采用SMA拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析

第３６卷，第４期
２０２０年１０月
世　界　地　震　工　程ＷＯＲＬＤＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．３６，Ｎｏ．４
Ｏｃｔ．２０２０
收稿日期：２０２０－０６－０８；　修订日期：２０２０－０６－３０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１７７８４５６，５１９７８５１３）
作者简介：张哲熹（１９９７－），男，硕士研究生，主要从事形状记忆合金材料与结构方面的研究．Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｅｈｅｅ＿ｚｈａｎｇ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 通讯作者：方　成（１９８５－），男，副教授，博士，主要从事韧性结构体系方面的研究．Ｅ ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｆａｎｇ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
文章编号：１００７－６０６９（２０２０）０４－０１３８－０９
采用ＳＭＡ拉索的摇摆自复位桥墩
试验研究与动力分析
张哲熹２，梁　栋２，方　成１，２，郑　越１
，２
（１．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海２０００９２；２．同济大学建筑工程系，上海２０００９２）
摘　要：为了提升桥梁结构的抗震韧性，提出了一种采用超弹性形状记忆合金（ＳＭＡ）拉索的摇摆自复位桥墩。

首先对单根Ｓ
ＭＡ拉索进行变幅循环拉伸试验，随后以ＳＭＡ拉索的预张拉应力为试验参数，针对新型桥墩开展缩尺模型试验，详细考察了试件的力学行为与损伤模式，讨论了桥墩的滞回曲线和复位能力；提出了新型桥墩的初步设计建议，并利用ＯｐｅｎＳｅｅｓ进行非线性时程分析验证。

研究表明：得益于摇摆机制以及ＳＭＡ拉索良好的可恢复变形性能，桥墩试件在４％滑移率内几乎不产生损伤；与传统梁桥相比，采用ＳＭＡ拉索桥墩的新型梁桥可有效降低结构残余变形以及桥墩本身的损伤。

虽然最大变形有所放大，但仍处在可控范围。

关键词：摇摆桥墩；自复位；形状记忆合金；抗震韧性；非线性时程分析中图分类号：Ｕ４３３．２２ 文献标识码：Ａ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｎｓｅｌｆ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇｒｏｃｋｉｎｇｐｉｅｒｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈ
ｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ（ＳＭＡ）ｃａｂｌｅｓ
ＺＨＡＮＧＺｈｅｘｉ２，ＬＩＡＮＧＤｏｎｇ２，ＦＡＮＧＣｈｅｎｇ１，２，ＺＨＥＮＧＹｕｅ
１，２
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＤｉｓａｓｔｅｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｗＳＭＡ ｃａｂｌｅ ｂａｓｅｄｓｅｌｆ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇｒｏｃｋｉｎｇｐｉｅｒ（ＳＭＡ ＳＣＲｐｉｅｒ）．ＴｈｅｓｔｕｄｙｃｏｍｍｅｎｃｅｓｗｉｔｈｃｙｃｌｉｃｔｅｓｔｓｏｎｉｎｄｉｖｉｄｕａｌＳＭＡｃａｂｌｅｓ．Ｓｕｂｓｅ ｑｕｅｎｔｌｙ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｔｅｓｔｓｏｎｐｒｏｏｆ ｏｆ ｃｏｎｃｅｐｔＳＭＡ ＳＣＲｐｉｅｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｃａｂｌｅｐｒｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｖａｒｙｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｄａｍａｇｅｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎａｒｅｅｘａｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｎｄｓｅｌｆ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｓｏｍｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｎｅｗｐｉｅｒｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄａｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｉｓｔｈｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｅｒ．Ｉｔｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｔｕｄｙｔｈａｔｔｈｅｐｉｅｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓｈｏｗｓａｌｍｏｓｔｎｏｄａｍａｇｅｕｎｄｅｒ４％ｄｒｉｆｔ，ｔｈａｎｋｓｔｏｔｈｅａｌｌｏｗｅｄｒｏｃｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｇｏｏｄｒｅｃｏｖｅｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＳＭＡｃａｂｌｅｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｐｉｅｒｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｎｅｗｂｒｉｄｇｅａｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｍｉｔｉｇａｔｅｄ．Ｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓａｍｐｌｉｆｉｅｄ
，ｔｈｅｖａｌｕｅｉｓｓｔｉｌｌｗｉｔｈｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｒａｎｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋｉｎｇｐｉｅｒ；ｓｅｌｆ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ；ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ；ｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓ
第４期张哲熹，等：采用ＳＭＡ拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析引言
桥梁是生命线工程的重要组成部分，在灾后救援中发挥着重要作用。

