宗周紅夏 堅徐綽然

(1東南大學土木工程學院, 南京 210096)

(2福州大學土木工程學院, 福州 350108)

我國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一,地震基本烈度6度及6度以上地區(qū)幾乎遍及全國各個行政區(qū),發(fā)生的地震具有強度高、持續(xù)時間長、發(fā)生頻率高、破壞力強、傷亡及損失巨大等特點[1-3]．以汶川地震為例,橋梁上部結構的震害可以歸結為上部結構墜毀、橋梁墩柱破壞、支座破壞等[4-6]．現代混凝土橋梁結構中,因鋼筋混凝土橋墩破壞導致橋梁嚴重破壞甚至倒塌已成為橋梁震害的重要特征．歐美、日本、新西蘭等國家總結橋梁震害的經驗教訓,得出一個重要的共同結論是:僅考慮鋼筋混凝土橋墩的強度是不夠的,應當重視混凝土橋墩的延性設計,提升橋梁整體的變形能力和延性．

橋梁高墩具有顯著的力學性能特點:高墩墩柱的長細比和軸壓比通常較大,墩柱橫截面多為空心,構造復雜．對于中、低墩橋梁,由于上部結構自重遠大于橋墩的自重,在地震分析過程中可將橋梁結構等效為單自由度體系進行計算;而對于高墩橋梁,上部結構自重將不再比橋墩自重大很多,甚至遠小于橋墩的自重．對于墩高為20,50,90m的橋墩,其自重與上部結構自重之比分別約為 0.33,1.17,2.38．對橋梁而言,墩高變大時,第一階振型質量參與系數明顯下降,高階振型效應和墩身質量對結構地震響應的貢獻變得更加顯著．由此可見,高墩橋梁與中、低墩橋梁的剛度和質量分布有很大區(qū)別,中、低墩橋梁的抗震設計理論將不適用于高墩橋梁．然而,目前對于橋梁高墩抗震的研究相對滯后,不能滿足實際工程的需要．本文結合3種類型高墩——混凝土箱型墩柱、鋼箱墩柱和鋼管混凝土組合墩柱,總結回顧了國內外橋梁墩柱擬靜力試驗、擬動力試驗、地震模擬振動臺試驗以及基于性能的抗震設計方法等方面的研究進展,展望了橋梁高墩抗震研究的主要方向．

1 國內外橋梁抗震設計規(guī)范比較

目前,我國正處于大規(guī)模交通基礎設施建設的階段．據統(tǒng)計,在我國西部地區(qū)已建成或在建的公路、鐵路橋梁中,墩高超過 40m 的高墩橋梁占橋梁總數的 40%以上．表1列出了近年來國內已建或在建的部分高墩橋梁[6]．今后,橋梁高墩的應用將越來越多．

表1 部分百米高墩大跨連續(xù)剛構橋[6]

我國公路橋梁抗震設計細則(JTG/T B02-01—2008)[7]僅適用于主跨不超過150m、墩高不超過40m的橋梁,并明確指出對于墩高超過40m、墩身第一階振型有效質量低于60%、結構進入彈塑性工作范圍的橋梁需要進行專門的研究．我國鐵路工程抗震設計規(guī)范(GB50111—2006)[8]僅適用于跨度小于150m的鋼梁及跨度小于120m的鐵路鋼筋混凝土和預應力混凝土等梁式橋,雖沒有明確指出墩高的適用范圍,但對于特殊橋墩,要求采用非線性時程方法進行下部結構分析．美國CALTRANS規(guī)范[9]和AASHTO規(guī)范[10]僅適用于不超過150m的普通鋼、混凝土梁與箱梁橋,但它們從結構參數、構造形式等方面規(guī)定了規(guī)則橋和非規(guī)則橋的分類標準,且明確限定規(guī)范條文僅適用于規(guī)則橋梁,規(guī)則橋梁的墩高規(guī)定小于30m．在歐盟國家,橋梁設計按照歐洲規(guī)范 EC8[11]執(zhí)行,而關于地震荷載及其組合等還需要遵循專門規(guī)范的相關規(guī)定．日本也是一個地震頻繁發(fā)生的國家,在1995 年日本阪神大地震后,日本大幅度修訂了鐵路和公路工程抗震設計規(guī)范[12-13]．為保證結構的延性,同時最大限度地避免結構破壞的隨機性,新西蘭學者Park等在20世紀70年代中期提出了結構抗震設計理論中的一個重要原則——能力保護原則,并最早在新西蘭混凝土設計規(guī)范(NZS 3101:1982)[14]中得到應用,隨后該原則先后被美國、歐洲、日本和我國的橋梁抗震設計規(guī)范所采用．

