王震　王景全

摘要：為進(jìn)一步推動(dòng)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩在高烈度區(qū)橋梁工程中的應(yīng)用，從自復(fù)位能力、耗能能力、底節(jié)段容許損傷能力和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法4個(gè)方面系統(tǒng)梳理和總結(jié)了各國學(xué)者開展的相關(guān)研究，并指出了當(dāng)前研究存在的問題以及未來的發(fā)展方向。結(jié)果表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能提供更好的自復(fù)位能力，橋墩震后殘余變形很?。幌鄬?duì)于現(xiàn)澆橋墩，該形式橋墩耗能能力較差，需要設(shè)置專門的耗能裝置，其中外置耗能裝置震后可更換，更值得推廣；預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩魯棒性差，必須注意提高底節(jié)段容許損傷能力；針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的基于性能抗震設(shè)計(jì)才剛剛起步，需要進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：橋墩；節(jié)段預(yù)制；拼裝；預(yù)應(yīng)力混凝土；自復(fù)位；耗能；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU378文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to promote the application of prestressed segmental precast and assembled piers in high seismicity areas bridge engineering， the relevant researches were summarized systematically from four aspects， including selfcentering， energy dissipation， damage tolerance of bottom segment and performancebased seismic design， and the existing problems and future research directions were pointed out. The results show that unbonded prestressed tendons can provide better selfcentering， and the residual deformation of pier is very small after the earthquake. Compared with the castinplace pier， the prestressed segmental precast and assembled pier is poor in energy dissipation capacity and need to set up a special energy dissipation device， in which the external energy dissipation device can be replaced after the earthquake and is worth popularizing. The robust performance of prestressed segmental precast and assembled piers is poor， which should be paid attention to improve the allowable damage ability of the bottom section. The performancebased seismic design of prestressed segmental precast and assembled piers has just started and needs further development.

Key words： pier； precast segment； assembling； prestressed concrete； selfcentering； energy dissipation； seismic performance

0引言

在橋梁建設(shè)特別是城市橋梁建設(shè)中使用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)不僅可以大幅縮短工期，減少對(duì)交通的干擾，而且有助于提高構(gòu)件的質(zhì)量，減少全壽命周期成本和對(duì)環(huán)境的影響[1]。該技術(shù)自1962年由米勒用于建造法國塞納河上的舒瓦齊勒羅瓦大橋以來，逐漸成為橋梁上部結(jié)構(gòu)建設(shè)中常用的施工方法之一，在低烈度區(qū)的橋梁下部結(jié)構(gòu)中也開始出現(xiàn)了一些工程應(yīng)用。1971年，美國德克薩斯州約翰肯尼迪堤道橋首次使用了節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，此后的佛羅里達(dá)州七英里大橋、德克薩斯州183高速公路高架橋以及新澤西州勝利大橋都采用了該形式的橋墩。1997年建成的加拿大聯(lián)邦大橋以及2000年建成的丹麥—瑞典厄勒海峽大橋全橋采用節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩。中國較早開始在下部結(jié)構(gòu)中使用預(yù)制構(gòu)件的橋梁包括北京積水潭橋和東海大橋，隨后在一些重要的跨江跨海橋梁如杭州灣大橋、上海長江大橋以及港珠澳大橋中也開始使用節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩。

節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩因接縫類型的不同可以分為2類。一類是采用在鋼筋連接部位通過后澆混凝土進(jìn)行連接的濕接縫，橋墩力學(xué)特性可以等效為沒有接縫的現(xiàn)澆橋墩，但需考慮接縫區(qū)鋼筋的連接以及不同齡期混凝土的存在對(duì)橋墩整體性能的影響。此類橋墩可以稱之為裝配整體式橋墩，北京積水潭橋、東海大橋、杭州灣大橋、上海長江大橋使用的節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩都屬于這一類。另一類是縱向受力鋼筋在接縫處斷開，節(jié)段之間采用干接縫或膠接縫，然后采用后張預(yù)應(yīng)力的方式將節(jié)段連接成整體，可以稱為預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，此類橋墩參照搖擺體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，約翰肯尼迪堤道橋、七英里大橋、183高速公路高架橋、加拿大聯(lián)邦大橋、厄勒海峽大橋以及中國的港珠澳大橋都屬于這一類。

