复位桥梁的设计，无前例可循，这个极限状态考虑的相对保守）。

2.2 无支座自复位桥梁结构设计目标

无支座自复位桥梁结构需分别按现行桥梁设计规范考虑正常使用极限状态、承载能力极限状态进行验算，根据其结构特性和功能需求提出无支座自复位桥梁结构设计目标如下：

（1）承载能力极限状态和正常使用极限状态下，自复位桥墩混凝土应力、抗剪强度、及墩柱内无粘结预应力索的应力需满足现行桥梁设计规范要求。

（2）承载能力极限状态和正常使用极限状态下容许摇摆界面出现消压，可根据自复位桥墩各受力状态的不同墩柱刚度值，计算相应状态下结构内力与变形。

（3）地震状况下，依据现行《公路桥梁抗震设计细则》要求进行两阶段设计。

E1地震作用下：容许摇摆界面消压；耗能装置最大应力小于材料屈服强度；墩柱无粘结预应力筋的应力应满足现行桥梁设计规范设计要求；桥梁能够自复位，无残余位移。

E2地震作用下：容许摇摆界面消压；耗能装置不发生断裂破坏；无粘结预应力筋不发生屈服；桥梁能够自复位，且残余位移小于墩柱倾斜率的1%；墩柱局部不出现压溃破坏；无支座自复位桥墩不发生稳定性破坏。

（4）自复位墩柱和抗剪销满足现行设计规范的能力保护构件设计要求。

2.3 无支座自复位桥梁基于性能的抗震设计标准

确定可进行量化设计的桥梁抗震性能目标是实现基于性能设计的关键。本文根据无支座自复位抗震桥梁的特点给出了无支座自复位桥梁的抗震设防目标及抗震性能目标。

各抗震设防类别的无支座自复位桥梁基于性能的抗震设防目标应符合表1的规定。

表1 无支座自复位桥梁基于性能的抗震设防目标Tab.1 Performance-based seismic fortification targets for non-bearing self-centering bridges

各抗震设防类别的无支座自复位桥梁的抗震性能目标应符合表2规定。

表2 无支座自复位桥梁基于性能的抗震性能目标Tab.2 Performance-based seismic performance targets for non-bearing self-centering bridges

3 无支座自复位桥梁试验研究

为了验证柱式摇摆桥梁的抗震性能、工作机理以及为设计提供依据，选用京台高速4×30m一联现浇连续箱梁原型桥相对应的无支座自复位桥梁的一个中墩为原型墩，进行试验设计。桥墩采用C40混凝土浇筑，耗能装置和局部外包钢板均采用Q235钢。

试验试件设计如图4所示。缩尺比例为1∶3，缩尺后桥墩总高为2250mm，两桥墩中心间距3300mm，桥墩截面为540mm（加载方向）×400mm的矩形，顶部盖梁尺寸为4500mm×600mm ×600mm，每个桥墩顶端施加866.4kN的轴压，每个墩柱内设4个预应力孔道，每孔布置一根φS15.2钢绞线，张拉控制力控制在105.3kN（控制预应力产生的轴压比与原桥型相同，原桥型设计预应力轴压比为0.106）。桥墩加载侧各布置一个芯板厚8mm的防屈曲钢板阻尼器，如图5所示。试验采用电液伺服结构试验机进行力和位移混合控制的水平单向往复加载，每一级加载目标循环两次。试验实施力和位移混合控制的水平单向往复加载，每一级加载目标循环两次，采用力控制的加载幅值为100kN、200kN、343kN（E1地震力），采用位移控制的加载幅值分别为5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm、120mm。加载示意如图6所示。本试验的主要仪表量测内容有：梁体顶部竖向荷载；梁体水平荷载；梁体水平位移；桥墩1／2处水平位移；墩顶和墩底摇摆界面开口位移；端部纵筋和箍筋应变，测点布置如图7所示。