中日美和歐盟的鐵路橋梁抗震規(guī)范體現了各自的特色,相關參數取值與各國的抗震設防水準、設防目標和可靠度水平有關,也就是說，與各國的經濟發(fā)展水平和經濟實力密切相關．我國鐵路工程抗震設計規(guī)范(GB50111—2006)只適用于普通鐵路,不適用于高速鐵路,與國外規(guī)范相比還存在一定的差距,主要體現在以下幾個方面:① 缺乏與《公路橋梁抗震設計細則》相似的專門的鐵路橋梁抗震設計規(guī)范;② 規(guī)范中沒有關于鐵路橋梁減隔震的內容;③ 雖然提及基于性能的抗震設計,但具體的性能指標過于籠統(tǒng),加速度反應譜最大值偏小,周期范圍小,長周期橋梁抗震設計內容有待完善;④ 計算手段上偏重于手算,非線性有限元計算方法有待引入和完善．

國外公路橋梁抗震規(guī)范在抗震設計理念上是相同的,均以基于性能的抗震設計理念為基礎．日本、加州及歐洲規(guī)范是以保障人民生命安全、允許結構出現限值破壞和喪失結構功能的風險最小為抗震設計目的;新西蘭規(guī)范則以確保結構震后能夠安全使用為前提．從對性能目標的描述來看,日本、歐洲和新西蘭規(guī)范較為類似,均是從結構破壞對交通的影響程度上予以定義．然而,對于性能目標的定義仍停留在定性描述的階段,尚未明確定量描述,因此在設計中很難得到量化的保證;真正要實現結構基于性能的抗震設計,還需進一步量化不同性能水準所對應的性能目標．

2 墩柱抗震的國內外研究進展

2.1 國內研究進展

在鐵路橋梁領域,結合高速和重載的特點,開展了不同類型鐵路鋼筋混凝土橋墩的模型試驗和數值分析,重點考察鐵路橋梁的延性抗震性能[15-26]．相比鐵路鋼筋混凝土橋墩而言,公路鋼筋混凝土橋墩的抗震性能、破壞機制和抗震設計方法均已取得了豐碩的研究成果:同濟大學范立礎等[27-30]提出了橋梁延性抗震理論;西南交通大學劉艷輝等[31-32]在曲線梁橋抗震和深水基礎橋梁抗震領域開展了深入研究;大連理工大學艾慶華等[33-36]開展了多維抗震理論及墩柱的延性抗震研究;重慶交通大學徐國鋒等[37-38]針對公路橋墩及橋梁的抗震設計理論展開工作;長安大學崔海琴等[39-41]研究探討了公路橋梁抗震設計方法;天津大學王成博等[42]開展了高墩大跨橋梁的抗震理論研究;中南林業(yè)科技大學吳奕琴[43]研究了橋梁抗震評估方法;合肥工業(yè)大學左曉明[44]進行了公路鋼筋混凝土橋墩的試驗研究和數值分析．

目前,國內關于混凝土箱型/薄壁空心墩柱、鋼管混凝土柱和墩柱以及鋼箱墩柱3種常見高墩柱的抗震研究工作開展得還比較少．對于混凝土箱型墩柱,奉策紅[45]開展了箱型墩柱的單向擬靜力試驗研究;宗周紅等[46-47]進行了箱型截面混凝土墩柱的雙向擬靜力試驗研究和分析;耿江瑋[48]開展了薄壁空心墩的延性抗震性能數值分析研究．針對鋼管混凝土組合結構基本理論,已經開展了大量的研究工作[49]．《空心鋼管混凝土結構技術規(guī)程》(CECS 254：2009)[50]和《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》(CECS 159：2004)[51]主要適用于房屋建筑結構．對鋼管混凝土柱的抗震性能研究最早可見呂西林等[52]的工作．將鋼管混凝土組合結構應用于大跨度橋梁墩柱的研究工作還處于起步階段.陳敏海[53]研究了鋼管混凝土高墩橋梁的地震響應分析;胡宇[54]開展了鋼管混凝土疊合格構柱高墩的靜力試驗研究;王占飛等[55]對圓形鋼管混凝土橋墩連續(xù)梁橋進行了動力分析．對于鋼管混凝土格構柱的研究,目前側重于其靜力性能方面[56]．鋼管混凝土組合高墩的抗震研究還有待于加強．此外,國內關于鋼箱墩柱的抗震研究和應用還比較少見．

