基于新型摇摆框架的自中心装置，用于双柱桥墩的地震加固改造

《Soil & Environmental Health》：Novel rocking-frame-based self-centering devices for seismic retrofit of double-column bridge bents

桥梁双柱桥墩抗震加固中提出新型自复位装置，通过空心钢柱与FRP索实现可控复位，并允许附加BRB或摩擦阻尼器协同耗能。分析表明，该装置能有效降低峰值地震响应和残余位移，同时基础反力需求增幅较小。

　　双柱桥墩在强震中极易受损，这给桥梁结构的安全性和抗震性能带来了严峻挑战。传统抗震耗能装置，如弹塑性、摩擦型和粘滞阻尼器，虽然在降低地震响应峰值方面表现出色，但往往难以有效控制地震后的残余位移。相比之下，自复位装置，如形状记忆合金（SMA）阻尼器，虽然在恢复结构位置方面具有显著优势，但其高昂的成本和复杂的制造工艺限制了其在实际工程中的广泛应用。为此，本研究提出了一种新型基于 rocking-frame（ rocking 框架）的自复位装置，旨在通过结合耗能与恢复机制，提升双柱桥墩的抗震性能，同时解决残余位移过大的问题。

桥梁作为交通运输网络中的关键节点，其抗震性能直接影响着整体系统的安全与效率。近年来，地震灾害频发，暴露出桥梁结构，尤其是桥墩，在强震作用下的脆弱性。桥墩的严重损坏不仅会造成巨大的经济损失，还会导致交通中断，增加灾后修复的难度，从而影响社会的快速恢复。因此，如何有效减少地震对桥墩的损害，提升其在地震后的功能恢复能力，成为现代桥梁工程研究的重要课题。

为了实现这一目标，研究人员采用多种辅助装置来改善桥墩的抗震性能。这些装置通过重新分配惯性力和耗散地震能量，降低地震对桥柱的总体需求。常见的装置包括弹塑性阻尼器、摩擦型阻尼器以及粘滞阻尼器。然而，这些传统装置在控制残余位移方面存在局限性。例如，虽然屈曲约束阻尼器（BRBs）在桥梁抗震加固中被广泛应用，并且在实验和数值模拟中得到了验证，但它们在减少峰值漂移的同时，对于残余漂移的控制效果有限。这是因为钢芯的屈服会导致不可逆的变形，进而造成残余位移。

为了解决这一问题，许多研究致力于开发结合耗能与恢复机制的自复位装置。这类装置不仅能够有效降低地震响应，还能显著减少残余位移，从而提高桥梁的抗震韧性。Xiang 等人 [28] 的研究表明，自复位装置在提供与传统装置相当的抗震效果的同时，还能实现更好的地震后位移恢复能力。当前的自复位策略主要分为基于 SMA 的装置和基于预应力的装置。基于 SMA 的装置利用 SMA 杆或棒的超弹性特性来实现强大的恢复能力。例如，Qiu 等人 [33] 和 Shi 等人 [34] 开发了采用屈曲约束 SMA 杆的阻尼器，这些装置在减少结构残余位移方面表现出色。然而，这些装置的压缩响应尚未完全明确，并且由于材料成本高、制造工艺复杂以及锚固要求严格，限制了其在大型桥梁中的应用。

基于预应力的装置则提供了一种更为实用的解决方案。Dong 等人 [38] 和 Xue 等人 [39] 提出了采用预压缩盘簧与 BRB 或滑动摩擦元件结合的阻尼器，实现了类似旗形的滞回特性，并显著提升了桥梁的抗震性能 [40,41]。Christopoulos 等人 [42] 提出了一种结合预张力钢索与摩擦耗能的钢索-摩擦阻尼器，实验结果验证了其抗震效果和恢复能力。尽管这些装置在一定程度上改善了桥梁的抗震性能，但大多数基于预应力的装置将恢复与耗能功能耦合在同一机制中，这限制了设计的灵活性，并在地震后增加了维修的复杂性。

受 rocking 结构设计理念的启发，本研究提出了一种新型基于 rocking-frame 的自复位装置（SCD），用于双柱桥墩的抗震加固。与以往基于 SMA、预应力盘簧或混合 BRB 的装置不同，该装置采用空心钢柱与预应力纤维增强复合材料（FRP）索相结合的方式，同时允许在装置中集成 BRBs 或摩擦阻尼器作为附加耗能元件。这种配置具有三个显著优势：首先，它能够产生一种可控的 rocking 机制，将非弹性需求从桥墩转移到装置上，从而避免桥墩发生塑性铰；其次，FRP 索具有高强重比、良好的耐腐蚀性以及更简单的锚固方式，相较于 SMA 或钢索，能够提供一种更具成本效益的恢复方案；第三，可以选择性地在装置中安装 BRBs 或摩擦阻尼器，以实现可控的耗能效果。通过将恢复与耗能功能解耦，该系统使设计者能够在峰值响应和残余响应之间进行更明确的平衡，同时确保桥梁加固方案的可行性。