图4 试件设计样图Fig.4 Design details of the specimen

图5 防屈曲板Fig.5 Buckling-restrained steel plate

图6 加载方案Fig.6 Loading plan diagram

图7 应变片与位移计布置Fig.7 Layout of strain gauge and displacement meter

试验得到的桥墩滞回曲线如图8所示，从滞回曲线中可知试件加载卸载后残余位移很小，每个加载级别的残余位移见图9。在加载位移偏移率为4.0%时，最大残余位移率为0.246%，远小于日本规范中1%残余位移角限值的规定［18］，验证了本试验的双柱式自复位桥墩体系具有很好的自复位能力。从滞回曲线可看出该体系的滞回环比较饱满，耗能效果明显。

图10为等效粘滞阻尼比随加载幅值变化曲线，等效粘滞阻尼比的值随着位移增加而增加，说明外置耗能装置的摇摆桥墩具有良好的耗能能力，抗震性能良好。验证了双柱式自复位桥墩体系不仅具有良好的自复位能力，而且具有足够的承载力。即使是加载到最大位移120mm时，抗侧能力仍然没有明显降低，说明该体系具有良好的刚度和位移延性。

试验表明无支座自复位桥墩在循环荷载作用下上下摇摆界面交替开合，不会发生现浇混凝土桥墩出现的塑性铰现象，有效地避免了桥墩的损伤破坏，试验结束后桥墩状态良好。局部角点也未见混凝土压溃破坏现象，证明了增加局部垫板和摇摆部位的钢板箍能够有效防止混凝土局压破坏。建议设计时增加剪力销来防止桥墩出现大滑移，同时需要附加抗扭限位构造防止桥墩出现扭转。

图8 试验滞回曲线Fig.8 Hysteresis curve of the test

图9 各加载级别的残余位移Fig.9 Residual displacements at each load level

图10 等效粘滞阻尼比Fig.10 Specimen equivalent damping ratio

4 无支座自复位桥梁实桥应用

4.1 桥梁概况

2016年在京台高速黄徐路分离式立交跨线桥中实施了无支座自复位桥梁的建设，黄徐路分离式立交跨线桥居于京山铁路北侧，在京台主线桩号ZK18＋165.197处上跨京台高速公路。黄徐路道路线位与铁路大致平行，与京台主线斜交，斜交角118.9°。该桥为跨径2×40m的连续梁桥，全长87.2m。桥梁宽度为16m，桥墩为1.4m×1.6m矩形断面的双柱式墩，墩高为6.8m。黄徐路桥型如图11所示。

4.2 黄徐路桥设计要求

1.设计标准

（1）荷载标准：公路－I级

（2）抗震标准：地震基本烈度为8度，设计按8度设计，按9度采取抗震措施。

2.设防目标

黄徐路桥采用基于性能的抗震设计方法。桥梁抗震设防目标如下：

图11 黄徐路桥立面示意Fig.11 Elevation of the Huang-xu Road overpass

（1）E1地震作用下：不受损伤或不需修复可继续使用。

（2）E2地震作用下：仅发生轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用。

3.抗震性能目标

（1）E1地震作用下：容许摇摆界面消压；耗能装置最大应力小于材料屈服强度；墩柱无粘结预应力筋的应力应满足现行桥梁设计规范的设计要求；桥梁能够自复位，无残余位移。

（2）E2地震作用下：容许摇摆界面消压；耗能装置不发生断裂破坏；无粘结预应力筋不发生屈服；桥梁能够自复位，且残余位移小于墩柱倾斜率的1%；墩柱局部不出现压溃破坏；无支座自复位桥墩不发生稳定性破坏。设计自复位桥墩E2作用下的最大水平位移小于耗能装置断裂时的极限位移。

4.3 黄徐路桥设计概况

黄徐路桥设计施工的重点和难点为无支座自复位桥墩。与正常桥梁计相比，无支座自复位桥梁主要体现在取消原中墩墩柱柱顶支座，并将原中墩由与承台固结的钢筋混凝土墩柱变为自复位预应力混凝土墩柱；边墩桥台、桩基和主梁构造均按照常规桥梁设计。其墩柱构造不同于传统钢筋混凝土墩柱，且构成部件较为复杂，需要根据其受力特点对中墩墩柱、承台、桩基施工进行专门的设计。