2.2 國外研究進展

在經歷了幾次特大地震的破壞后,日本、美國、新西蘭等多地震國家自20世紀70年代初起對強震作用下鋼筋混凝土墩柱的抗震性能和延性抗震進行了大量的模型試驗和理論分析研究．在洛馬普里埃塔地震后, Priestley等[57-58]針對強震作用下鋼筋混凝土橋墩的強度、延性和低配筋率等對抗震性能的影響進行了研究;Pinto等[59]對具有矩形空心截面的大比例尺鋼筋混凝土橋墩模型進行了低周反復荷載試驗,結果表明,這種橋墩的抗震能力不足,滯回性能和變形能力較差;Janoyan等[60]對足尺的鋼筋混凝土橋墩進行了側向循環(huán)加載,很好地預測出橋墩的彎矩-曲率關系;Xiao等[61]對于鋼板套箍加固混凝土墩柱進行了研究．1999年臺灣集集地震后,臺灣國立地震工程研究中心的Yeh等[62-65]開展了混凝土箱型墩柱的系列試驗研究,但是都偏重于中低墩柱．

鋼管混凝土可以應用于加固既有橋墩以及用作新建橋梁的墩柱,使得橋墩的剛度和延性都有較大提高[66]．在1995年日本阪神地震中,約 50%的鋼橋墩受到不同程度的破壞;震后,日本研究人員對內填混凝土鋼橋墩的受力性能進行了試驗和理論研究,結果表明,結構的剛度和延性均得到了較大程度的提高,可以滿足抗震要求[67]．Ge等[68-70]進行了鋼管混凝土橋墩在循環(huán)荷載及動荷載作用下的性能測試試驗,結果表明,鋼管混凝土橋墩具有良好的抗震性能．Katsuyoshi等[71]研究了10個試件的極限承載力及延性,結果表明,鋼管混凝土具有很好的延性和耗能能力,并且可使結構的自重減?。甅arson等[72-73]開展了鋼管混凝土墩柱的低周反復荷載試驗,研究其強度和延性,并與美國AISC和LFRD規(guī)范、加拿大規(guī)范以及歐洲規(guī)范進行了比較,建議了新的設計方程,被加拿大和美國LRFD規(guī)范所采用．Xiao等[74]采用鋼板和栓釘2種不同柱腳連接,考慮圓鋼管混凝土柱和鋼樁共同作用,進行單向擬靜力試驗研究,以考察圓鋼管混凝土柱的抗震性能和樁帽抗震設計效果．上述試驗研究都是以單向擬靜力試驗為主的．

多維抗震試驗是目前國際上進行墩柱抗震試驗的主要發(fā)展方向之一[75-76],主要原因在于墩柱雙向加載時的破壞情況比單向加載時復雜得多,雙軸同時加載互相影響,表現出明顯的雙軸耦合效應．Kobayashi[77]基于6種加載規(guī)則研究了圓形截面鋼筋混凝土柱的雙向加載問題．Bousias等[78]設計了12根剪跨比為6的鋼筋混凝土柱,在軸力作用的同時分別受到單向或雙向彎曲作用,各試件的參數相同,但加載路徑發(fā)生了變化．Hong[79]提出了一種用于評估細長鋼筋混凝土柱在雙向彎矩及軸向荷載作用下強度的簡單理論計算方法． Solberg等[80]將PDA設計方法和傳統(tǒng)的延性設計方法相結合,設計了橋墩的縮尺比例模型,進行了雙向擬靜力試驗和擬動力試驗研究．Chang[81]設計了3個比例為2/5的橋墩模型,其中1個進行雙向擬靜力試驗,另外2個則進行擬動力試驗,卸載時雙向滯回環(huán)的剛度退化和捏攏效應較單向滯回環(huán)明顯,在一個方向上出現的損傷會削弱，導致另一個方向上的抗震性能減弱．Amar等[82]進行了大比例尺矩形鋼筋混凝土柱的雙向擬靜力試驗,以驗證加拿大橋梁規(guī)范的相關規(guī)定．Dhakal等[83]開展了圓形鋼筋混凝土橋墩的雙向擬動力試驗研究,比較了不同規(guī)范下墩柱的抗震性能． Yoshiaki等[84-85]利用雙向擬動力試驗和較為精確的有限元模型,通過考慮鋼管局部屈曲、約束混凝土效應和界面黏結作用,研究了薄壁鋼管混凝土在低周反復荷載作用下的抗震性能．Zaghi等[86-87]開展了鋼筋混凝土橋墩和FRP約束混凝土橋墩的水平地震模擬振動臺試驗研究．由此可見,多維地震動作用下墩柱的抗震性能研究正受到越來越多的關注．

