橋梁高墩抗震研究現(xiàn)狀及展望

宗周紅夏 堅(jiān)徐綽然

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

(2福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福州 350108)

我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)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(guó)各個(gè)行政區(qū),發(fā)生的地震具有強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)生頻率高、破壞力強(qiáng)、傷亡及損失巨大等特點(diǎn)[1-3]．以汶川地震為例,橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害可以歸結(jié)為上部結(jié)構(gòu)墜毀、橋梁墩柱破壞、支座破壞等[4-6]．現(xiàn)代混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中,因鋼筋混凝土橋墩破壞導(dǎo)致橋梁嚴(yán)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(guó)家總結(jié)橋梁震害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),得出一個(gè)重要的共同結(jié)論是:僅考慮鋼筋混凝土橋墩的強(qiáng)度是不夠的,應(yīng)當(dāng)重視混凝土橋墩的延性設(shè)計(jì),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(xué)性能特點(diǎn):高墩墩柱的長(zhǎng)細(xì)比和軸壓比通常較大,墩柱橫截面多為空心,構(gòu)造復(fù)雜．對(duì)于中、低墩橋梁,由于上部結(jié)構(gòu)自重遠(yuǎn)大于橋墩的自重,在地震分析過程中可將橋梁結(jié)構(gòu)等效為單自由度體系進(jìn)行計(jì)算;而對(duì)于高墩橋梁,上部結(jié)構(gòu)自重將不再比橋墩自重大很多,甚至遠(yuǎn)小于橋墩的自重．對(duì)于墩高為20,50,90m的橋墩,其自重與上部結(jié)構(gòu)自重之比分別約為 0.33,1.17,2.38．對(duì)橋梁而言,墩高變大時(shí),第一階振型質(zhì)量參與系數(shù)明顯下降,高階振型效應(yīng)和墩身質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的貢獻(xiàn)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(zhì)量分布有很大區(qū)別,中、低墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)理論將不適用于高墩橋梁．然而,目前對(duì)于橋梁高墩抗震的研究相對(duì)滯后,不能滿足實(shí)際工程的需要．本文結(jié)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(jié)回顧了國(guó)內(nèi)外橋梁墩柱擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法等方面的研究進(jìn)展,展望了橋梁高墩抗震研究的主要方向．

1 國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范比較

目前,我國(guó)正處于大規(guī)模交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的階段．據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)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(shù)的 40%以上．表1列出了近年來國(guó)內(nèi)已建或在建的部分高墩橋梁[6]．今后,橋梁高墩的應(yīng)用將越來越多．

表1 部分百米高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[6]

我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)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(duì)于墩高超過40m、墩身第一階振型有效質(zhì)量低于60%、結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作范圍的橋梁需要進(jìn)行專門的研究．我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土等梁式橋,雖沒有明確指出墩高的適用范圍,但對(duì)于特殊橋墩,要求采用非線性時(shí)程方法進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)分析．美國(guó)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(jié)構(gòu)參數(shù)、構(gòu)造形式等方面規(guī)定了規(guī)則橋和非規(guī)則橋的分類標(biāo)準(zhǔn),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(guó)家,橋梁設(shè)計(jì)按照歐洲規(guī)范 EC8[11]執(zhí)行,而關(guān)于地震荷載及其組合等還需要遵循專門規(guī)范的相關(guān)規(guī)定．日本也是一個(gè)地震頻繁發(fā)生的國(guó)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(shè)計(jì)規(guī)范[12-13]．為保證結(jié)構(gòu)的延性,同時(shí)最大限度地避免結(jié)構(gòu)破壞的隨機(jī)性,新西蘭學(xué)者Park等在20世紀(jì)70年代中期提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論中的一個(gè)重要原則——能力保護(hù)原則,并最早在新西蘭混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范(NZS 3101:1982)[14]中得到應(yīng)用,隨后該原則先后被美國(guó)、歐洲、日本和我國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所采用．