在强震作用下桥梁结构可发生严
重破坏甚至倒塌，桥梁损坏主要表现为桥墩的损坏、碰梁、落梁和支座损坏［１］。

现行《公路桥梁抗震设计细则》（ＪＴＧ／ＴＢ０２－０１－２００８）［２］采用延性设计方法，虽然能保证有效的变形和耗能能力，但桥墩会产生较难
修复甚至无法修复的永久性损伤，且受损桥梁的维修或更换工作所造成的社会影响和经济损失更是难以预估。

因此，基于性能的抗震设计理念应运而生，与之相关的新技术也被应用到桥梁结构的抗震设计中。

其
中，摇摆－自复位（ＳＣＲ）结构被认为是有效解决震后关键构件永久损伤的方案之一。

Ｍａｎｄｅｒ等［３］
开展了低损伤摇摆桥墩的首批试验研究，为后续相关工作奠定了基础；Ｐａｌｅｒｍｏ等［４］
对运用无黏结预应力技术和内置耗能钢筋的ＳＣＲ桥墩进行了试验，证实了ＳＣＲ桥墩在延性和残余位移控制方面的优越性；Ｒａｈｍｚａｄｅｈ等［
５］提出一种由钢管柱、预应力筋和消能装置组成的新型ＳＣＲ桥墩，重点研究了摇摆界面附近钢管壁的应力集中和局部屈曲行为。

与传统固定基础的桥墩相比，ＳＣＲ桥墩允许在地震作用下发生抬升，摇摆界面间隙的开合为桥墩提供可恢复变形能力，可显著降低桥墩的不可逆损伤和残余变形。

无黏结后张拉预应力筋常用于ＳＣＲ桥墩中以实现桥墩的自复位。

内置或外置的消能装置也被应用在此类结构中。

但需要注意的是：大震作用下预应力损失或预应力筋屈服都会明显影响Ｓ
ＣＲ桥墩的自复位性能，且震后耗能装置的更换也会增加桥梁在余震作用下倒塌的风险。

另外，滨海桥梁中关键复位和耗能构件的腐蚀问题也需要特别考虑。

形状记忆合金（ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ，ＳＭＡ）具有超弹性和形状记忆效应，是极具工程应用价值的新兴减震材料。

其中：超弹性特性发生于Ｓ
ＭＡ奥氏体相，由于可逆马氏体相变行为，在室温下可提供高达８％～１０％的可恢复应变［６］。

超弹性ＳＭＡ具有抗疲劳能力强、抗腐蚀能力强（与不锈钢类似）、耗能稳定和无需外
界热量输入等优点，是减震应用的理想材料。

超弹性ＳＭＡ通常被制成诸如拉索、螺杆、环形弹簧和弹簧垫圈
等类型的功能元件［
７－８］，在减震方面的有效性已经被许多研究证实［９－１０］。

其中：ＳＭＡ拉索性能稳定、延性好、加工方式与普通拉索一致、无需额外热处理，具有很大的工程应用潜力。

该研究提出一种采用Ｓ
ＭＡ拉索的ＳＣＲ桥墩（简称为“ＳＭＡ ＳＣＲ”桥墩），首先对单根ＳＭＡ拉索进行循环拉伸试验，随后介绍了桥墩的基本工作机理与力学性能，并对ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩进行１∶４缩尺构件验证试验。

根据试验结果，给出了初步设计建议，最后通过体系分析进一步明确了该类桥梁的动力特性。

１　ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩设计及工作机理
１．１　桥墩结构设计
如图１所示，ＳＭＡ拉索在预张拉后为桥墩提供初始消压刚度与恢复力，同时提供一定的耗能能力，在震后一般无需更换。

因此，与现有ＳＣＲ桥墩不同的是：ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩并不需要使用贯穿整个桥墩高度的预应力筋来提供自复位能力，这样不仅简化了施工过程，降低了桥墩的整体轴压比，而且方便检查。

