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新型保险丝桥墩地震损伤控制研究 0 结构体系的构造技术研究 1973年美国圣费尔南多地震导致的桥梁坍塌，意识到桥梁应该按照强调强度和伸长率的双重抗疲劳防滑标准设计。然而, 设计的具有高延性能力的桥梁结构 (如桥墩) 遭受极端地震后, 尽管不会倒塌, 但会产生较大的残余位移和地震损伤, 需花高昂的费用修复甚至重建。鉴于此, Tilby［１］开发了一种可摇摆并具备自复位能力的桥墩, 它可有效减小震后残余位移;Vargas等［２］提出了一种抗震设计新理念———结构“保险丝”概念, 即在结构中引入易于震后修复或更换的“保险丝”构件, 通过它耗散地震输入能来确保结构主要构件处于弹性状态或只发生轻微损伤。Tang等［３－４］则提出了可更换结构构件的抗震设计新思想, 以次要或附加构件作为牺牲耗能构件, 通过其稳定而有效的耗能来控制主要构件的损伤, 且牺牲耗能构件易于震后修复或更换。在此基础上, 吕西林等［５］提出了可恢复功能结构的抗震设计新概念, 即震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构。甚至有学者提出了可恢复功能城市的概念和研究方向［６］。其实这些概念可追溯至20世纪70年代末Roeder等［７］研究的偏心支撑框架概念。Wada等［８］基于此概念定义了由结构和附加耗能构件组成的损伤控制结构体系, 随后这种体系得到进一步发展［９］。为改善剪力墙之间连梁的抗震性能, Fortney等［１０］提出了可更换的带“保险丝”的钢连梁。Vargas等［１１－１３］根据提出的简化方法设计了附加不同“保险丝”构件的常规框架结构, 并进行了试验验证。随着研究的不断深入, 附加“保险丝”构件的损伤控制概念逐渐在大跨度桥梁设计中得以实施, 如旧金山-奥克兰海湾桥［３］和希腊里约-安蒂里奥 (Rion-Antirion) 桥［１４］。Mcdaniel等［１５］研究了旧金山-奥克兰海湾桥剪切型塑性钢链杆对主塔地震响应的影响。最近, El-Bahey等［１６－１７］采用试验和数值方法分析了不同“保险丝”构件对双柱式桥墩的影响。结构“保险丝”概念已受到广泛关注, 且正值发展, 但研究大多集中于建筑结构, 在桥梁结构尤其是在超大跨缆索桥梁结构中的研究与应用仍很少。 随着现代建筑技术的进步, 桥梁跨度越来越大, 中国已建成数座超千米级缆索承重桥梁, 还有多处宏伟的越江跨海桥梁工程正在进行规划或工程可行性研究［１８］, 这其中便有一些工程位于强震区。斜拉桥是一种具有很强竞争力的大跨度桥型, 但由于其基频较低, 在强震下可能会产生较大的位移响应, 导致主塔等构件的损伤破坏。主塔作为斜拉桥的主要承重构件, 通常在抗震设计时应避免遭受严重损伤, 因此需采取消能减振措施减缓其地震损伤或改变其破坏模式以防止倒塌。近年来, 消能减振措施的研究与应用得到了长足发展［１９－２０］, 如在斜拉桥塔-梁间设置耗能装置的减震效果非常明显［２１－２２］。尽管地震损伤控制新概念在大跨度桥梁工程中已有研究和应用［３，１４］, 但仍显不足;笔者前期研究了以辅助墩作为牺牲耗能构件来保护斜拉桥主塔地震损伤的控制结构新体系［２３］, 但未涉及辅助墩的详细设计及试验。本文结合附有“保险丝”构件的桥墩试验结果, 且仅在纵向地震激励下, 继续研究和完善所提出的地震损伤控制结构新体系。 本文首先基于结构“保险丝”概念设计了耗能型桥墩, 并采用试验和数值方法研究其抗震性能及耗能能力, 验证桥墩纤维模型及其等效模型的适用性;然后将试验桥墩原型应用于一座试设计的超大跨斜拉桥纵向地震损伤控制分析中, 采用弹塑性分析方法并引入地震损伤指标评价其对桥梁地震损伤的控制效果, 进一步验证所提出的以耗能型辅助墩作为牺牲构件来控制主塔地震损伤的有效性和可行性, 并探讨附加“保险丝”构件对桥墩的耗能与保护作用, 验证“保险丝”概念在桥墩抗震中的适用性和有效性。 1 基于结构的“保护丝”概念的基本理论及其设计方法 1.1 弹性刚度与位移响应 在荷载作用下, 将附有 “保险丝”构件的结构体系简化成单自由度 (Single Degree of Freedom, SD-OF) 整体结构, 其理想力学模型可用集中质量和双线性弹簧模拟, 固有粘滞阻尼可用线性阻尼器模拟。图1为SDOF整体结构的推倒曲线。其由2个理想弹塑性弹簧模型并联组成, 其初始弹性刚度Kl等于结构的弹性刚度Kf和“保险丝”构件的弹性刚度Ka之和, 第2刚度等于结构的弹性刚度Kf。图1中:Vyl, Vp分别为整体结构的屈服强度和承载能力;Vyf, Δyf分别为结构的屈服强度和屈服位移;Vya, Δya分别为“保险丝”构件的屈服强度和屈服位移;V为整体结构的剪力响应;Δdf为整体结构极限位移。 结构“保险丝”概念要求“保险丝”构件的屈服位移Δｙａ小于结构的屈服位移 Δｙｆ。因此