打开文本图片集

摘要：在E2地震作用下，钢筋混凝土桥梁的墩柱会进入塑性阶段。为了提高高烈度地震区桥梁墩柱的韧性，将高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）和形状记忆合金材料（SMA）引入桥梁工程中，充分发挥ECC材料的高强度以及SMA材料的超弹性，保护高烈度地震区桥梁免遭地震的破坏并在震后具有较好的可恢复性能。首先，在OpenSees中建立了一个两跨（20+20m）的钢筋混凝土连续梁桥模型;然后将塑性铰区内的普通钢筋用SMA筋替换，另外整个塑性铰区的普通混凝土用ECC材料替换;随后选取了3条实测的地震波进行了弹塑性抗震分析;最后比较了采用新材料的桥梁和原始桥梁的抗震性能。研究结果显示：（1） 在E2地震作用下，普通钢筋混凝土墩底的曲率延性远远大于采用了新材料桥墩墩底的响应。（2） 在E2地震作用下，两种桥梁的滑动支座的最大剪切位移相差不大，均超过倒塌的阈值，需要在设计时慎重考虑。

关键词：E2地震作用;弹塑性分析;塑性铰;ECC材料;SMA筋;可恢复功能抗震

中图分类号： 文献标识码：

Abstract： Under E2 earthquake， the pier column of reinforced concrete bridge will enter the plastic stage. In order to improve the toughness of bridge piers in high-intensity earthquake areas， high ductility fiber reinforced cement-based composites （ECC） and shape memory alloy （SMA） are introduced into bridge engineering to give full play to the high strength of ECC materials and the hyperelasticity of SMA materials， protect bridges in high-intensity earthquake areas from earthquake damage and have good recoverable performance after earthquake. Firstly， a two span （20+20m） reinforced concrete continuous beam bridge model is established in OPENSEES; Then replace the ordinary reinforcement in the plastic hinge area with SMA reinforcement， and replace the ordinary concrete in the whole plastic hinge area with ECC material; Then three measured seismic waves are selected for elastic-plastic seismic analysis; Finally， the seismic performance of the bridge with new materials and the original bridge is compared. The results show that： （1） under E2 earthquake， the curvature ductility of ordinary reinforced concrete pier bottom is much greater than that of pier bottom with new materials. （2） Under E2 earthquake， the maximum shear displacement of the sliding bearing of the two bridges is almost the same， which exceeds the collapse threshold， which needs to be carefully considered in the design.

Keywords： E2 earthquake action  elastoplastic analysis  plastic hinge ECC materials SMA reinforcement recoverable seismic functio

美国San Fernand1971年地震动发生后，世界各国都意识到单个建筑构件的延展性能对整体建筑结构抗震性能的重要意义;1994年美国北岭（Northridge）地震动和1995年日本Kobe地震动之后，大多数专家更是一致认为结构的整体延展性能是建筑抗震设计中的重中之重。为保证结构的整体延展性能，同时最大限度地避免偶然性地震对建筑结构破坏，世界著名地震工程学者Park和Paulay等在20世纪70年代中期创造性提出了能力保护构件设计原则。所谓能力保护构件设计原则的基本思路就是通过设计策划和设计实施，将结构体系中延展性能构件和能力保护构件形成强度的等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。对于钢筋混凝土梁式桥来说，由于塑性铰区一般出现在桥梁钢筋混凝土墩柱下部，因此将桥梁墩柱作为延性 构件进行设计，确定其适当的强度等级，保证桥梁墩柱在E2地震作用下塑性铰区可以发生弹塑性变形，同时还能消耗部分由地震输入给桥梁墩柱的能量。近年来各国专家对新型材料的研究也为桥梁工程的抗震研究提供了创新的可能。形状记忆合金（SMA）由于具有超弹性和较好的耗能能力被用于地震区的桥梁工程的研究中[2-8]。SMA超弹性是指在一定温度下，奥氏体的SMA在外荷载拉、压作用下引起马氏体相变，等外荷载消失后变位的晶格重新恢复为奥氏体的状态，在受力结束后几乎不发生残余变形，却能够消耗一定的能量。2019年建成的美国西雅图高架桥是世界上首次将SMA筋用于桥梁墩柱的塑性铰区的桥梁[9]。2020年建成的中国云南大田坝2号桥首次采用了SMA拉索支座，开创了SMA材料在桥梁抗震领域的应用先河。此外，高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）材料具有较高的抗压和抗拉强度，将它应用于桥梁墩柱的塑性铰区，可以大大提高桥梁的延性性能。