ＳＭＡ拉索的超弹性也降低了预应力筋因屈服或应力松弛而导致的自复位能力丧失的风险。

此外，ＳＭＡ还具有优异的耐腐蚀与抗疲劳性能。

１．２　桥墩工作机理
借助锚具对ＳＭＡ拉索进行预张拉后，扩展基础混凝土受到均匀预压应力。

从对墩柱施加侧向力开始直至桥墩失效，整个过程可划分为“消压前弹性阶段”和“消压后抬升阶段”。

各受力阶段的力学性能如图１所示。

其中：ＳＭＡ拉索伸长量ΔＳＭＡ＝θＰ（ｄ－ｌｃ）；θＰ为摇摆界面张开角度；ｄ为受拉侧ＳＭＡ拉索到受压侧边缘的距离；ｌｃ
为受压区混凝土长度。

施加侧向力前，混凝土压应变均匀分布如图２（ａ）所示。

“消压前弹性阶段”包括从施加侧向力开始直至摇摆界面即将产生间隙，该阶段扩展基础有绕受压侧边缘转动抬升的趋势（但并未抬升），受拉侧混凝土的接触应力得到部分释放，摇摆界面混凝土应变呈非均匀分布状态；桥墩的弹性变形表现出类似于固定基础桥墩的行为。

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世　界　地　震　工　程第３６
卷
图１　ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩的力学性能分析 图２　力的分解和截面应变图
　Ｆｉｇ．１　ＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＳＭＡ ＳＣＲｐｉｅｒｕｎｄｅｒａｌｏａｄｉｎｇｃｙｃｌｅ Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
摇摆界面即将产生间隙时，“消压后抬升阶段”即将开始，两个阶段之间的临界状态可称为“临界消压点”，受拉最外侧混凝土边缘完全卸压，摇摆界面混凝土应变呈三角形分布如图２（ｂ）所示。

将扩展基础边缘点“ｃ”作为旋转参考点，则侧向力ＦＬ
可表示为：ＦＬｈ＝∑ＦＳ１－ｐｒｅｌＳ１＋∑ＦＳ２－ｐｒｅｌＳ２－Ｆｃｌｃ＋ＦＧｌＧ（１）Ｆｃ＝∑ＦＳ１－ｐｒｅ＋∑ＦＳ２－ｐｒｅ＋ＦＧ＝０．５εｃ１Ｅｃ
Ａ（２）
式中：ＦＧ为盖梁传递到桥墩上的重力荷载；ＦＳ ｐｒｅ为ＳＭＡ拉索的预张拉应力；Ｆｃ为扩展基础混凝土反力；ｈ为侧向力作用点到摇摆界面的垂直距离；ｌＳ１、ｌＳ２、ｌＧ和ｌｃ分别为各力（或合力）与旋转参考点之间的距离；εｃ１为受压侧边缘混凝土的压应变；Ｅｃ为混凝土弹性模量；Ａ为扩展基础底面积；∑表示扩展基础受拉或受压侧ＳＭＡ拉索预张拉力的总和。

在“消压后抬升阶段”，ＳＭＡ拉索被进一步拉紧，摇摆界面产生间隙。

此时混凝土应变在旋转参考点附近呈非线性分布。

当受压侧混凝土发生局部破坏时，受压区的应变分布可假定为线性分布如图２（ｃ）所
示［１１］，因此力的平衡可以表示为：
ＦＬｈ＝∑２
ｉ＝１
（ＦＳｉ－ｐｒｅ＋ΔＦＳｉ）ｌＳｉ－Ｆｃｌｃ＋ＦＧｌＧ
（３）Ｆｃ＝εｃ２Ｅｃｂｌｃｃ
（４）Ｆｃ＝∑２
ｉ＝１
（ＦＳｉ－ｐｒｅ＋ΔＦＳｉ）＋ＦＧ
（５）
式中：ΔＦＳ为ＳＭＡ拉索由于进一步拉伸引起的力的增量；ｂ为扩展基础的宽度；εｃ２
为“消压后抬升阶段”受压区混凝土的等效线性应变；ｌｃｃ
为“消压后抬升阶段”受压侧混凝土的等效受压区长度。