中日美和歐盟的鐵路橋梁抗震規(guī)范體現(xiàn)了各自的特色,相關(guān)參數(shù)取值與各國(guó)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)、設(shè)防目標(biāo)和可靠度水平有關(guān),也就是說，與各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力密切相關(guān)．我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50111—2006)只適用于普通鐵路,不適用于高速鐵路,與國(guó)外規(guī)范相比還存在一定的差距,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:① 缺乏與《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》相似的專門的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范;② 規(guī)范中沒有關(guān)于鐵路橋梁減隔震的內(nèi)容;③ 雖然提及基于性能的抗震設(shè)計(jì),但具體的性能指標(biāo)過于籠統(tǒng),加速度反應(yīng)譜最大值偏小,周期范圍小,長(zhǎng)周期橋梁抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容有待完善;④ 計(jì)算手段上偏重于手算,非線性有限元計(jì)算方法有待引入和完善．

國(guó)外公路橋梁抗震規(guī)范在抗震設(shè)計(jì)理念上是相同的,均以基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)．日本、加州及歐洲規(guī)范是以保障人民生命安全、允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)限值破壞和喪失結(jié)構(gòu)功能的風(fēng)險(xiǎn)最小為抗震設(shè)計(jì)目的;新西蘭規(guī)范則以確保結(jié)構(gòu)震后能夠安全使用為前提．從對(duì)性能目標(biāo)的描述來看,日本、歐洲和新西蘭規(guī)范較為類似,均是從結(jié)構(gòu)破壞對(duì)交通的影響程度上予以定義．然而,對(duì)于性能目標(biāo)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(shè)計(jì)中很難得到量化的保證;真正要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì),還需進(jìn)一步量化不同性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)．

2 墩柱抗震的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

在鐵路橋梁領(lǐng)域,結(jié)合高速和重載的特點(diǎn),開展了不同類型鐵路鋼筋混凝土橋墩的模型試驗(yàn)和數(shù)值分析,重點(diǎn)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(jī)制和抗震設(shè)計(jì)方法均已取得了豐碩的研究成果:同濟(jì)大學(xué)范立礎(chǔ)等[27-30]提出了橋梁延性抗震理論;西南交通大學(xué)劉艷輝等[31-32]在曲線梁橋抗震和深水基礎(chǔ)橋梁抗震領(lǐng)域開展了深入研究;大連理工大學(xué)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(xué)徐國(guó)鋒等[37-38]針對(duì)公路橋墩及橋梁的抗震設(shè)計(jì)理論展開工作;長(zhǎng)安大學(xué)崔海琴等[39-41]研究探討了公路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法;天津大學(xué)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(xué)吳奕琴[43]研究了橋梁抗震評(píng)估方法;合肥工業(yè)大學(xué)左曉明[44]進(jìn)行了公路鋼筋混凝土橋墩的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析．

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)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(duì)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(yàn)研究;宗周紅等[46-47]進(jìn)行了箱型截面混凝土墩柱的雙向擬靜力試驗(yàn)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(shù)值分析研究．針對(duì)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)基本理論,已經(jīng)開展了大量的研究工作[49]．《空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 254：2009)[50]和《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159：2004)[51]主要適用于房屋建筑結(jié)構(gòu)．對(duì)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)分析;胡宇[54]開展了鋼管混凝土疊合格構(gòu)柱高墩的靜力試驗(yàn)研究;王占飛等[55]對(duì)圓形鋼管混凝土橋墩連續(xù)梁橋進(jìn)行了動(dòng)力分析．對(duì)于鋼管混凝土格構(gòu)柱的研究,目前側(cè)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(qiáng)．此外,國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼箱墩柱的抗震研究和應(yīng)用還比較少見．

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展

在經(jīng)歷了幾次特大地震的破壞后,日本、美國(guó)、新西蘭等多地震國(guó)家自20世紀(jì)70年代初起對(duì)強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土墩柱的抗震性能和延性抗震進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)和理論分析研究．在洛馬普里埃塔地震后, Priestley等[57-58]針對(duì)強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土橋墩的強(qiáng)度、延性和低配筋率等對(duì)抗震性能的影響進(jìn)行了研究;Pinto等[59]對(duì)具有矩形空心截面的大比例尺鋼筋混凝土橋墩模型進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn),結(jié)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(duì)足尺的鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了側(cè)向循環(huán)加載,很好地預(yù)測(cè)出橋墩的彎矩-曲率關(guān)系;Xiao等[61]對(duì)于鋼板套箍加固混凝土墩柱進(jìn)行了研究．1999年臺(tái)灣集集地震后,臺(tái)灣國(guó)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(yàn)研究,但是都偏重于中低墩柱．