為推動(dòng)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩在中高烈度區(qū)橋梁工程中的應(yīng)用，需要結(jié)合其結(jié)構(gòu)特性和工程應(yīng)用范圍對(duì)抗震性能進(jìn)行研究，為此，各國學(xué)者開展了一系列的試驗(yàn)探索和理論分析。本文將從自復(fù)位能力、耗能機(jī)制、底節(jié)段容許損傷能力、基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法4個(gè)方面對(duì)各國關(guān)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩抗震性能取得的研究成果進(jìn)行介紹，以期促進(jìn)這一技術(shù)在中國的應(yīng)用和發(fā)展。

1自復(fù)位能力影響因素及計(jì)算方法

近年來，節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩在工程實(shí)踐中得到了越來越多的應(yīng)用（圖1），各國一些重要橋梁建設(shè)中采用了這一形式的橋墩。與裝配整體式橋墩相比，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩與基礎(chǔ)通過干接縫或膠接縫連接，約束較弱，又通過預(yù)應(yīng)力將橋墩各節(jié)段以及橋墩與基礎(chǔ)聯(lián)系在一起，其結(jié)構(gòu)形式就決定了預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩具有良好的自復(fù)位能力，這一特性也成為該形式橋墩除適合快速施工以外的另一優(yōu)勢(shì)。2種形式橋墩的對(duì)比見表1。

1963年，Housner[2]首次報(bào)道了由于對(duì)高位水槽的基礎(chǔ)不經(jīng)意做了弱化處理，允許整體結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺，使得結(jié)構(gòu)在1960年智利大地震中免遭破壞。這次意外發(fā)現(xiàn)引起了各國學(xué)者對(duì)搖擺結(jié)構(gòu)抗震性能的極大興趣，并開展了一系列研究[39]。至20世紀(jì)90年代，美、歐、日學(xué)者在放松結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間約束的同時(shí)，又通過預(yù)應(yīng)力將結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)聯(lián)系在一起，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下首先發(fā)生一定的彎曲變形，超過一定限制后發(fā)生搖擺，地震作用停止后通過預(yù)應(yīng)力恢復(fù)到原有位置，這樣的力學(xué)特性被稱為自復(fù)位能力[10]。

在1995年Kobe地震中有100多座橋梁雖然橋墩僅遭受輕微或中度破壞，但由于殘余位移過大而不得不拆除重建[11]。為此，各國學(xué)者逐漸意識(shí)到與控制地震中結(jié)構(gòu)的最大變形一樣，減少甚至消除震后結(jié)構(gòu)的殘余變形也是基于性能抗震設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。通過施加預(yù)應(yīng)力使橋墩具有自復(fù)位能力正是減小殘余變形的有效手段。Ikeda等[1215]對(duì)施加豎向預(yù)應(yīng)力的混凝土橋墩進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)通過施加豎向預(yù)應(yīng)力，混凝土橋墩具有較高的屈服后剛度，滯回曲線中出現(xiàn)了明顯的捏縮段，具有良好的自復(fù)位能力，殘余變形大幅減小，但通常耗能能力較差。Sakai等[1617]在太平洋地震工程研究中心（PEER）資助下針對(duì)施加豎向預(yù)應(yīng)力的混凝土橋墩進(jìn)行了256根不同參數(shù)試件在擬靜力和動(dòng)力加載條件下的數(shù)值模擬，研究參數(shù)包括預(yù)應(yīng)力筋位置、無粘結(jié)長度、預(yù)加應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋比例、縱筋配筋率等。