在本研究中，首先介绍了该新型 rocking-frame 基础自复位装置的基本结构。该装置主要由两根空心矩形钢柱、预应力索、顶部和底部钢梁以及能量耗散元件（如 BRBs 或摩擦阻尼器）组成。在本研究中，预应力索采用 FRP 材料，并通过后张拉技术实现可调节的预应力水平。能量耗散元件被安装在对角线上，以确保在地震作用下能够有效吸收和耗散能量。这种设计不仅提升了装置的抗震性能，还通过 rocking 机制减少了桥墩的非弹性变形，从而提高了结构的耐久性和恢复能力。

为了评估该自复位装置在不同地震强度下的加固效果，研究团队对采用 SCD-WDs（空心钢柱与摩擦阻尼器结合）、SCD-BRBs（空心钢柱与 BRB 结合）以及 SCD-FDs（空心钢柱与摩擦阻尼器结合）三种加固系统的桥梁进行了非线性时程分析。分析结果表明，这些装置在不同地震强度下均能有效降低桥墩的峰值响应和残余位移。具体而言，SCD-WDs 和 SCD-FDs 在减少峰值响应和残余位移方面表现优异，而 SCD-BRBs 则在耗能和恢复能力之间取得了良好的平衡。此外，研究还发现，配备能量耗散元件的自复位装置在地震作用下对基础反力的需求增加较小，相较于未配备能量耗散元件的装置更具优势。

在实际应用中，除了分析和数值模拟性能外，还需考虑装置的可施工性、成本以及维护需求。本研究提出的装置采用空心钢柱和 FRP 索，相较于基于 SMA 的自复位系统，其制造和安装过程更为简便，锚固要求也更低。这使得该装置在实际工程中具有更高的可行性。在成本方面，FRP 索提供了经济的替代方案，同时仍能实现有效的恢复能力。尽管 FRP 材料在长期使用中的性能表现仍需进一步研究，但其良好的耐腐蚀性和高强度特性使其成为一种有前景的加固材料。

此外，本研究还探讨了不同加固系统在实际应用中的可行性。通过比较 SCD-WDs、SCD-BRBs 和 SCD-FDs 的性能，研究团队发现，这些装置在地震作用下的表现各有特点，但总体上均能有效提升桥梁的抗震性能。其中，SCD-WDs 和 SCD-FDs 在减少峰值响应和残余位移方面表现突出，而 SCD-BRBs 则在耗能和恢复能力之间取得了良好的平衡。研究还指出，配备能量耗散元件的自复位装置在地震作用下对基础反力的需求增加较小，相较于未配备能量耗散元件的装置更具优势。

本研究提出的自复位装置不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中也展现出良好的潜力。通过将恢复与耗能功能解耦，该装置使设计者能够在峰值响应和残余响应之间进行更明确的平衡，从而实现更高效的抗震加固。此外，该装置的结构设计和材料选择使其在成本、施工便利性和维护需求方面具有显著优势，这为未来桥梁抗震加固提供了新的思路和解决方案。

本研究的成果为桥梁抗震加固提供了新的方向，尤其是在处理双柱桥墩在强震中的损伤问题方面。通过引入基于 rocking-frame 的自复位装置，研究团队成功地将非弹性需求从桥墩转移到装置上，从而避免了桥墩发生塑性铰，提升了结构的整体抗震性能。同时，该装置在成本、施工和维护方面表现出良好的经济性和实用性，这使得其在实际工程中的应用成为可能。研究还表明，该装置在不同地震强度下的表现均优于传统装置，特别是在减少残余位移和降低基础反力需求方面具有显著优势。

未来的研究可以进一步探索该装置在不同地质条件和地震波谱下的表现，以及其在实际桥梁中的应用效果。此外，还需要对 FRP 材料的长期性能进行更深入的研究，以确保其在桥梁加固中的可靠性和耐久性。同时，针对不同类型的桥梁结构，研究团队可以开发更多样化的自复位装置，以满足不同的抗震需求。这些研究将有助于推动桥梁抗震加固技术的发展，提高桥梁结构的安全性和抗震韧性，为构建更加安全、可靠的交通网络提供支持。