鋼管混凝土可以應(yīng)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(duì)內(nèi)填混凝土鋼橋墩的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)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(jìn)行了鋼管混凝土橋墩在循環(huán)荷載及動(dòng)荷載作用下的性能測(cè)試試驗(yàn),結(jié)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(gè)試件的極限承載力及延性,結(jié)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(jié)構(gòu)的自重減小．Marson等[72-73]開展了鋼管混凝土墩柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),研究其強(qiáng)度和延性,并與美國(guó)AISC和LFRD規(guī)范、加拿大規(guī)范以及歐洲規(guī)范進(jìn)行了比較,建議了新的設(shè)計(jì)方程,被加拿大和美國(guó)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(jìn)行單向擬靜力試驗(yàn)研究,以考察圓鋼管混凝土柱的抗震性能和樁帽抗震設(shè)計(jì)效果．上述試驗(yàn)研究都是以單向擬靜力試驗(yàn)為主的．

多維抗震試驗(yàn)是目前國(guó)際上進(jìn)行墩柱抗震試驗(yàn)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(shí)的破壞情況比單向加載時(shí)復(fù)雜得多,雙軸同時(shí)加載互相影響,表現(xiàn)出明顯的雙軸耦合效應(yīng)．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(shè)計(jì)了12根剪跨比為6的鋼筋混凝土柱,在軸力作用的同時(shí)分別受到單向或雙向彎曲作用,各試件的參數(shù)相同,但加載路徑發(fā)生了變化．Hong[79]提出了一種用于評(píng)估細(xì)長(zhǎng)鋼筋混凝土柱在雙向彎矩及軸向荷載作用下強(qiáng)度的簡(jiǎn)單理論計(jì)算方法． Solberg等[80]將PDA設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的延性設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了橋墩的縮尺比例模型,進(jìn)行了雙向擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)研究．Chang[81]設(shè)計(jì)了3個(gè)比例為2/5的橋墩模型,其中1個(gè)進(jìn)行雙向擬靜力試驗(yàn),另外2個(gè)則進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn),卸載時(shí)雙向滯回環(huán)的剛度退化和捏攏效應(yīng)較單向滯回環(huán)明顯,在一個(gè)方向上出現(xiàn)的損傷會(huì)削弱，導(dǎo)致另一個(gè)方向上的抗震性能減弱．Amar等[82]進(jìn)行了大比例尺矩形鋼筋混凝土柱的雙向擬靜力試驗(yàn),以驗(yàn)證加拿大橋梁規(guī)范的相關(guān)規(guī)定．Dhakal等[83]開展了圓形鋼筋混凝土橋墩的雙向擬動(dòng)力試驗(yàn)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(dòng)力試驗(yàn)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(yīng)和界面黏結(jié)作用,研究了薄壁鋼管混凝土在低周反復(fù)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究．由此可見,多維地震動(dòng)作用下墩柱的抗震性能研究正受到越來越多的關(guān)注．

國(guó)外關(guān)于鋼筋混凝土墩柱抗震試驗(yàn)研究的早期重點(diǎn)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(duì)大比例尺墩柱進(jìn)行大量試驗(yàn)研究,使得橋梁延性抗震設(shè)計(jì)逐漸走向成熟．而近期的研究重點(diǎn)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(yàn)結(jié)果應(yīng)用于驗(yàn)證規(guī)范的合理性．

3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展

鑒于地震震害的教訓(xùn)以及對(duì)傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的深刻反省,美國(guó)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(shè)計(jì)(performance-based seismic design,PBSD)的概念和理論框架．基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法主要涉及3個(gè)方面的內(nèi)容:① 設(shè)防水準(zhǔn)和性能目標(biāo)的建立;② 性能目標(biāo)的選擇;③ 實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法．