２　ＳＭＡ拉索试验
２．１　ＳＭＡ拉索试件及加载方案
如图３所示，设计并加工了构造为“７×７×１．２”的ＳＭＡ拉索。

“７×７×１．２”表示每根拉索由７股ＳＭＡ绞线组成，每股绞线由７根公称直径为１．２ｍｍ的ＳＭＡ丝材捻制而成。

单根ＳＭＡ拉索试件的总长度约２８４ｍｍ，自由段长度为１６４ｍｍ，剩余的为端部固定段。

ＳＭＡ绞线的端部经熔切后牢固地嵌入端部固定杆中，以防止散开，并保证充分的端部抗滑移性能。

端部固定杆表面经过螺纹处理，以便后续安装。

０４１
第４期张哲熹，等：采用ＳＭＡ拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析使用２５ｔＭＴＳ万能试验机对ＳＭＡ拉索试样分别进行单调拉伸试验和变幅循环拉伸试验。

单调拉伸试验采用应变控制加载，达到２０％应变后卸载；变幅循环拉伸试验应变幅值从１％开始直至１０％，增量间隔为１％，每个应变水平重复两次。

ＳＭＡ拉索的平均应力可通过拉索力除以截面积（即所有单丝面积之和）得到。

ＳＭＡ拉索总应变ε０＝ΔＬ／Ｌｆ，其中：ΔＬ为ＭＴＳ万能试验机记录的轴向伸长量，Ｌｆ为ＳＭＡ拉索试件的自由段长度（即１６４ｍｍ）。

２．２　试验结果分析
试验的应力－应变曲线如图４所示。

可以看出：拉索试件呈现出“旗帜形”滞回曲线。

在１０％最大应变之内滞回性能基本稳定，可产生少量的残余应变和一定的加载路径退化。

退化的原因可能是Ｓ
ＭＡ拉索的松弛和功能疲劳［５］
，但二者对加载路径退化的贡献率难以确定。

在实际工程应用中可采用适当的预训练以减
少退化效应。

当最大应变达２０％时，ＳＭＡ拉索仍然可以拥有明显的恢复能力，
但残余应变较为明显。

图３　ＳＭＡ拉索试件尺寸（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．３　ＳＭＡｃａｂｌｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ（ｕｎｉｔ：ｍｍ）
图４　单调及循环拉伸试验下ＳＭＡ拉索的力学性能
Ｆｉｇ．４　ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＳＭＡｃａｂｌｅｕｎｄｅｒｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｍｏｎｏｔｏｎｉｃｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｓ
３　ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩试验
３．１　试件及试验装置设计
为了对ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩的可行性进行验证，设计了１∶４缩尺模型，详细尺寸如图５所示。

桥墩试件为整体浇筑钢筋混凝土构件，由墩头、墩身和扩展基础三部分组成；扩展基础预留４个ＰＶＣ管道，供４根“７×７×１．２”的ＳＭＡ拉索通过；拉索的一端固定在地基中，另一端通过预留孔道在扩展基础的上表面被有效锚固。

ＳＭＡ拉索固定端长度为６０ｍｍ，中间自由段长度为６８０ｍｍ。

所采用混凝土２８天平均抗压强度为３９ＭＰａ。

纵筋采用直径１６ｍｍ的ＨＲＢ４００级钢筋，均匀环绕布置在墩身周围，纵筋配筋率为３
．４％；箍筋间距７５ｍｍ，直径１０ｍｍ。

桥墩试件的试验装置如图６所示。

用于引导桥墩试件单方向摇摆行为的“凹”字形钢筋混凝土基础通过锚杆紧密固定在地梁上。

在桥墩扩展基础边缘附近固定两块５ｍｍ厚的钢板，以防止摇摆界面出现过大滑移从而影响试验安全。

通过水平电液伺服作动器对墩头施加循环荷载。

除结构自重外，该验证性试验暂未考虑附加竖向荷载的影响。

１
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图５　桥墩试件尺寸（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．５　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｐｉｅｒｓｐｅｃｉｍｅｎ（ｕｎｉｔ：ｍｍ）
３．２　加载及量测方案
在同一缩尺桥墩构件上先后进行两次低周往复试验：ＳＭＡ拉索预拉力分别为２０ｋＮ和３０ｋＮ（拉索重复使用），试验分别标记为２ ＳＰ和３ ＳＰ。

