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《摇摆自复位桥梁防震结构——理论、方法与实践》全面系统地阐述了摇摆桥梁抗震设计的理论与方法。《摇摆自复位桥梁防震结构——理论、方法与实践》共10章，*先概述了摇摆桥梁结构的发展历程，介绍了摇摆自复位桥梁防震结构的工作机理，接着重点介绍了摇摆桥梁二维、三维及摇摆双层桥梁框架墩的动力响应分析方法与地震反应分析，*后深入探讨了摇摆防震桥梁结构的地震易损性、摇摆桥梁抗震设计方法及其工程应用。
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目录前言第1章 摇摆桥梁结构发展概况 11.1 引言 11.2 摇摆结构起源及在桥梁工程中的应用 21.3 摇摆桥梁结构研发及试验研究 41.3.1 预应力摇摆桥墩 41.3.2 消能预应力摇摆桥墩 51.3.3 基础摇摆 81.4 摇摆桥梁结构分析方法 91.4.1 摇摆桥墩承载能力分析方法 91.4.2 摇摆桥墩动力行为分析方法 111.5 抗震设计方法 14参考文献 15第2章 摇摆自复位桥梁防震结构工作机理 222.1 摇摆桥梁体系构造 222.2 摇摆桥梁工作机理和极限状态 232.2.1 摇摆桥梁工作机理 232.2.2 摇摆桥梁极限状态 232.3 摇摆桥墩承载能力分析 252.3.1 预应力摇摆桥墩分析模型 252.3.2 消能预应力摇摆桥墩分析模型 272.4 摇摆双柱式桥墩拟静力试验 282.4.1 试验概况 282.4.2 试验现象 312.4.3 滞回行为 322.4.4 残余位移 332.4.5 预应力筋应力 332.4.6 受压区高度 342.5 分析模型验证 35参考文献 38第3章 摇摆桥梁二维动力响应分析方法 393.1 摇摆刚体二维动力分析模型 393.2 摇摆桥梁二维动力分析模型 413.2.1 自由摇摆桥墩结构体系 413.2.2 黏滞消能摇摆桥墩结构体系 433.2.3 预应力摇摆桥墩结构体系 463.2.4 屈服消能预应力摇摆桥墩结构体系 493.2.5 消能预应力摇摆桥梁改进动力分析模型 533.2.6 桥墩角速度折减系数 553.3 摇摆自复位桥梁振动台试验 583.3.1 振动台试验设计 583.3.2 振动台试验加载制度 633.3.3 结构整体响应与损伤状态 643.3.4 加速度与位移响应 663.3.5 摇摆界面开口与受压区高度 673.4 分析模型验证 69参考文献 72第4章 摇摆桥梁二维地震反应分析 754.1 摇摆双柱式桥墩结构体系地震反应 754.1.1 工程概况及地震动选取 754.1.2 自由摇摆双柱式桥墩结构体系 794.1.3 黏滞消能摇摆双柱式桥墩结构体系 834.1.4 预应力摇摆双柱式桥墩结构体系 884.1.5 屈服消能预应力摇摆双柱式桥墩结构体系 934.2 摇摆双柱式桥墩结构体系抗倒塌能力 1004.2.1 脉冲型地震动的数学模型 1004.2.2 动力反应的无量纲化 1044.2.3 倒塌加速度谱 106参考文献 115第5章 摇摆桥梁三维动力响应分析方法 1175.1 摇摆单柱三维动力分析 1175.1.1 摇摆单柱三维动力分析模型 1175.1.2 摇摆碰撞能量折减 1205.1.3 三维激励响应 1225.2 摇摆桥梁三维动力分析 1235.2.1 自由摇摆体系 1235.2.2 预应力摇摆体系 1255.2.3 消能预应力摇摆体系 1275.3 摇摆桥梁地震稳定性分析 1295.3.1 自由摇摆体系 1295.3.2 预应力摇摆体系 1315.3.3 消能预应力摇摆体系 1335.4 摇摆自复位桥梁三维有限元分析方法 1345.4.1 摇摆自复位桥梁三维有限元建模方法 1345.4.2 摇摆自复位桥梁三维地震反应模拟及验证 145参考文献 148第6章 摇摆桥梁三维地震反应分析 1506.1 摇摆自复位桥梁三维有限元模型 1506.1.1 