外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩抗震性能分析与研究

王中强 贺琪

摘 要：【目的】为了提高自复位桥墩的抗震性能，本研究在传统自复位桥墩的基础上，更改接头组件的连接方式，并在桥墩外部设置可更换的扇形铅黏弹性阻尼器，提出外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩。【方法】采用数值模拟方法，分别建立传统自复位桥墩、嵌入式自复位桥墩和外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩。在验证传统自复位桥墩模拟方法可行性的基础上，分别对嵌入式自复位桥墩和外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩进行低周循环加载，研究二者的抗震性能。【結果】结果表明：将平齐接头更改为嵌入式接头有利于提高自复位桥墩的承载力和耗能能力，提供更为可靠的传剪机制。【结论】将扇形铅黏弹性阻尼器设置在嵌入式自复位桥墩两侧，累计耗能较传统自复位桥墩有显著提高，抗震性能优越，对自复位桥墩实现“韧性抗震”设计具有一定借鉴意义。

关键词：自复位桥墩；扇形铅黏弹性阻尼器；数值模拟；抗震性能

中图分类号：TU311.3                     文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）06-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.011

Seismic Performance Analysis and Research of Self-Resetting Pier with External Sector Lead Viscoelastic Dampers

WANG Zhongqiang HE Qi

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the seismic performance of self-resetting piers， this study based on the traditional self-resetting piers， changes the connection method of the joint assembly， installs replaceable sector lead viscoelastic dampers on the outside of the piers， and proposed external sector lead viscoelastic dampers for self-resetting piers. [Methods] Using numerical simulation methods， conventional self-resetting piers， embedded self-resetting piers and self-resetting piers with external sector lead viscoelastic dampers were established.On the basis of verifying the feasibility of the conventional self-resetting piers simulation method， the seismic performance of both were studied by low circumferential cyclic loading respectively. [Findings] The results show that：changing flush joints to embedded joints is conducive to improving the load carrying capacity and energy dissipation capacity of self-resetting piers and providing a more reliable shear transfer mechanism. [Conclusions] After setting the sector lead viscoelastic dampers outside the embedded self-resetting piers， the cumulative energy dissipation is significantly improved compared with the traditional self-resetting piers， which gives superior seismic performance and has some reference value to the design of self-resetting piers to achieve "toughness and seismic resistance".

Keywords： self-resetting pier; sector lead viscoelastic damper; numerical simulation; seismic performance

0 引言

自复位桥墩结构通过预制拼装技术，将无黏结预应力钢筋与耗能钢筋有效结合成整体受力构件，其中耗能钢筋作为耗能装置耗散地震能量，通过无黏结预应力钢筋实现结构自复位的目的，大幅度提升了结构的抗震性能。

彭放［1］介绍了新型预应力装配式桥墩在实际工程中的应用，该技术对缩短工期、加快施工进度有着较大促进作用。叶列平［2］总结了自复位结构的研究现状，通过算例证明只要增大预应力钢筋混凝土的耗能能力，合理利用自复位结构，其抗震性能就有可能优于普通钢筋混凝土结构。王军文等［3］通过对预制拼装桥墩的试验证明，无黏结预应力筋可有效降低结构的残余位移。

受上述研究的启发，在“多种耗能机制共同作用”理念的指导下，提出了一种新型的自复位桥墩，采用了外置扇形铅黏弹性阻尼器的形式。

1 新型自复位桥墩构造与工作原理

1.1 外置扇形鉛黏弹性阻尼器的自复位桥墩构造

本研究提出的外置扇形铅黏弹性阻尼器的新型自复位桥墩主要由承重组件、自复位组件、耗能组件和接头组件组成，如图1所示。

1.2 嵌入式接头构造与工作原理

传统自复位桥墩常采用平齐式接头通过放松墩柱和承台间的约束使得接缝处发生“闭合、提离”来摇摆耗散地震能量。外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩则采用嵌入式接头，墩柱凸起部分与承台凹陷部分紧密嵌合成一个整体，凸起部分可有效传递剪力，减小墩柱和承台之间的滑移，从而保护无黏结预应力钢筋在受力摇摆状态下不被破坏。

1.3 扇形铅黏弹性阻尼器基本构造与工作原理

对称布置于桥墩柱脚处的扇形铅黏弹性阻尼器，其构造形式如图2所示。

当阻尼器受力时，黏弹性材料发生剪切变形以及预留孔洞内的铅芯受到挤压发生屈服而起到耗散能量的作用。外置的耗能阻尼器与内置的耗能钢筋形成了双重耗能机制。

2 新型自复位桥墩有限元数值模型

2.1 模型参数与单元类型

首先建立传统自复位桥墩（M1），将其数值模拟结果与文献［5］中的试验结果作对比，验证数值模型的可靠性；其次建立嵌入式自复位桥墩（M2），研究接头组件对自复位桥墩抗震性能的影响；最后将扇形铅黏弹性阻尼器设置在嵌入式自复位桥墩两侧，形成外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩（M3），并研究其抗震性能。