裝配整體式橋墩預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩優(yōu)勢(shì)不足優(yōu)勢(shì)不足等同現(xiàn)澆橋墩，現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)方法可以直接應(yīng)用。接縫處鋼筋現(xiàn)場(chǎng)連接困難；后澆混凝土影響施工進(jìn)度；震后殘余變形大，修復(fù)或拆除成本高。不存在接縫處鋼筋連接問題；無后澆混凝土，施工進(jìn)度更快；具有自復(fù)位能力，震后殘余變形小。橋墩安全性能對(duì)預(yù)應(yīng)力筋可靠度依賴太大；干接縫或膠接縫的存在影響結(jié)構(gòu)耐久性；耗能能力較現(xiàn)澆橋墩稍差；地震位移需求更大，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋引起的軸壓力成倍增長，造成底節(jié)段混凝土壓碎；抗剪計(jì)算復(fù)雜，無現(xiàn)成的方法可用。的軸壓比）、預(yù)加軸壓比（張拉預(yù)應(yīng)力引起的軸壓比）、預(yù)應(yīng)力度、配筋指標(biāo)、預(yù)應(yīng)力筋配筋位置和預(yù)應(yīng)力筋有無粘結(jié)等因素對(duì)試件自復(fù)位能力的影響。

1997年，Mander等[19]對(duì)采用干接縫的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩在試驗(yàn)后基本無損傷，殘余變形可忽略，具有明顯的自復(fù)位能力。隨后針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩自復(fù)位特性的研究主要集中于弄清影響自復(fù)位能力的因素以及自復(fù)位能力在加載過程中的變化規(guī)律。2005年，Palermo等[20]研究表明后張預(yù)應(yīng)力使橋墩與基礎(chǔ)交接面處的抗側(cè)力小于傳統(tǒng)固定基礎(chǔ)橋墩，但大于無預(yù)應(yīng)力的搖擺橋墩，并為橋墩的搖擺提供一定的自復(fù)位能力。2007年，Palermo等[21]進(jìn)行了5根預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝矩形橋墩的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)包括無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量和初始預(yù)應(yīng)力水平。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比現(xiàn)澆構(gòu)件，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的存在可以減小預(yù)制橋墩損傷，減小殘余變形，隨著無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量增加和初始預(yù)應(yīng)力水平的提高，橋墩自復(fù)位能力有所增強(qiáng)。Ou等[2223]首先進(jìn)行了4根大尺寸預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝箱型高墩的低周往復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可以提高橋墩橫向剛度和耗能能力，但加載后期預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，導(dǎo)致較大的殘余變形，相比之下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能提供更好的自復(fù)位能力。為進(jìn)一步研究剪跨比適中預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝箱型橋墩的抗震性能，Ou等[24]進(jìn)行了4根大尺寸試件的擬靜力試驗(yàn)，提出耗能鋼筋對(duì)橋墩強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率λED這一概念。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，耗能鋼筋用量、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋初始應(yīng)力水平影響λED取值；為保持橋墩良好的自復(fù)位能力，λED不宜大于35%。2008年，Shim等[25]以城市輕軌高架橋?yàn)楸尘?，設(shè)計(jì)了一種利用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的新型預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩。該橋墩利用圓鋼管作為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力管道，圓鋼管底部預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)，并通過設(shè)置多排栓釘增大與基礎(chǔ)的錨固力。隨后進(jìn)行的7根試件的擬靜力試驗(yàn)表明，新型橋墩與現(xiàn)澆混凝土橋墩的抗震性能相似，能發(fā)生彎曲破壞，在橋墩底部形成了明顯的塑性鉸；試驗(yàn)過程中沒有無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生拉斷，橋墩具有一定的自復(fù)位能力，但殘余變形仍比較大。葛繼平等[2627]對(duì)5根不同構(gòu)造類型的混凝土橋墩分別進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)耗能鋼筋的存在一方面可以延緩底部接縫的張開，提高橋墩的耗能能力，另一方面也會(huì)增加橋墩的殘余變形，預(yù)應(yīng)力筋的存在使得橋墩具有自復(fù)位能力。2014年，Sideris等[28]進(jìn)行了1根大尺寸箱型截面的混合搖擺滑移橋墩的低周往復(fù)試驗(yàn)，并提出了相對(duì)自復(fù)位效率的概念，用于衡量試件在試驗(yàn)過程中自復(fù)位能力的變化，通過試驗(yàn)得到如下結(jié)論：在加載位移角介于3%～10%時(shí)，自復(fù)位能力也相應(yīng)提高，在加載位移角大于10%后，底節(jié)段混凝土剝落和壓碎，預(yù)應(yīng)力損失變大，橋墩自復(fù)位能力也有明顯下降。王軍文等[29]對(duì)3根預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝空心橋墩（1根整體式和2根裝配式）和1根混凝土空心橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)布置無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋可有效降低殘余位移，但會(huì)減小耗能能力。Bu等[30]對(duì)5根1/4比例的圓形截面試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能夠在試驗(yàn)過程中始終提供較大的有效預(yù)應(yīng)力，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋則存在較大的預(yù)應(yīng)力損失。