桥梁算例参数 1506.1.2 地震动的选择与输入 1556.2 摇摆自复位正交桥梁三维地震反应 1566.2.1 桥墩连接方式的影响 1566.2.2 输入地震动维数的影响 1646.2.3 伸缩缝和横向间隙的影响 1676.2.4 桩土相互作用的影响 1706.3 摇摆自复位斜交桥梁三维地震反应 1706.3.1 45°斜交桥梁地震反应 1706.3.2 斜交角的影响 1796.3.3 伸缩缝和横向间隙的影响 1806.4 本章小结 181参考文献 182第7章 摇摆双层桥梁框架墩动力分析方法 1847.1 摇摆双层桥梁框架墩结构体系 1847.2 摇摆双层桥梁框架墩结构体系动力分析模型 1857.2.1 自由摇摆结构体系动力分析模型 1867.2.2 黏滞消能摇摆结构体系动力分析模型 1907.2.3 预应力摇摆结构体系动力分析模型 1947.2.4 屈服消能预应力摇摆结构体系动力分析模型 1977.3 体系碰撞耗能模型 1997.4 体系初始摇摆加速度 2037.5 分析模型的求解与验证 2047.5.1 分析模型的求解 2047.5.2 分析模型的验证 206参考文献 208第8章 摇摆双层桥梁框架墩地震反应分析 2128.1 摇摆双层桥梁框架墩地震响应 2128.1.1 自由摇摆框架墩结构体系 2138.1.2 黏滞消能摇摆框架墩结构体系 2198.1.3 预应力摇摆框架墩结构体系 2258.1.4 屈服消能预应力摇摆框架墩结构体系 2318.2 摇摆双层桥梁框架墩抗倒塌能力 2408.2.1 动力反应的无量纲化 2408.2.2 倒塌加速度谱 243参考文献 251第9章 摇摆防震桥梁结构地震易损性分析 2539.1 易损性分析方法 2539.2 摇摆双柱式桥墩结构体系地震易损性分析 2549.2.1 摇摆双柱式桥墩结构体系的极限状态 2549.2.2 摇摆双柱式桥墩结构体系的易损性*线 2559.3 摇摆双层桥梁框架墩结构体系地震易损性分析 2659.3.1 摇摆双层桥梁框架墩结构体系的极限状态 2659.3.2 摇摆双层桥梁框架墩结构体系的易损性*线 266参考文献 276第10章 摇摆桥梁抗震设计方法及工程应用 27810.1 摇摆桥墩设计极限状态分析方法 27810.1.1 消压极限状态 27810.1.2 屈服极限状态 27910.1.3 设计极限状态 27910.1.4 残余位移 28110.1.5 变形模式验算 28210.2 摇摆桥梁抗震设计方法 28310.2.1 基于性能的抗震设计方法简介 28310.2.2 摇摆桥梁抗震性能目标 28410.2.3 摇摆桥梁基于性能的抗震设计方法 28510.3 我国*座摇摆桥梁工程应用 28710.3.1 工程概况 28710.3.2 设计标准与设计目标 28810.3.3 设计与分析 28910.3.4 工程建设概况 292参考文献 294
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第1章 摇摆桥梁结构发展概况 1.1 引言 我国是世界上地震活动*强烈和地震灾害*严重的国家之一，大部分地区位于6度以上地震烈度区域，50%的国土面积位于7度以上地震高烈度区域，包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市[1]。桥梁作为城市和区域交通生命线的枢纽工程，投资巨大，如果遭遇地震灾害而损毁，将会产生严重的经济损失。同时，由桥梁损毁导致交通网络中断而造成的间接损失更为显著，如对灾区交通抢通保通造成了严重障碍，会影响震后灾区救援。另外，桥梁一旦发生损毁，修复和重建工作都将非常缓慢，严重影响灾区的灾后恢复和重建工作。因此，地震区(特别是强震区)桥梁的抗震安全性是地震工程和桥梁设计人员需要重点考虑的问题。 当前世界各国的桥梁抗震设计方法主要是基于延性抗震的设计理念[2-5]，即在桥墩上设置合理的塑性铰区，地震时塑性铰区发生塑性变形而消耗输入的地震能量，而且塑性铰的产生可以延长桥梁结构的基本周期，从而减小桥梁结构的地震响应。