基于上述的研究，本文将桥梁墩柱塑性铰区的普通混凝土替换为ECC材料，并将塑性铰区的普通钢筋用SMA筋替换，采取上述措施可以大大桥梁墩柱的延性性能，进而提高桥梁整体结构的延性性能，选取三条实际强震记录的加速度时程曲线的地震波开展弹塑性的计算分析，将桥墩的延性响应与普通钢筋混凝土桥梁对比，揭示新型桥梁结构抗震优越性的机理。

1  材料本构关系模型

1.1  ECC材料的本构关系模型

ECC材料是一种按照最大致密理论设计的纤维增强水泥基复合材料，它主要由水泥、矿粉、石英砂、高效减水剂、合成纤维等组合而成。采用该新型材料制作的构件在压、弯、拉荷载作用下，呈现出分布式的细微裂纹，开裂时状态稳定，具有较好的延性性能。ECC材料相对于普通混凝土有着更强的拉伸延展性能，它的抗拉硬化能力和能量耗散性能均大大高出普通混凝土，其抗拉应变可以高达0.03～0.07。通过对ECC材料本构关系模型分析，ECC材料体现了类似于金属的应变硬化特性，这充分反映了ECC材料的延展性强于混凝土并向金属材料靠拢，通过进一步研究分析认为是因为ECC材料的荷载-变形行为受到钢筋和ECC材料的性能及其相互作用的影响。ECC材料的本构关系模型如图1所示。其中本构关系模型中的受压区骨架线包括OJ和JP两部分，受拉区骨架线包括OA、AF和FI三部分。加载和卸载规则包含12种工况，限于篇幅，每种工况的具体规则说明请参见文献[10]。

1.2  SMA筋的本构关系模型

SMA筋是一种在常温时具有超弹性和形状记忆性能的智能材料，在桥梁抗震时我们一般利用它的超弹性功能，充分利用其可恢复的大应变 （高达0.08～0.10），在桥墩塑性铰区配置SMA筋与ECC材料可以较好的协同工作，充分发挥它们共同的韧性和耗能能力。假设SMA筋的抗拉和抗压具有相同的滞回特征，其拉、压本构关系模型的骨架线如图2所示。

2  工程背景

选取一座典型的钢筋混凝土桥梁如图3所示，跨度为20m+20m，单箱双室的梁高为1.2m，梁端桥台伸缩缝宽度为0.1m。单柱墩墩高为7.0m，其中墩柱塑性铰部分采用ECC材料，28d抗压强度为-70.0MPa，对应的开裂应变为-0.005，极限应变为-0.015。抗拉强度为4.0MPa，对应的抗拉应变为1.0×10-4，极限抗拉强度为6.0MPa，ε=0.038，εu=0.056。塑性铰部分采用SMA筋，直径为30mm，fy=380MPa，E=5.88*104MPa，εu=0.05。墩柱其余部分采用28d抗压强度为40.0MPa的普通混凝土，钢筋的牌号为HRB400，直径为32mm，fy=400MPa，一共配置了68根钢筋，纵向配筋率为 2.15%，钢筋保护层厚度为65mm。桥墩墩顶的一个支座采用双向固定支座，另一个支座采用单向固定支座，桥台顶的两个支座均为顺桥向活动支座。墩底塑性铰区长度按照式 （1） 计算，其中L为墩柱高度（净高，不含盖梁，单位mm），db为钢筋直径（单位mm），fy为钢筋的屈服强度（单位Mpa）。本桥的塑性铰区长度采用如下公式计算：