除上述的試驗(yàn)研究外，葛繼平等[3133]利用OpenSees有限元軟件建立了關(guān)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的纖維元模型，通過與試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模型能夠較好地模擬試件的滯回曲線，對(duì)殘余變形的計(jì)算較為準(zhǔn)確，具有一定的參考意義。此外，Kim等[34]開發(fā)的有限元軟件RCAHEST和臺(tái)灣地震工程研究中心開發(fā)的有限元軟件PISA[35]也被用于建立預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的有限元模型，該模型得到的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Hewes等[36]還針對(duì)底節(jié)段采用圓鋼管混凝土的預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩提出了一種旗幟形滯回模型，Chou等[37]考慮地震作用下橋墩的剛度退化對(duì)旗幟形滯回模型進(jìn)行修正，得到了剛度退化旗幟形模型，并將剛度退化旗幟形模型賦予地震激勵(lì)下的單自由度體系，可以得到豐富準(zhǔn)確的地震響應(yīng)。

盡管關(guān)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩自復(fù)位能力開展的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍較為有限，以下方面需要進(jìn)一步研究：

（1）通過試驗(yàn)對(duì)外加軸壓比、預(yù)加軸壓比、耗能鋼筋用量以及預(yù)應(yīng)力筋有無粘結(jié)等影響橋墩自復(fù)位能力的因素進(jìn)行研究并得到了一些定性結(jié)論，但往往只是針對(duì)特定試件，適用范圍較小，不能供設(shè)計(jì)人員直接參考。

（2）缺少衡量橋墩自復(fù)位能力的科學(xué)指標(biāo)，僅僅依靠橋墩殘余變形的位移角不能合理地反映橋墩在試驗(yàn)過程中自復(fù)位能力的變化，Sideris等[28]提出的相對(duì)自復(fù)位效率的概念可以借鑒。

（3）通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，除試驗(yàn)研究外，通用有限元軟件OpenSees能夠較好模擬預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的滯回曲線，但尚無簡(jiǎn)單可行的方法可用于計(jì)算該形式橋墩的殘余變形。針對(duì)混凝土橋墩殘余變形的研究是當(dāng)前抗震領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3839]，包括殘余變形反應(yīng)譜在內(nèi)的研究方法都值得借鑒[40]。文獻(xiàn)[41]，[42]針對(duì)旗幟形滯回模型的殘余變形已進(jìn)行了一定的研究，但仍需繼續(xù)深入，以形成方便設(shè)計(jì)使用的計(jì)算方法。2耗能方案

預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩通過底節(jié)段與基礎(chǔ)接觸處能發(fā)生搖擺，避免了在墩底形成塑性鉸區(qū)，減少了橋墩在地震中的損傷，但也因?yàn)槿鄙偎苄糟q區(qū)的彈塑性耗能，整個(gè)橋墩的耗能能力較差[1930]，這也成為在中高烈度區(qū)橋梁工程中推廣預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩所必須要解決的問題。