通过手动千斤顶牵引ＳＭＡ拉索锚固端并由力传感器监测力的大小实现对Ｓ
ＭＡ拉索的预张拉。

采用位移控制施加水平荷载。

两次试验的位移加载幅值均从４ｍｍ（滑移率０．２５％）开始直至６４ｍｍ（滑移率４％），增量间隔为４ｍｍ，每个位移加载幅值重复两次。

使用一组位移计（ＬＶＤＴ）测量桥墩试件关键位置的位移。

在靠近塑性铰区的纵向钢筋上粘贴了６个应变片，以监测试验过程中可能发生的钢筋屈服。

ＬＶＤＴ及应变片的布置如图６
所示。

图６　试验装置图 图７　试验细节和摇摆间隙
Ｆｉｇ．６　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｅｓｔｓｅｔｕｐ Ｆｉｇ．７　Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎａｎｄｇａｐ ｏｐｅｎｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
３．３　试验现象
在循环荷载作用下，试件摇摆界面间隙反复张开和闭合如图７所示。

桥墩整体基本保持无损，仅在靠近主墩和扩展基础连接处发现轻微弯曲裂缝，在卸载后裂缝闭合。

还可观察到扩展基础下边缘附近的混凝土被局部压碎，这种破碎主要发生在加载开始的前几个周期。

这种局部损伤对桥墩整体滞回性能影响不大。

根据应变片读数，钢筋未发生屈服。

３．４　试验结果及分析
图８为试验２ ＳＰ和３ ＳＰ的荷载－墩顶滑移率滞回曲线。

在“消压前弹性阶段”曲线基本呈线性，墩顶位
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第４期张哲熹，等：采用ＳＭＡ拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析移主要由墩身的弹性变形以及摇摆界面可能的少量基础滑移引起。

在“消压后抬升阶段”，桥墩开始摇摆，摇摆界面产生明显间隙，曲线逐渐转入平台阶段。

试验２ ＳＰ和３ ＳＰ的“临界消压点”侧向力分别约为１７ｋＮ和２５ｋＮ，４％滑移率时侧向力分别为３０ｋＮ和４４ｋＮ，说明增加ＳＭＡ拉索的预张拉应力可提高对桥墩摆幅的
控制能力。

相比于试验２ ＳＰ，当３ ＳＰ的滑移率超过３％后，平台段呈上扬趋势，这是由于试验３ ＳＰ对ＳＭＡ拉索施加的初始预张拉应力更大，导致试验后期ＳＭＡ拉索开始进入“马氏体强化”甚至塑性变形阶段；若侧向力进一步增大，ＳＭＡ拉索可产生较为显著的残余变形。

移除侧向力后，桥墩无残余变形，但随着低周往复
试验的进行，滞回曲线出现一定程度的退化，其原因可能是ＳＭＡ拉索的松弛和功能疲劳［５］。

图９给出了两次试验的能量耗散计算结果。

结果表明：ＳＭＡ拉索能够为ＳＣＲ桥墩提供的一定的耗能能力，但总体而言耗能能力不大，可能需要添加如角钢、阻尼杆和粘滞阻尼器等耗能装置。

此外，两次试验的能量耗散计算结果差别不大，表明增加Ｓ
ＭＡ
拉索的预张拉应力对耗能性能没有显著影响。

图８　试验滞回曲线 图９　ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩的能量耗散曲线 Ｆｉｇ．８　Ｌｏａｄ ｄｒｉｆｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｆｉｇ．９　ＥｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳＭＡ ＳＣＲｐｉｅ
ｒ
图１０　ＯｐｅｎＳｅｅｓ［１２］
模型（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．１０　ＯｐｅｎＳｅｅｓｍｏｄｅｌｏｆＳＭＡ ＳＣＲｐｉｅｒｓｙｓｔｅｍ（ｕｎｉｔ：ｍｍ）
４　整体动力分析
４．１　桥墩设计准则
根据现行《公路桥梁抗震设计细则》（ＪＴＧ／ＴＢ０２－０１－２００８）［２］
，建议ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩设计遵循以下基本
３
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准则：在服务荷载（风以及刹车等荷载）作用下，新型ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩表现与传统固定桥墩一致。