2.1  有限元模型

塑性铰区采用ECC材料和SMA筋桥梁的有限单元模型采用开源软件OpenSees建立。其中钢筋混凝土主梁采用弹性梁单元，一共划分为32个单元。钢筋混凝土墩柱采用非线性纤维梁-柱单元，一共划分了6个单元，其中普通混凝土28d的fcu，k=40.0MPa，考虑箍筋对核心混凝土的三向约束后计算得到的28d fcu，k=50.0MPa。全桥有限单元模型如图4所示。采取不同材料的两种桥梁墩底截面的等效弯矩-曲率关系如图5所示，可以知道普通钢筋混凝土墩底塑性铰的等效屈服曲率为0.0034，对应屈服弯矩为1.585×104kN·m，而采用新材料墩底塑性铰区的等效屈服曲率为0.0039，对应屈服弯矩为1.536×104kN.m。

2.2  地震响应分析

本桥位于8度地震区，地震动峰值加速度为0.3g，选取3条实际强震记录的加速度时程曲线的地震波，3条地震波的加速度时程曲线如图6所示。其中第一条为近场无脉冲波，第二和第三条均为近场脉冲波。

2.3  结果对比

桥梁的支座和墩柱的塑性铰区是桥梁结构中的易损部位，震后需要对它们的使用性能进行评估[11]，见表1，然后再根据评估结果采取不同的抗震构造措施。本文主要针对墩柱塑性铰区的曲率延性和滑动支座的剪切位移进行评估。

普通钢筋混凝土桥梁和采用新材料的桥梁在三条地震波加速度时程曲线作用下墩底塑性铰区的曲率延性以及桥台支座位移的峰值响应见表2，可以发现两个桥梁均在第二条近场脉冲地震波加速度时程曲线作用下的响应最大。其中支座的最大剪切位移均超过150mm，达到倒塌的破坏标准。但是采用新材料的桥梁墩底塑性铰的曲率延性仅有1.5，属于中等程度的损伤，但普通钢筋混凝土桥梁墩底塑性铰区的曲率延性高达11.5，已经达到倒塌的破坏程度，这说明塑性铰区采用ECC材料和SMA筋对于提高桥梁的抗震性能效果显著。

在最不利第二条地震波加速度时程曲线作用下的普通钢筋混凝土墩柱的塑性铰区的曲率延性与塑性铰区采用ECC材料和SMA筋的墩柱塑性铰曲率延性的响应对比如图7所示。可以发现，普通钢筋混凝土桥墩墩底的曲率延性远远大于塑性铰区采用了ECC和SMA新材料桥墩的曲率延性，容易遭受地震的破坏。

3  结论

本文针对E2地震作用下桥梁基于延性的抗震需求，创新性地提出了墩柱塑性铰区采用ECC材料和SMA筋的设计理念，这能够充分发挥ECC材料的韧性和SMA材料的超弹性，使桥梁的震后可恢复功能得到质的提升。选取了三条实际强震记录的加速度时程曲线开展了弹塑性的抗震分析，结果表明：尽管在E2地震作用下，滑动支座均遭受了严重破坏，但是采用了新材料桥梁墩底塑性铰区的曲率延性远远小于普通钢筋混凝土桥墩的响应，大大提高了桥梁的震后可恢复性能，为新材料在桥梁震后恢复的应用起到了抛转引玉的作用。

参考文献

References

[1]公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008）[M]. 中华人民共和国交通运输部， 2008.

Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges（JTG / TB02-01-2008）. [M]. Ministry of Transport， People's Republic of China， 2008.

[2] Yue Zheng， You Dong and Yaohan Li. Resilience and life-cycle performance of smart bridges with shape memory alloy （SMA）-cable-based bearings. [J] Construction and Building Materials， 158：389-400， 2018.