國外關于鋼筋混凝土墩柱抗震試驗研究的早期重點在于,利用單向加載探討鋼筋混凝土墩柱的單軸滯回性能、破壞模式以及影響延性的各種因素,通過對大比例尺墩柱進行大量試驗研究,使得橋梁延性抗震設計逐漸走向成熟．而近期的研究重點在于,利用多維加載探討鋼筋混凝土墩柱和鋼管混凝土組合墩柱的多軸滯回性能、破壞模式、延性及耗能,并通過理論判別墩柱的破壞模式以及將墩柱延性試驗結果應用于驗證規(guī)范的合理性．

3 基于性能的抗震設計方法研究進展

鑒于地震震害的教訓以及對傳統(tǒng)抗震設計方法的深刻反省,美國加州交通部和聯(lián)邦高速公路署[9-10]提出了基于性能的地震工程(performance-based seismic engineering,PBSE)和基于性能的抗震設計(performance-based seismic design,PBSD)的概念和理論框架．基于性能的抗震設計方法主要涉及3個方面的內容:① 設防水準和性能目標的建立;② 性能目標的選擇;③ 實現性能目標的設計方法．

性能目標反映了結構在特定地震設防水準下預期破壞的最大程度．選擇合適的性能目標是基于性能的抗震設計理論的核心內容．性能目標的建立需要綜合考慮建筑物的功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復的難易程度、社會效益以及業(yè)主的承受能力等諸多因素．Amy等[88]按照橋梁結構所處地理位置的重要性以及結構在震后投入運營的情況,提出了具體性能目標的確定方法．Berry等[89-90]基于美國太平洋抗震工程研究中心(PEER)提供的鋼筋混凝土柱試驗數據庫,針對鋼筋混凝土墩柱(實心截面為主)的彎曲破壞模式,以5個性能等級為破壞界限，對試驗數據進行了統(tǒng)計分析,并以漂移率作為判別指標,提出了2種破壞狀態(tài)(保護層混凝土剝落與縱筋壓屈)目標位移的計算公式．宋曉東等[28-30]提出以位移延性和控制截面曲率作為性能指標進行研究;夏修身等[91]基于能量譜方法,給出了公路鋼筋混凝土橋墩地震損傷指數的計算方法和抗震性能目標;陸本燕等[41,92]通過對127個圓形墩柱試驗進行統(tǒng)計,提出了公路鋼筋混凝土橋墩5個性能水平下的位移角量化指標,用于基于性能抗震設計時橋墩墩頂位移的確定．

PBSD采用的主要抗震設計方法包括能量法、綜合設計法、基于位移的抗震設計方法等．目前的研究仍然以基于位移的抗震設計方法為主,又可細分為能力譜法、延性系數設計法以及直接基于位移的設計方法,且以最后一種設計方法為主．基于位移的抗震設計方法是指直接以結構位移為設計指標,針對不同地震設防水準,制定相應的、以損傷為基礎的目標位移,并將其作為設計目標．通過設計,使得結構在給定水準地震作用下達到預先指定的目標位移,從而有效控制結構在設計地震作用下的行為．將位移作為控制結構行為的參數,不僅可以與以應變?yōu)榛A的損傷狀態(tài)聯(lián)系到一起,而且在宏觀上可以對結構的整體行為進行合理的控制[93-94]．黃建文等[95-97]通過引入強度折減系數、位移延性系數和周期的關系，建立非彈性位移反應譜,考慮高階振型的影響,由非彈性位移反應譜直接計算結構的位移需求,以實現基于位移的鐵路橋梁墩柱抗震分析和設計．值得注意的是,基于性能的橋梁抗震設計理論基礎是建立在中、低墩橋梁結構試驗和理論研究基礎之上的;基于性能的橋梁高墩抗震設計理論還有待于深入的試驗研究和理論分析．

基于概率方法來研究墩柱抗震概率模型是最新的發(fā)展方向之一．Zhong等[98]和Huang等[99]基于Bayesian方法分別發(fā)展了鋼筋混凝土雙柱墩、單柱墩位移和剪切的抗震概率需求模型;Ramesh等[100]發(fā)展了一種概率模型,以考慮地震累積損傷所導致的混凝土墩柱變形能力退化;鄒中權[101]對鋼筋混凝土延性構件的抗震性能指標的概率模型、隨機非彈性反應譜、基于能量的Pushover方法等進行了研究,建立了墩柱抗震性能的概率性分析方法．由于諸多不確定性因素,基于全概率的墩柱抗震性能設計與分析還需開展大量基礎性研究工作．