為此，各國學(xué)者提出了各種方案用來提高預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的耗能能力。Billington等[43]提出了采用高延性水泥基復(fù)合材料（ECC）制作潛在塑性鉸區(qū)節(jié)段，用于提高橋墩整體的耗能能力，其余節(jié)段仍采用普通混凝土，并研究了橋墩在基礎(chǔ)內(nèi)的嵌固深度對(duì)耗能能力的影響，通過7根試件的擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用ECC可以提高橋墩的耗能能力，但提高幅度有限，增加橋墩嵌固深度可以提高耗能能力，但墩底損傷也會(huì)相應(yīng)增加。Palermo等[21]進(jìn)行了5根矩形實(shí)心預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的擬靜力試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，套筒灌漿連接耗能鋼筋不僅耗能鋼筋本身能夠耗能，金屬的套筒也可以耗能，使得橋墩能夠具有良好的耗能能力。隨后，Marriott等[4446]開發(fā)了一種叫可更換防屈曲保險(xiǎn)絲性軟鋼阻尼器，并將這一新型阻尼器用于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩上進(jìn)行單軸和雙軸擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明該阻尼器能夠顯著提高橋墩的耗能能力。Chou等[47]改進(jìn)了Hewes等[36]的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的2根試件沿墩身全長均采用圓鋼管約束混凝土節(jié)段，其中1根在墩底處設(shè)置了專門的軟鋼耗能裝置，通過低周往復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，耗能裝置能夠使得試件具有較好的耗能能力。Motaref等[48]對(duì)5根1/3比例的預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝圓形橋墩進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。研究對(duì)象包括采用普通混凝土作為底節(jié)段的試件、采用ECC作為底節(jié)段的試件、采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）包裹混凝土作為底節(jié)段的試件和在底節(jié)段中添加橡膠墊層的試件，同時(shí)對(duì)采用普通混凝土作為底節(jié)段的試件進(jìn)行震后FPR包裹加固，也作為研究對(duì)象之一再次進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，包括采用FRP加固試件在內(nèi)的幾種形式橋墩均適合快速施工，具有良好的耗能能力。Sideris等[28]提出混合搖擺滑移橋墩并通過上部節(jié)段在接觸處的滑移來實(shí)現(xiàn)摩擦耗能。Guo等[49]在橋墩底部外側(cè)設(shè)置鋁棒作為可替換的耗能裝置，對(duì)設(shè)計(jì)的4根試件共進(jìn)行了15種工況的擬靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種形式的橋墩具有良好的耗能能力。Ou等[22，24，2627，2930]選用內(nèi)置耗能鋼筋的方法來增加預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的耗能能力，通過擬靜力和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以得知，耗能鋼筋用量越多，屈服強(qiáng)度越低，橋墩的耗能能力越強(qiáng)，但殘余變形也會(huì)相應(yīng)增加。部分耗能裝置如圖2所示。

各國學(xué)者提出的耗能方案基本可以分為不需要專門耗能裝置和需要專門耗能裝置兩大類，其中需要專門耗能裝置又分為內(nèi)置耗能裝置和外置耗能裝置?；旌蠐u擺滑移橋墩利用上部滑移節(jié)點(diǎn)耗能以及底節(jié)段采用ECC等都屬于不需要專門耗能裝置的耗能方案。內(nèi)置耗能裝置包括設(shè)置耗能鋼筋、橡膠墊層等，這類方案因?yàn)閷⒑哪苎b置內(nèi)置，耐久性能夠得到保證，但震后修復(fù)更換困難；外置耗能裝置包括可更換防屈曲保險(xiǎn)絲性軟鋼阻尼器、外置鋁棒等，這類方案因?yàn)閷⒑哪苎b置外置，震后修復(fù)更換方便，但需要采用專門措施來保證耐久性。通過對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩耗能方案的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，可以得到如下結(jié)論：

（1）預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩采用不設(shè)置專門耗能裝置的方案，其耗能能力提高有限[28，43]。目前針對(duì)內(nèi)置耗能鋼筋等內(nèi)置耗能裝置研究雖然較多，但其震后不易修復(fù)或更換困難的缺點(diǎn)很難解決，相對(duì)而言，外置耗能裝置的優(yōu)勢(shì)更明顯，其耐久性問題可以通過構(gòu)造措施（如在外置鋼構(gòu)件表層涂抹防腐材料）或使用新材料（如采用不銹鋼制作外置耗能裝置）等方法來解決，因此，在未來的工程應(yīng)用中外置耗能裝置的耗能方案將更具優(yōu)勢(shì)，中國的研究者們應(yīng)予以關(guān)注。