性能目標(biāo)反映了結(jié)構(gòu)在特定地震設(shè)防水準(zhǔn)下預(yù)期破壞的最大程度．選擇合適的性能目標(biāo)是基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的核心內(nèi)容．性能目標(biāo)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(fù)的難易程度、社會(huì)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(jié)構(gòu)所處地理位置的重要性以及結(jié)構(gòu)在震后投入運(yùn)營(yíng)的情況,提出了具體性能目標(biāo)的確定方法．Berry等[89-90]基于美國(guó)太平洋抗震工程研究中心(PEER)提供的鋼筋混凝土柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),針對(duì)鋼筋混凝土墩柱(實(shí)心截面為主)的彎曲破壞模式,以5個(gè)性能等級(jí)為破壞界限，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并以漂移率作為判別指標(biāo),提出了2種破壞狀態(tài)(保護(hù)層混凝土剝落與縱筋壓屈)目標(biāo)位移的計(jì)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(biāo)進(jìn)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(shù)的計(jì)算方法和抗震性能目標(biāo);陸本燕等[41,92]通過對(duì)127個(gè)圓形墩柱試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),提出了公路鋼筋混凝土橋墩5個(gè)性能水平下的位移角量化指標(biāo),用于基于性能抗震設(shè)計(jì)時(shí)橋墩墩頂位移的確定．

PBSD采用的主要抗震設(shè)計(jì)方法包括能量法、綜合設(shè)計(jì)法、基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法等．目前的研究仍然以基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法為主,又可細(xì)分為能力譜法、延性系數(shù)設(shè)計(jì)法以及直接基于位移的設(shè)計(jì)方法,且以最后一種設(shè)計(jì)方法為主．基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法是指直接以結(jié)構(gòu)位移為設(shè)計(jì)指標(biāo),針對(duì)不同地震設(shè)防水準(zhǔn),制定相應(yīng)的、以損傷為基礎(chǔ)的目標(biāo)位移,并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)．通過設(shè)計(jì),使得結(jié)構(gòu)在給定水準(zhǔn)地震作用下達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移,從而有效控制結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用下的行為．將位移作為控制結(jié)構(gòu)行為的參數(shù),不僅可以與以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的損傷狀態(tài)聯(lián)系到一起,而且在宏觀上可以對(duì)結(jié)構(gòu)的整體行為進(jìn)行合理的控制[93-94]．黃建文等[95-97]通過引入強(qiáng)度折減系數(shù)、位移延性系數(shù)和周期的關(guān)系，建立非彈性位移反應(yīng)譜,考慮高階振型的影響,由非彈性位移反應(yīng)譜直接計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移需求,以實(shí)現(xiàn)基于位移的鐵路橋梁墩柱抗震分析和設(shè)計(jì)．值得注意的是,基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是建立在中、低墩橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)之上的;基于性能的橋梁高墩抗震設(shè)計(jì)理論還有待于深入的試驗(yàn)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(dǎo)致的混凝土墩柱變形能力退化;鄒中權(quán)[101]對(duì)鋼筋混凝土延性構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)的概率模型、隨機(jī)非彈性反應(yīng)譜、基于能量的Pushover方法等進(jìn)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(shè)計(jì)與分析還需開展大量基礎(chǔ)性研究工作．

4 研究展望

1) 由于地震時(shí)地面的運(yùn)動(dòng)是多維運(yùn)動(dòng),故應(yīng)該考慮多維地震動(dòng)的聯(lián)合作用．目前,對(duì)于橋墩的擬靜力試驗(yàn)和相關(guān)研究大多是單向的,橋墩的多維擬靜力試驗(yàn)(雙向擬靜力試驗(yàn)和雙向擬動(dòng)力試驗(yàn))和全橋地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣試驗(yàn)研究還處于初步研究階段,需要進(jìn)一步完善．

2) 迄今為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁高墩抗震問題的系統(tǒng)研究還比較少,應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)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(zhǎng)細(xì)比、軸壓比、含筋率、含鋼率、截面寬厚比等參數(shù)影響下的多維抗震性能(破壞機(jī)制、多維恢復(fù)力模型、延性和耗能能力、局部屈曲及損傷影響等)．