经过延性抗震设计的桥梁结构一般可以在地震中避免倒塌，减少人民生命财产损失。然而，延性抗震设计不能避免桥墩发生损伤，一般塑性铰区会产生严重的局部破坏，这些损伤导致桥梁在震后具有较大的残余位移，而残余位移通常难以通过修复回归到可使用范围。例如，1995年日本阪神大地震中有大量钢筋混凝土桥墩的底部发生弯*破坏，虽然没有倒塌，但是产生了较大的残余位移，其中约100根侧移率超过1.75%的桥墩由于修复困难而被迫拆除重建[6]。 当前基于抗倒塌的桥梁抗震设计方法取得了良好的抗震效果，对于现阶段抗震设计是合理可行的。但是该方法没有关注和重视桥梁结构震后的功能性和可修复性，在遭遇大地震之后，桥梁结构常常由于发生结构的功能性损伤而不能继续发挥其应有的交通运营功能，继而对震后灾区的救灾及重建产生不利影响。基于对桥梁震害的认识，亟须发展具有抗震韧性的新型桥梁结构，使桥梁在地震后能快速恢复其使用功能。1996年，日本在修订的公路桥梁抗震规范中明确规定，桥墩的震后残余位移不得大于墩底到上部结构惯性力作用位置高度的1%[7]。2009年，在美日地震工程协同研究联合规划会议上，有学者提出“抗震韧性城市”的理念，并给出减少震后功能损失和可快速恢复的无损桥梁设计框图[8]。2017年，世界地震工程大会以“可恢复功能-地震工程的新挑战”作为大会的主题[9]。可恢复功能结构逐渐成为当前桥梁抗震研究的一个重要方向[10]。可恢复功能桥梁设计是指通过新材料、新构造、新体系等措施减小结构震后初始损伤，缩短震后修复时间，从而达到震后桥梁功能快速恢复目标的抗震设计理念。这不仅需要满足当前规范规定的“大震不倒”的抗震设计目标，而且要求震后桥梁结构能够快速恢复交通功能，确保震后交通生命线的畅通，以尽可能减少人民生命财产损失。目前基于可恢复功能桥梁设计理念的桥梁结构主要分为摇摆自复位结构、可更换构件结构和可快速修复结构等，如图1.1.1所示。本书主要探讨具有损伤控制和自复位能力的摇摆桥梁结构，它是当前可恢复功能桥梁结构的一种重要结构形式和桥梁地震工程的研究热点。 图1.1.1 可恢复功能桥梁结构 摇摆自复位桥梁结构是将桥墩与主梁(盖梁)和/或承台的纵筋断开，然后通过干接缝相接，各部件仅通过内置无黏结预应力筋相连而组合成一个整体。这种结构的抗震机理为：桥墩在地震作用下可发生接触界面开合并摇摆，结构侧向刚度减小，自振周期延长；桥梁结构自重和墩柱预应力给桥墩提供自复位能力，结构震后残余位移小；附加的阻尼器可耗散地震能量，避免桥墩严重受损，可实现震后快速恢复。另外，摇摆自复位桥梁结构因其特殊的构造可与预制节段装配桥墩的施工方式相结合，形成高性能预制拼装桥墩体系，加快桥梁建造速度。 具有损伤控制和自复位能力的摇摆桥梁结构作为实现桥梁抗震韧性的主要结构形式之一，具有巨大的社会经济价值和广阔的应用前景。 1.2 摇摆结构起源及在桥梁工程中的应用 摇摆结构在建筑中的应用实际上由来已久，如在古希腊神庙和中国的古代宫殿中均可发现应用痕迹(图1.2.1)，而且即使在地震多发区，这些建筑仍保存完好。对于摇摆结构的科学研究始于1893年，Milne等[11]为确定墩柱的抗倾覆承载力，对自由摇摆结构进行了试验和理论分析。1960年，Muto等[12]为研究细长摇摆结构在大震下的抗倾覆能力，开展了自由摇摆结构的振动台试验和承载力分析。但当时，摇摆结构优良的抗震性能还未引起人们的广泛关注。 图1.2.1 古代建筑中的摇摆结构 1963年，Housner[13]根据智利大地震(M9.5， 1960)震害调查发现，看起来很不稳定的细高结构水塔因基础发生摇摆而免于倒塌，因此他提出了**的摇摆刚体动力分析模型，并对摇摆结构进行了参数分析。分析结果表明，在两个几何相似的块体中，较大的块体比较小的块体具有更强的稳定性，从而解释了水塔未发生倒塌的原因。Housner提出的摇摆刚体动力分析模型为摇摆结构的理论分析奠定了基础。 