（2）對(duì)于耗能裝置的力學(xué)性能應(yīng)進(jìn)行專門研究，建立合適的力學(xué)模型，開發(fā)專門的計(jì)算單元，理清不同的破壞模式，定義各自的極限狀態(tài)，推導(dǎo)相應(yīng)的計(jì)算方法，為具有工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的耗能裝置在未來工程實(shí)踐中的推廣提供理論依據(jù)和計(jì)算方法。

（3）借鑒建筑結(jié)構(gòu)中常用的耗能裝置，如采用粘彈性材料制成的阻尼器、防屈曲支撐以及摩擦耗能螺栓等，結(jié)合橋墩使用環(huán)境的自身特點(diǎn)，對(duì)這些耗能裝置進(jìn)行甄別、改造和發(fā)展，進(jìn)一步豐富預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩耗能方案。3底節(jié)段容許損傷能力提高措施

為使預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩在地震作用下具有足夠的自復(fù)位能力和抗剪承載力，需要施加較大的預(yù)應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力和上部恒載作用下，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的軸壓力水平較高。當(dāng)橋墩遭受地震作用時(shí)，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩底節(jié)段在基礎(chǔ)接縫處會(huì)發(fā)生往復(fù)的張開閉合，底節(jié)段較現(xiàn)澆混凝土橋墩墩底更易壓碎[1930]。對(duì)于采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，一旦橋墩中的任一節(jié)段出現(xiàn)嚴(yán)重壓碎，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋回縮，預(yù)應(yīng)力將損失嚴(yán)重，橋墩節(jié)段接縫處的抗剪承載力也隨之下降，橋墩節(jié)段之間可能發(fā)生嚴(yán)重滑移，從而導(dǎo)致橋墩發(fā)生剪切破壞[29]。

2005年11月，國際結(jié)構(gòu)安全聯(lián)合委員會(huì)（JCSS）聯(lián)合國際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）的第一工作委員會(huì)在英國專門召開了結(jié)構(gòu)魯棒性研討會(huì)，引起了土木工程界對(duì)結(jié)構(gòu)魯棒性問題的重視[50]。目前針對(duì)結(jié)構(gòu)魯棒性的研究尚處在起步階段，關(guān)于結(jié)構(gòu)魯棒性的定義可以理解為在發(fā)生偶然事件對(duì)結(jié)構(gòu)造成局部損傷的條件下，結(jié)構(gòu)體系具有不發(fā)生整體失效后果與局部損傷原因不成比例破壞的一種能力[51]。利用結(jié)構(gòu)魯棒性的定義對(duì)照預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋墩遭受地震作用這一偶然事件時(shí)，如果底節(jié)段或其他任一節(jié)段局部發(fā)生嚴(yán)重壓碎，而預(yù)應(yīng)力筋選擇無粘結(jié)，橋墩節(jié)段抗剪承載力將會(huì)急劇減小，導(dǎo)致整個(gè)橋墩發(fā)生剪切破壞，最終造成橋梁的垮塌，即可以定性地認(rèn)為預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的魯棒性較差。劉西拉等[52]總結(jié)了改善結(jié)構(gòu)魯棒性的幾種方法，包括替代荷載路徑法、關(guān)鍵構(gòu)件加強(qiáng)法、能量吸收裝置法、事件控制法。對(duì)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，采用替代荷載路徑法可以在接縫處設(shè)置剪力鍵，盡管已有研究證實(shí)節(jié)段接觸處的抗剪承載力基本由摩擦力提供，剪力鍵基本不發(fā)揮作用[2224，43]，但如果預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，隨著節(jié)段之間發(fā)生相對(duì)滑移，剪力鍵提供的抗剪承載力將會(huì)逐漸增加，有助于避免橋墩發(fā)生剪切破壞；第2節(jié)介紹的設(shè)置專門耗能裝置屬于能量吸收裝置法的范疇；事件控制法強(qiáng)調(diào)避免意外荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于地震作用，一般強(qiáng)調(diào)在選址時(shí)避免高烈度區(qū)和不利地質(zhì)條件；關(guān)鍵構(gòu)件加強(qiáng)法是最直接和最常用的方法，對(duì)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，就是采取該措施提高底節(jié)段容許損傷能力。