1.混凝土墩柱设计

自复位桥墩在柱底弯矩较大时，会在柱底和柱顶张开微小缝隙释放部分弯矩，在地震力来临时不用考虑塑性铰屈服后的延性问题，因此墩柱整体配筋率和配箍率较原墩柱有较大降低。在墩底预留空间设置耗能钢板，墩底截面尺寸较常规墩柱设计向内缩进。墩柱摇摆过程中，往往截面受压区高度降低，在主梁中横梁梁底、承台顶和墩柱顶底部均产生较大局部压应力，因此对上述4个部位采取了构造措施进行局压设计。另外墩柱本身抗扭变形能力不足，增设了抗扭限位钢板，满足墩柱抗扭设计要求。此外，在承台下方设置后期检查、更换和监测维护通道（图1所示检修井）。为保证桩基础的受力，在计算单桩承载力时，检修井范围内的桩基不考虑该部分侧摩阻影响。同时桩基配筋进行了相应的核算，即使在高桩承台情况下桩基配筋也能满足受力要求。

2.耗能装置设计

为使耗能装置达到设计要求，需满足以下几点：

（1）先屈服性。耗能装置作为主要耗能构件，在设计过程中需保证其先于墩柱和承台预埋主筋屈服，并将墩柱和承台预埋主筋作为能力保护构件进行设计。

（2）稳定性。地震来临时需要耗能装置进行屈服变形滞回耗能，在滞回过程中既得保证钢板有一定的侧向空间来保证滞回过程中的横向变形，又保证钢板不会出现失稳破坏。

（3）可更换性。耗能装置在地震作用后，需考虑对发生屈曲的耗能装置进行更换。

（4）耗能装置在初始安装状态下应保持零应力状态。

（5）耗能装置具有耐久性。具体实施措施为：首先在耗能钢板表面镀锌处理，然后在安装完成后，在此处浇筑C25低强度混凝土封闭。

耗能装置采用插口连接组合式钢板耗能器，如图12所示，解决了墩柱变形造成的安装误差影响，耗能器完全入位，安装效果良好，保证了后期受力性能。

图12 黄徐路桥钢板耗能器安装Fig.12 Installation of steel plate energy dissipator on Huang-xu Road overpass

3.预应力设计

结合之前国内部分自复位桥墩试验案例，对于自复位体系，在拟静力推覆试验过程中，往往无粘结预应力钢束会产生一定程度的预应力损失。通过对比自复位桥墩摇摆过程中无粘结预应力钢束的应力幅值可知，在没有强震作用下，引起预应力损失的主要原因是夹片锚的夹片松驰。因此本桥的无粘结预应力体系选择应用挤压索和配套锚具，同时要求锚具具备补张拉能力，在检测发现预应力出现松弛后考虑进行补张拉。

无支座自复位桥梁抗震技术在京台高速公路（北京段）工程黄徐路桥中的首次成功应用，开创了无支座自复位桥梁应用先例，为无支座自复位桥梁抗震技术的推广应用提供了设计标准和理论基础，验证了无支座自复位桥梁结构体系的可实施性，积累了设计与施工技术和经验。

5 结论

1.本文研发了一种无支座自复位桥梁结构体系并阐明了这种新型桥梁结构体系的结构构成及其抗震作用机理；给出了承载能力极限状态、正常使用极限状态下的设计要求与对应的抗震设防目标及性能目标；

2.拟静力试验表明，无支座自复位桥梁结构承载力高，安全可靠，抗震性能优良，同时具有良好的自复位性能和耗能减震能力，且具有较小的震后残余位移。强震后桥梁损伤可控，减少震后维护工程，可快速恢复使用功能，有效保护桥梁主体结构安全，可实现不中断桥上交通进行维护作业，保证了救灾生命通道和灾后重建物资运输的畅通。

3.无支座自复位桥梁目前在国内外均处于技术研发阶段，工程应用实例不多。为进一步实现无支座自复位桥梁抗震技术的推广应用，还需要对该自复位桥梁结构体系进行进一步的发展完善，编制相关设计施工规范、对相关的附属设施进行优化设计等。