之后，摇摆结构逐渐被人们所熟知，并在工程结构中得到了应用。1973年，Beck等[14]对摇摆自复位结构在桥梁抗震设计中的应用展开了研究，并将摇摆结构应用在新西兰South Rangitikei铁路桥的高墩墩底[15]，如图1.2.2所示。在桥墩的底部断开并通过橡胶垫接触，通过方形销连接桥墩和基础，桥墩在地震作用下允许发生提离并摇摆；为了解决位移过大问题，还附加了阻尼器和限位装置。 图1.2.2 新西兰South Rangitikei铁路桥摇摆结构[15] 摇摆结构在桥梁抗震加固与改造领域也得到了系列应用，如美国的旧金山-奥克兰海湾大桥[16]、卡齐尼兹大桥[17]和金门大桥[18]，以及加拿大的狮门大桥北引桥[19]，都采用了允许桥墩与基础发生有限摇摆的方式进行抗震加固。加拿大狮门大桥北引桥释放了桥墩底部的竖向约束螺栓，并增加了水平挡块(图1.2.3)。 图1.2.3 加拿大狮门大桥北引桥的墩底摇摆构造[19] 2016年，我国京台高速公路上的黄徐路跨线桥(国内*座自复位桥梁，第10章将会详细介绍)[20]和新西兰Wigram-Magdala跨线桥[21，22]这两座桥梁的建成，标志着摇摆自复位桥墩真正应用到新建城市与公路桥梁工程中(图1.2.4)。这两座桥梁均采用消能预应力摇摆桥墩，且均为自复位桥梁领域的示范性跨线工程。当前摇摆桥梁结构已从桥墩扩展至支座、连接构件等，但随着抗震韧性要求的提升和多场景的应用需求，其大范围推广应用还需要更多研究。 图1.2.4 新建摇摆桥梁工程 1.3 摇摆桥梁结构研发及试验研究 1.3.1 预应力摇摆桥墩 对摇摆桥墩结构的试验研究始于1997年，Mander等[23]把摇摆结构应用到桥梁抗震设计中，提出了无损伤的摇摆自复位桥墩抗震设计理念，其方案如图1.3.1所示，在盖梁-墩柱和墩柱-基础界面处断开纵筋连接，允许桥墩在界面处摇摆；随后开展了附加后张法预应力筋的摇摆自复位单墩拟静力试验研究，通过在桥墩底部和承台顶部均设置钢板来解决摇摆脚处的应力集中问题。试验表明，该摇摆桥墩具有优秀的自复位能力，它呈现出双线性的弹性滞回行为，在承受很大的侧向位移时仍能保持承载力不下降，且在试验后无明显损伤。在国内，夏修身等[24-26]针对桩基础铁路高墩桥梁提出了基底摇摆隔震设计方案，方案中高墩墩底与承台分离并通过中心钢绞线或钢筋限位，可有效减小墩底弯矩，并通过振动台试验验证了该隔震方案的有效性。 图1.3.1 预应力摇摆桥墩体系[23] 1.3.2 消能预应力摇摆桥墩 2005年，Palermo等[27]提出将无黏结预应力和耗能装置相结合后应用到摇摆桥墩结构中(图1.3.2)，并进行了拟静力试验[28]，如图1.3.2(a)和(b)所示。其中，耗能装置采用的是内置耗能钢筋的形式。试验结果表明，该体系不仅具有较好的自复位能力，而且具有良好的耗能能力，构件滞回*线呈典型的旗帜形，如图1.3.2(c)所示。 图1.3.2 消能预应力摇摆桥墩体系[28] 之后，研究人员针对内置不同形式耗能装置的预应力摇摆桥墩结构进行了系列研究工作[29-33]，该结构的主要形式为内置无黏结耗能钢筋(图1.3.3)。研究表明，与传统的钢筋混凝土桥墩相比，该结构体系具有良好的自复位性能，结构损伤可控，但是内置的耗能钢筋在发生屈服耗能后损伤较大，更换比较困难。因此，研究人员开始寻求适合摇摆体系的外置耗能部件[34-41]，其形式主要包括外置防屈*钢筋、外置角钢、外置耗能钢棒、外置防屈*钢板等(图1.3.4)。研究表明，外置阻尼器在破坏后可直接更换，极大地提高了摇摆体系的震后修复能力。 而关于摇摆桥梁振动台的试验研究相对较少。Cheng等进行了摇摆桥墩的自由振动试验和加装摩擦阻尼器的摇摆桥墩振动台试验，验证了摇摆桥梁体系的抗震优点，并分析了摇摆界面处产生的碰撞辐射阻尼[42-44]。2014年，Stanton等[33]提出了针对桥梁快速建造
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