為提高預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩底節(jié)段容許損傷能力，Hewes等[36，47]采用圓鋼管約束底節(jié)段混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼管越高，約束效果越好，底節(jié)段混凝土損傷越輕；Billington等[43]利用ECC本身的容許損傷能力來提高結(jié)構(gòu)的魯棒性，與普通混凝土相比，ECC不發(fā)生壓潰現(xiàn)象，由于鋼纖維的存在，ECC能夠保持裂而不散；Motaref等[48]采用ECC和FRP包裹混凝土作為底節(jié)段，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)證實(shí)該措施能夠減輕底節(jié)段損傷；Guo等[49]也采用FRP包裹混凝土來提供底節(jié)段的容許損傷能力。更多學(xué)者選擇采用傳統(tǒng)加密底節(jié)段箍筋的措施避免底節(jié)段混凝土壓潰[2030]，試驗(yàn)證實(shí)采用這一措施后基本能防止核心區(qū)混凝土壓碎，但保護(hù)層混凝土仍損傷嚴(yán)重，隨著加載位移的增加，預(yù)應(yīng)力損失增加，效果并不是太理想。

通過對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩底節(jié)段容許損傷能力提高措施研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，可以得到如下結(jié)論：

（1）預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的魯棒性較差，底節(jié)段容許損傷能力直接影響橋墩的抗震性能，為避免因底節(jié)段損傷造成橋墩在地震作用下發(fā)生剪切破壞，應(yīng)當(dāng)在接縫處增設(shè)剪力鍵，提高橋墩魯棒性。

（2）傳統(tǒng)的在墩底加密箍筋的措施對(duì)提高底節(jié)段容許損傷能力效果有限，在底節(jié)段采用圓鋼管約束、FRP包裹或采用ECC等措施比較有效，值得推廣，但需在計(jì)算中考慮圓鋼管、FRP包裹對(duì)普通混凝土的約束作用，發(fā)展相應(yīng)的約束混凝土或ECC本構(gòu)模型。此外，具有高延性、高強(qiáng)度和良好容許損傷能力的超高性能混凝土[5354]也是提高預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩底節(jié)段容許損傷能力的備選方案之一。4基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法是通過將抗震設(shè)防目標(biāo)和設(shè)計(jì)過程直接相聯(lián)系，從而更準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的實(shí)際性能[5556]。發(fā)展基于性能的抗震設(shè)計(jì)需要解決一系列問題，包括確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，建立衡量抗震性能目標(biāo)的量化指標(biāo)，以及設(shè)計(jì)過程中對(duì)量化指標(biāo)的落實(shí)。

目前關(guān)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究還很少。Kam等[5759]提出了先進(jìn)旗幟形系統(tǒng)的概念，這一系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力或形狀記憶合金提供自復(fù)位能力，并設(shè)置專門的耗能裝置提供耗能能力，其在地震作用激勵(lì)下具有良好的耗能能力和較小的殘余變形，滯回曲線表現(xiàn)為旗幟形。按照定義，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩屬于先進(jìn)旗幟形系統(tǒng)的范圍。Kam等[58]針對(duì)設(shè)置不同耗能裝置的先進(jìn)旗幟形系統(tǒng)提出了不同的抗震設(shè)計(jì)方法。Hewes等[36]、Chou等[47]、Yamashita等[60]以及Bu等[33]都基于截面分析和塑性鉸模型分別給出了計(jì)算預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩墩頂荷載位移骨架曲線的解析方法。王軍文等[61]基于性能抗震設(shè)計(jì)的思想，提出一種搖擺式預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，該方法依據(jù)橋梁抗震設(shè)防水準(zhǔn)確定橋墩的損傷水平，并考慮墩底接縫區(qū)變形的影響，用來計(jì)算橋墩的目標(biāo)位移，借助非彈性位移譜計(jì)算橋墩的位移需求。

盡管各國學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩基于性能抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究并取得了一定成果，但距離在工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)仍有較大差距，主要有以下幾個(gè)方面的問題需要解決：