4 研究展望

1) 由于地震時地面的運動是多維運動,故應該考慮多維地震動的聯(lián)合作用．目前,對于橋墩的擬靜力試驗和相關研究大多是單向的,橋墩的多維擬靜力試驗(雙向擬靜力試驗和雙向擬動力試驗)和全橋地震模擬振動臺臺陣試驗研究還處于初步研究階段,需要進一步完善．

2) 迄今為止,國內外對橋梁高墩抗震問題的系統(tǒng)研究還比較少,應進行系統(tǒng)的抗震試驗研究,確定鋼筋混凝土箱型墩柱、鋼管混凝土組合墩柱和鋼箱墩柱等不同類型高墩在不同截面形式、長細比、軸壓比、含筋率、含鋼率、截面寬厚比等參數影響下的多維抗震性能(破壞機制、多維恢復力模型、延性和耗能能力、局部屈曲及損傷影響等)．

3) 關于考慮樁土-結構共同作用下高墩抗震性能的研究還不充分．對于樁基先于橋墩屈服的情況,可以適當削弱橋墩的局部強度,從而降低橋墩的屈服強度;對于削弱部分,應選擇適當的材料進行填充,使橋墩先于基礎屈服或者整體上改變鋼筋的形式以改變橋墩破壞情況．這些都需要進行大量試驗,以充分考慮下部結構樁-土共同作用對于高墩整體抗震性能的影響．

4) 關于橋梁高墩在多維地震動作用下的非線性地震響應模擬和簡化分析方法還需要進一步加強,其中的關鍵問題有:① 如何確定合適的混凝土的彈塑性損傷本構關系和破壞準則;② 如何確定不同類型高墩中塑性鉸的分布模型和破壞機理;③ 如何考慮鋼柱局部屈曲對于組合鋼管混凝土高墩的延性影響;④ 如何考慮地震損傷的影響;⑤ 如何考慮高階振型的參與貢獻．

5) 近年來的地震動呈現強度大、持續(xù)時間長等特點,大跨高墩橋梁抗震研究應當考慮輸入地震動頻譜的特性．高墩大跨橋梁結構具有周期長、高階振型參與、地震損傷更為突出等特點,應當專門研究和分析長周期彈塑性位移反應譜和能量反應譜,考慮非一致多點激勵的影響．

6) 隨著減隔震技術的發(fā)展和應用,應當充分開展大跨高墩橋梁的減隔震設計與分析,包括隔震支座裝置、隔震設計位移反應譜和能量反應譜、基礎-墩柱-減隔震支座-上部主梁的共同作用效應、規(guī)則及不規(guī)則橋梁的延性抗震設計方法和基于性能的抗震設計方法等．

7) 國內外對高墩橋梁的抗震設計方法研究還沒有一套完整、成熟的理論體系,通常對高墩橋梁的抗震設計仍沿用中低墩橋梁的相關規(guī)范,這無疑具有很大的盲目性和隨機性．如何選取合理的抗震性能指標來描述高墩橋梁在地震作用下的損傷影響和破壞模式,開展基于性能的大跨高墩橋梁抗震設計方法和抗震加固方法研究,是今后努力的方向之一．

8) 地震動、材料及結構等都具有顯著的不確定性,傳統(tǒng)的確定性抗震分析及設計方法顯然不能反映橋梁抗震的概率統(tǒng)計特性．研究橋梁高墩的隨機非彈性概率反應譜、墩柱延性指標的概率分布模型,探索高墩橋梁的概率抗震分析方法,應當受到密切關注．

9) 傳統(tǒng)墩柱采取的是“提升自身強度、剛度和延性,抵御地震動”的設計思想,破壞后難以修復或重復使用．可修復墩柱結構是近年來發(fā)展起來的新型墩柱結構,其基本構造是在墩底、墩頂或者墩身可能出現塑性鉸的位置設置相應的耗能減震裝置,允許此類墩柱在強震下出現擺動或轉動變形,甚至耗能減震裝置的破壞,確保不出現墩柱倒塌、落梁等極端破壞現象，地震后則可進行耗能減震裝置的維修或者更換．可修復墩柱結構的耗能裝置的研制、不同類型可修復墩柱的非線性地震響應、延性抗震設計方法、可更換耗能裝置的維修等有待于深入研究．

5 結語

我國高速重載鐵路和高速公路的建設方興未艾,鋼筋混凝土箱型墩柱、鋼管混凝土組合墩柱和鋼箱墩柱等在高墩橋梁上的應用將越來越多．本文在比較國內外橋梁抗震設計規(guī)范異同的基礎上,總結了國內外橋梁墩柱抗震試驗研究、基于性能的抗震設計方法等方面的研究進展,并展望了橋梁高墩抗震研究的主要方向,為橋梁高墩抗震研究提供了參考．

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