[3] Yue Zheng and You Dong. Performance‑based assessment of bridges with steel‑SMA reinforced piers in a life‑cycle context by numerical approach， Bulletin of Earthquake Engineering. [J] 17 （3）： 1667-1888， 2019.

[4] Cheng Fang， Yue Zheng， Junbai Chen， Michael C H Yam， Wei Wang. Superelastic NiTi SMA cables： thermal-mechanical behavior， hysteretic modelling and seismic application. [J] Engineering Structures， 183： 533-549， 2019.

[5] Yue Zheng， You Dong， Bo Chen， Ghazanfar Ali Anwar. Seismic damage mitigation of bridges with self-adaptive SMA-cable-based bearings. [J] Smart Structures and Systems， 24 （1）： 127-139， 2019.

[6] Cheng Fang， Dong Liang， Yue Zheng， MCH. Yam， Ruiqin Sun. Rocking bridge piers equipped with shape memory alloy （SMA） washer springs. [J] Engineering Structures， 110651，2020.

[7] Dong Liang， Yue Zheng， Cheng Fang， MCH Yam， C Zhang. Shape memory alloy （SMA）-cable-controlled sliding bearings： development， testing， and system behavior. [J] Smart Materials and Structures， 085006， 2020.

[8] Yue Zheng， Cheng Fang， Dong Liang， Ruiqin Sun. An innovative seismic-resilient bridge with shape memory alloy （SMA）-washer-based footing rocking RC piers. [J] Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 1-66， 2020.

[9] Jiping GE， M. Saiid SAIIDI ， Sebastian VARELA. Computational studies on the seismic response of the State Route 99 bridge in Seattle with SMA/ECC plastic hinges. [J] Front. Struct. Civ. Eng.， 13： 149–164， 2019.

[10] 古 泉， 张 宁， 郑 越. 高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）连续梁模型 在地震荷载下的响应及其敏感性分析. [J] 工程力学， 36（6）：  157-163， 2019.

GU Quan， ZHANG Ning;  ZHENG Yue. Response and Sensitivity Analysis of High Ductility Fiber Reinforced Cement （ECC） Continuous Beam Model under Earthquake Load. [J] Engineering Mechanics， 36 （6）： 157-163， 2019.

[11]  E. Choi， R. DesRoches， B. Nielson， Seismic fragility of typical bridges in moderate seismic zones， Eng. Struct. [J] 26： 187–199， 2004.

[12] 戚洪伟.反应位移法在地铁抗震计算中的应用[J].铁道建筑技术，2012（S2）：100-103.

QI Hongwei. Application of Reactive Displacement Method to Seismic Calculation of Metro [J]. Railway Construction Technology， 2012 （S2）： 100-103.

[13] 王媛媛. 节段拼装桥梁抗震数值分析模型研究[D]. 上海： 同济大学， 2010.

WANG Yuan-yuan. Research on Numerical Analytical Model of Seismic Behavior for Precast Segmental Prestressed Concrete Bridge [D]. Shanghai： Tongji Unversity， 2010.

[14] 李健， 邵长江. 摩擦摆支座隔震连续梁桥抗震分析的简化计算方法[J]. 铁道建筑， 2019， 49（6）： 10-13.

LI J， SHAO C J. A simplified calculation method for seismic analysis of friction pendulum bearing isolated continuous girder bridge[J]. Railway Engineering， 2019， 49（6）： 10-13.

[15] 薛秋生，贺宝志.对钢筋混凝土建筑抗震设计的几点思考[J].铁道建筑技术，2010（8）：90-92.

KUI qiusheng，HE baozhi. Seismic design of reinforced concrete [J]. Journal of Railway Construction Technology， 2010 （8）： 90-92.

作者简介：杨希祥（1976-），男，山东省临沂市人，本科，高级工程师，主要从事道路桥梁、隧道工程方面的工作。