（1）目前針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩抗震性能目標(biāo)開展的研究還比較少，亟需確定適合于該形式橋墩的抗震性能目標(biāo)。對(duì)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，目前比較公認(rèn)的抗震性能目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”。然而，對(duì)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，傳統(tǒng)的抗震性能目標(biāo)可能是不恰當(dāng)?shù)模捎陬A(yù)應(yīng)力筋提供的回復(fù)力、墩底的搖擺作用以及底節(jié)段良好的容許損傷能力，對(duì)這一新型橋墩提出“中震不壞，大震可修”的抗震性能目標(biāo)可能更有利于發(fā)揮橋墩自身的抗震性能優(yōu)勢(shì)。

（2）預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩性能目標(biāo)的量化指標(biāo)也同樣需要專門研究。傳統(tǒng)混凝土橋墩使用較多的量化指標(biāo)包括最大變形和損傷指標(biāo)等。預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩較現(xiàn)澆橋墩在同樣的地震激勵(lì)下會(huì)有更大的變形需求，且預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩也同樣具有更大的變形能力。如果按照現(xiàn)澆橋墩的位移譜去確定目標(biāo)位移，則可能過低地評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能。因此，需要針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩恢復(fù)力特性開展專門研究，得到相應(yīng)的位移譜[62]。關(guān)于損傷指標(biāo)，目前采用較多的是AngPark損傷指標(biāo)[6364]，各國學(xué)者根據(jù)現(xiàn)澆混凝土橋墩在地震動(dòng)循環(huán)加載下的AngPark損傷性能分布特征，給出了損傷指數(shù)與破壞等級(jí)之間的關(guān)系，這些研究成果都是建立在墩底形成塑性鉸這一耗能機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)于采用不同耗能機(jī)制的預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩未必適用。為提高震后橋梁的可修性，需要控制橋墩震后的殘余變形，已有學(xué)者嘗試將殘余變形納入基于性能的抗震設(shè)計(jì)中[4142，62]，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩具有自復(fù)位能力，更應(yīng)該關(guān)注這方面的研究。

（3）在確定好量化指標(biāo)后，需要建立設(shè)計(jì)參數(shù)與量化指標(biāo)的關(guān)系，方便在設(shè)計(jì)過程中落實(shí)性能目標(biāo)。5結(jié)語

（1）如果配置得當(dāng)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋較有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能夠提供更好的自復(fù)位能力，可以保證橋墩在震后僅發(fā)生很小的殘余變形；當(dāng)前的試驗(yàn)研究僅給出了一些關(guān)于自復(fù)位能力影響因素的定性結(jié)論，不能滿足設(shè)計(jì)需要；缺少衡量自復(fù)位能力的指標(biāo)；除試驗(yàn)研究外，OpenSees能夠較好地計(jì)算橋墩的殘余變形，但仍缺乏計(jì)算殘余變形的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。

（2）如不設(shè)置專門耗能裝置，預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩耗能能力較現(xiàn)澆橋墩明顯不足；相比于內(nèi)置耗能裝置，外置耗能裝置因具有震后可更換的優(yōu)勢(shì)而更適合在工程中推廣，但應(yīng)注意外置耗能裝置的耐久性問題；應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力與外部環(huán)境選擇合適的耗能裝置，重視對(duì)耗能裝置力學(xué)性能和計(jì)算方法的研究。

（3）預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的魯棒性較差，應(yīng)當(dāng)在接縫處增設(shè)剪力鍵，提高橋墩的魯棒性；傳統(tǒng)的在墩底加密箍筋的措施對(duì)提高底節(jié)段容許損傷能力效果有限，采用ECC制作底節(jié)段或者利用鋼管或FRP對(duì)混凝土進(jìn)行約束則效果更為明顯。

（4）當(dāng)前針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究剛剛起步，應(yīng)從確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，建立衡量抗震性能目標(biāo)的量化指標(biāo)，以及設(shè)計(jì)過程中對(duì)量化指標(biāo)的落實(shí)3個(gè)方面入手，盡快建立一套關(guān)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩行之有效的設(shè)計(jì)方法。

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