嵌入式自复位桥墩配筋如图3所示。预应力筋采用1860级钢绞线，每根预应力筋采用降温法施加80 kN的初始预应力，膨胀系数设为1.2×10-5 ℃-1。扇形铅黏弹性阻尼器主要设计参数如表1所示，约束钢板和剪切钢板定义为解析钢体，而薄壁钢板为线弹性材料；黏弹性材料为天然橡胶，采用C3D8H六面体杂交单元，定义为超弹性材料，橡胶力学性能常数，具体参数如表2所示［6］。弹性模量为1.24 MPa，泊松比为0.499 7；铅芯为理想弹塑性本构模型，屈服应力为10.5 MPa，弹性模量为1.646×104 MPa，泊松比为0.642。

2.2 边界条件与加载制度

墩柱底部与承台接触表面设置为表面与表面接触，切向方向的罚摩擦系数为0.1，法向方向采用硬接触，且区域制定容差均为0.01；采用降温法对预应力钢筋施加预应力，每根预应力钢筋的初始张拉力设置为80 kN；耗能钢筋的无黏结段为100 mm，其余部分内置于结构中。

扇形铅黏弹性阻尼器中的铅芯与复合材料接触部位均设置为表面与表面接触，切向方向的罚摩擦系数为0.5，在此法向采用硬接触。通过对桥墩进行分级加载，第一级为5 mm，第二级为10 mm，第三级为15 mm，以此类推，每级增幅为5 mm，最大加载为50 mm，每级循环往复3次，观察其变化情况。

2.3 ABAQUS数值模型验证

参照文献［5］建立传统自复位桥墩数值模型，通过同等条件的循环往复加载，得到传统自复位桥墩M1的滞回曲线如图4所示，通过对比文献［5］中试验数据，M1的滞回曲线与试验结果基本吻合。

3 计算结果与分析

3.1 滞回曲线对比

由图5可知：①相较于传统自复位桥墩M1，更改接头组件的嵌入式自复位桥墩M2的滞回曲线大致呈弓形，预应力筋效果良好，具有捏缩效应。②外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩M3相较于M2，其滞回曲线呈饱满梭形，说明外置扇形铅黏弹性阻尼器提高了自复位桥墩整体的塑性变形能力。③对比M1，自复位桥墩M2与M3的残余位移呈递增趋势，其中M3受外置扇形铅黏弹性阻尼器的影响尤为明显，但仍满足规定［7］。

3.2 骨架曲线对比

根据模拟结果，将各级位移加载下的荷载极值点依次相连可获得其对应的骨架曲线，如图6所示。可见，传统自复位桥墩M1与嵌入式自复位桥墩M2的骨架曲线较为接近，而M3的骨架曲线斜率较大；当位移加载到5 mm时，骨架出现拐点，随着加载位移继续增加，M3提升幅度最为明显，表明扇形铅黏弹性阻尼器可有效提升自复位桥墩的承载能力。

3.3 耗能能力分析

自复位桥墩M1～M3在各级幅值加载下的累积耗能对比情况如图8所示，嵌入式自复位桥墩M2的最大累计耗能值为238.22 kJ，而传统自复位桥墩M1的最大累计耗能值为155.97 kJ；外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩M3的最大累计耗能值426.22 kJ，相较M2提升78.9%。说明嵌入式自复位桥墩M2的耗能能力强于传统自复位桥墩M1，而外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩M3的耗能性能优于嵌入式自复位桥墩M2。

4 结 论

通过数值模拟得到滞回曲线、骨架曲线及耗能曲线并进行研究，可以得到以下结论。

①嵌入式自复位桥墩的滞回曲线相较于传统自复位桥墩更为饱满，骨架曲线斜率也更大，说明嵌入式自复位桥墩的自复位能力、承载力和耗能能力优于传统自复位桥墩，在地震作用下表现出良好的抗震性能，且提供了更为可靠的传剪机制。

②在自复位桥墩外侧设置扇形铅黏弹性阻尼器，可以提高自复位桥墩的自复位能力、承载力和耗能能力，在地震作用下通过扇形铅黏弹性阻尼器的复合黏弹性耗散地震能量，从而减小地震对自复位桥墩本身结构的破坏，使桥墩整体表现出更好的抗震能力。

③将扇形铅黏弹性阻尼器设置在桥墩外部，损坏后易更换，对自复位桥墩实现“韧性抗震”设计具有一定借鉴意义。

参考文献：

［1］彭放.新型预应力装配式桥墩在新澳氹大桥中的应用［C］//高效预应力混凝土工程实践.北京：中国建筑工业出版社，1993：5.

［2］叶列平，林旭川，汪训流.预应力混凝土结构的自复位性能与抗震性能［C］//中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会.“发展绿色技术，建设节约结构”：第十四届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文集.［出版者不详］，2007：353-358.

［3］王军文，张伟光，艾庆华.PC与RC空心墩抗震性能试验对比［J］.中国公路学报，2015，28（4）：76-85.

［4］郭佳，辛克贵，何铭华，等.自复位桥梁墩柱结构抗震性能试验研究与分析［J］.工程力学，2012，29（S1）：29-34，45.

［5］徐昕.新型扇形铅黏弹性阻尼器性能及应用研究［D］.广州：广州大学，2012.

［6］Japan Road Association（JRA）.Design specifications of highway bridges： seisimic design：JRA—2012［S］. Tokyo：Japan Association，2012.