3) 關(guān)于考慮樁土-結(jié)構(gòu)共同作用下高墩抗震性能的研究還不充分．對(duì)于樁基先于橋墩屈服的情況,可以適當(dāng)削弱橋墩的局部強(qiáng)度,從而降低橋墩的屈服強(qiáng)度;對(duì)于削弱部分,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行填充,使橋墩先于基礎(chǔ)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(jìn)行大量試驗(yàn),以充分考慮下部結(jié)構(gòu)樁-土共同作用對(duì)于高墩整體抗震性能的影響．

4) 關(guān)于橋梁高墩在多維地震動(dòng)作用下的非線性地震響應(yīng)模擬和簡(jiǎn)化分析方法還需要進(jìn)一步加強(qiáng),其中的關(guān)鍵問題有:① 如何確定合適的混凝土的彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)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(jī)理;③ 如何考慮鋼柱局部屈曲對(duì)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(xiàn)．

5) 近年來的地震動(dòng)呈現(xiàn)強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),大跨高墩橋梁抗震研究應(yīng)當(dāng)考慮輸入地震動(dòng)頻譜的特性．高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有周期長(zhǎng)、高階振型參與、地震損傷更為突出等特點(diǎn),應(yīng)當(dāng)專門研究和分析長(zhǎng)周期彈塑性位移反應(yīng)譜和能量反應(yīng)譜,考慮非一致多點(diǎn)激勵(lì)的影響．

6) 隨著減隔震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,應(yīng)當(dāng)充分開展大跨高墩橋梁的減隔震設(shè)計(jì)與分析,包括隔震支座裝置、隔震設(shè)計(jì)位移反應(yīng)譜和能量反應(yīng)譜、基礎(chǔ)-墩柱-減隔震支座-上部主梁的共同作用效應(yīng)、規(guī)則及不規(guī)則橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)方法和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法等．

7) 國(guó)內(nèi)外對(duì)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法研究還沒有一套完整、成熟的理論體系,通常對(duì)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)仍沿用中低墩橋梁的相關(guān)規(guī)范,這無疑具有很大的盲目性和隨機(jī)性．如何選取合理的抗震性能指標(biāo)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(shè)計(jì)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(dòng)、材料及結(jié)構(gòu)等都具有顯著的不確定性,傳統(tǒng)的確定性抗震分析及設(shè)計(jì)方法顯然不能反映橋梁抗震的概率統(tǒng)計(jì)特性．研究橋梁高墩的隨機(jī)非彈性概率反應(yīng)譜、墩柱延性指標(biāo)的概率分布模型,探索高墩橋梁的概率抗震分析方法,應(yīng)當(dāng)受到密切關(guān)注．

9) 傳統(tǒng)墩柱采取的是“提升自身強(qiáng)度、剛度和延性,抵御地震動(dòng)”的設(shè)計(jì)思想,破壞后難以修復(fù)或重復(fù)使用．可修復(fù)墩柱結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新型墩柱結(jié)構(gòu),其基本構(gòu)造是在墩底、墩頂或者墩身可能出現(xiàn)塑性鉸的位置設(shè)置相應(yīng)的耗能減震裝置,允許此類墩柱在強(qiáng)震下出現(xiàn)擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)變形,甚至耗能減震裝置的破壞,確保不出現(xiàn)墩柱倒塌、落梁等極端破壞現(xiàn)象，地震后則可進(jìn)行耗能減震裝置的維修或者更換．可修復(fù)墩柱結(jié)構(gòu)的耗能裝置的研制、不同類型可修復(fù)墩柱的非線性地震響應(yīng)、延性抗震設(shè)計(jì)方法、可更換耗能裝置的維修等有待于深入研究．

5 結(jié)語

我國(guó)高速重載鐵路和高速公路的建設(shè)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(yīng)用將越來越多．本文在比較國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范異同的基礎(chǔ)上,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外橋梁墩柱抗震試驗(yàn)研究、基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法等方面的研究進(jìn)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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