在Ｅ１地震作用下，允许桥墩有少量抬升，ＳＭＡ拉索应变不应超过完全可恢复范围（一般为６％～８％），且桥墩保持在弹性范围内。

在Ｅ２地震作用下，不允许ＳＭＡ拉索进入“马氏体强化”后的塑性变形阶段，根据具体设计目标桥墩局部可允许发生一定的塑性损伤。

４．２　数值模拟分析
根据上述设计准则，采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ建立两跨（２０ｍ＋２０ｍ）ＲＣ连续梁桥非线性有限元模型（图１０）［１２］。

其中：一组ＲＣ连续梁桥跨中采用ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩，记为“新型梁桥”；另一组采用传统固定桥墩，记为“传统梁桥”。

桥台与中间桥墩分别采用滑动支座和固定支座与上部结构连接。

墩身采用考虑材料非线性的纤维单元模拟；墩顶和扩展基础由刚性梁单元模拟；摇摆界面采用零长度只受压不受拉弹簧单元模拟；采用单轴Ｍｅｎｅｇｏｔｔｏ Ｐｉｎｔｏ本构模型模拟钢筋：纵筋直径３２ｍｍ，屈服强度４４０ＭＰａ，箍筋直径１６ｍｍ，屈服强度３００ＭＰａ；采用单轴Ｋｅｎｔ Ｓｃｏｔｔ Ｐａｒｋ模型模拟约束和无约束混凝土（箱形梁采用Ｃ５０混凝土，其余构件采用
Ｃ４０混凝土）。

扩展基础四个角部各布置自由长度７００ｍｍ、截面面积１０５２ｍｍ２
（约等于７根标准７×１９×
１．２ＳＭＡ拉索）的ＳＭＡ拉索，并施加６９０．８ｋＮ的预紧力（对应５５０ＭＰａ预应力，３％预应变）。

ＳＭＡ拉索采用Ｓｅｌｆ Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ单元模型模拟（关键参数选取见图４）。

如图１１所示，Ｅ１和Ｅ２地震各选取７条地震动记录，沿桥梁纵向输入。

选取桥墩曲率延性系数、滑移率以及震后残余滑移率３个参数作为地震响应指标，同时记录ＳＭＡ拉索应变；表１和表２为非线性时程分析计算结果。

图１２－１３为３号Ｅ２地震动作用下传统和新型桥墩的荷载－滑移率曲线及弯矩－曲率延性系数曲线。

分析结果表明：在Ｅ１地震作用下，ＳＭＡ拉索的最大拉应变未超过５％；在Ｅ２地震作用下，ＳＭＡ拉索的平均总应变约为１０％，
均满足上述建议设计准则。

图１１　Ｅ１和Ｅ２地震反应谱
Ｆｉｇ．１１　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｐｅｃｔｒａａｎｄｓｅｌｅｃｔｅｄｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓ
从墩顶最大水平滑移率来看，在Ｅ１地震作用下新型梁桥与传统梁桥的响应相差不大，但在Ｅ２地震作用下新型梁桥的最大滑移率明显高于传统梁桥，表明前者由于耗能能力的降低会导致结构的变形增大。

但总体来说，新型梁桥的平均最大滑移率为２．１９％，仍然处于可控范围之内，桥墩失效的风险很低。

值得一提的是：滑移率的增加会增加滑动支座的变形需求，这一点需要在支座设计中有所考虑。

从残余滑移率来看：无论是Ｅ
１还是Ｅ２地震作用，新型梁桥相比于传统梁桥都具有更小的残余变形，这主要得益于摇摆机制下桥墩塑性铰区的损伤控制以及ＳＭＡ拉索良好的自复位性能。

从曲率延性系数来看：在Ｅ１地震作用下，固定桥墩的最大曲率延性系数达到１．１６（曲率延性系数大于１说明桥墩中的钢筋开始屈服，塑性铰区混凝土开裂），而新型桥墩则保持在弹性状态。

在Ｅ２地震作用下，固定桥墩的最大曲率延性系数达到３．９８，表明桥墩严重受损，可能导致桥梁垮塌；相比之下，新型桥墩的曲率延性系数平均值为１
．０２（最大值为１．１１），表明桥墩仅局部轻微受损，但仍然很大程度上保持弹性状态，４４１
第４期张哲熹，等：采用ＳＭＡ拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析有效避免了大范围的损伤。

表１　Ｅ１地震作用下结构响应
Ｔａｂｌｅ１　ＭａｘｉｍｕｍｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｂｒｉｄｇｅａｔＥ１ｌｅｖｅｌ
Ｎｏ曲率延性系数传统桥墩新型桥墩滑移率／％
传统桥墩新型桥墩残余滑移率／％传统桥墩新型桥墩ε／％新型桥墩１０．８９０．８００．６４０．８７０．００２０．０００４．２４２０．８３０．７８０．６００．７７０．００１０．００５３．６８３０．７７０．７１０．５６０．７６０．００８０．００１３．６１４０．９４０．８１０．６６０．７４０．００３０．００６３．５３５１．１６０．８４０．７５０．８７０．０１４０．０００４．１９６１．０１０．８４０．７０１．０３０．００１０．００５４．９１７１．０４０．８１０．７２０．７９０．００３０．００３３．８２Ａｖｇ
０．９５
０．８０
０．６６
０．８３
０．００５
０．００３
４．００
注：“ε
”指ＳＭＡ拉索总应变；“Ｎｏ”表示地震动记录编号；“Ａｖｇ”指７组数据平均值。

表２　Ｅ２地震作用下结构响应
Ｔａｂｌｅ２　ＭａｘｉｍｕｍｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｂｒｉｄｇｅａｔＥ２ｌｅｖｅｌ
Ｎｏ曲率延性系数传统桥墩新型桥墩
滑移率／％
传统桥墩新型桥墩残余滑移率／％传统桥墩新型桥墩ε／％新型桥墩１２．４１１１．１３２．１８０．０２２０．００２９．９７２２．９０．９５１．１６１．８５０．０１４０．００３８．５７３３．９８１．０７１．３８２．２１０．０１２０．００５１０．１３４２．６３０．９１１．１１．８２０．０２０．００４８．４４５２．６３１．１１．１６２．５０．０３０．０１１１．４４６３．３３０．９９１．２５２．２０．０１２０．００９１０．１１７２．４１１．１１１．１２．５９０．０２３０．００９１１．６６Ａｖｇ
２．９
１．０２
１．１９
２．１９
０．０１９
０．００６
１０．０４
注：“ε
”指ＳＭＡ拉索总应变；“Ｎｏ”表示地震动记录编号；“Ａｖｇ”指７
组数据平均值。

图１２　３号Ｅ２地震动作用下桥墩 图１３　３号Ｅ２地震动作用下桥墩弯矩－ 荷载－
滑移率曲线 曲率延性系数曲线 Ｆｉｇ．１２　Ｌａｔｅｒａｌｓｅｉｓｍｉｃｆｏｒｃｅｖｓ．ｄｒｉｆｔｒａｔｉｏｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｉｇ．１３　Ｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｖｓ．ｃｕｒｖａｔｕｒｅｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆｐｉｅｒｓ（Ｅ２ｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎＮｏ．３） ｏｆｐｉｅｒｓ（Ｅ２ｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎＮｏ．３）
５　结论
通过试验与数值分析验证了新型ＳＭＡ拉索摇摆自复位桥墩的可行性，明确了新型桥墩的关键受力特征与动力行为，主要结论如下：
（１）单根ＳＭＡ拉索在变幅循环拉伸试验下表现出典型的“旗帜形”滞回曲线，具有较为稳定的可恢复性
５
４１
世　界　地　震　工　程第３６卷
能。

（２）对施加不同预张拉应力的ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩进行低周往复试验。

在４％滑移率范围内，桥墩根部仅产生细微的裂纹。

移除侧向力后，无残余变形，损伤可忽略不计。

增加ＳＭＡ拉索的预张拉应力可一定程度提高对桥墩摇摆的控制能力。

（３）建议按照以下准则设计ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩：在Ｅ１地震作用下，允许桥墩有少量抬升，ＳＭＡ拉索应变不超过有效超弹性范围。

在Ｅ２地震作用下，不允许ＳＭＡ拉索进入“马氏体强化”后的塑性变形阶段。

（
４）非线性时程分析结果表明：与传统梁桥相比，采用ＳＭＡ ＳＣＲ桥墩的新型梁桥可有效降低残余滑移率以及桥墩本身的损伤，但最大滑移率有所放大。

上述趋势在Ｅ２地震作用下尤为明显。

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