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形状记 忆合金主动约束钢筋混凝土桥墩 的抗震 特性研究 程桂胜 3 9 形状记忆合金主动约束钢筋混凝土桥墩的抗震特性研究 编译程桂 胜 ( 宁波工程学院， 浙江 宁波 3 1 5 0 1 6 ) 摘要 ：过去地震 中钢筋混凝土 ( R C ) 桥墩 的损坏 多数 是由于弯曲延性不足或抗剪能力不够 而引起 的， 为改善 其抗震性能 ， 在地震 地面运动激励下 ， 研究分别使用碳纤维增强复合材料 ( C F R P ) 和形状记忆合 金 ( s MA) 后 R C桥 墩 的抗震特性 。结果 表明 ： 在提高墩柱 的强 度、 等效刚度 以及降低墩 柱的残余 位移等 方面 ， 使用 S MA均 明显优于 使用 C F RP 。 关键词 ：桥梁 ； 钢 筋混凝土桥墩 ； 形状记 忆合金 ； 主动 约束 ； 抗震特性 中图分类 号 ： U4 4 2 5 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 3 9 0 3 1 引 言 过去地震 中许多摧毁性 的桥梁破坏均由 1 根或 多根 钢筋 混凝 土 ( RC ) 墩 柱 的破坏 而 引起 。从 1 9 8 9 年的洛马一普 里塔地震 、 1 9 9 4年 的北岭 地震 以及 1 9 9 5 年的 日本神户地震灾害 中可看出， 现有桥墩在 中强地震 中易 于损 坏， 这促使研究者对地震 中 R C 桥墩的损伤与破坏原因进一步研究 。研究证 明， 过 去地震中损坏 的桥墩多数是因弯曲延性不足或抗剪 能力不够而引起 的。延性不足的原因有 ： 桥墩横 向配筋不足； 在塑性铰区域的钢筋搭接长度不够 。 在 R C桥 墩 外 面加 钢 套 管 或纤 维 增 强 复 合 材料 ( F RP ) 从 而施 加 被 动 约 束是 提 高 其 延 性 的 常用 方 法 。 虽然被动约束方法 已被普遍接受并在世界各地 应用 ， 但研究表明： 对桥墩施加主动约束的效果会更 好 。这些研究包括进行主动约束效果方面的材料试 验研究 ； 研究混凝土受主动约束后 的基本特性 ； 探讨 通过对混凝土构件施加主动约束来改善其抗震性能 的可行性 。其 中， 有些是研究用预应力箍筋实现主 动约束 ， 其它是试图使用 预应力纤维增强复合材料 实现主动约束。研究结果表明 ： 墩柱施加主动约束 后 ， 可以避免其剪切 破坏 ， 同时也会改 善其抗弯性 能 。尽管主动约束技术有许多优点 ， 其实际应用还 是有些困难 ， 例如在现场提供 约束力 的工艺 。本文 提出一种简便而有效的新技术 ， 即使 用形状记忆合 金( S MA) 对 R C桥墩施加主动约束 ， 通过与使用碳 纤维增强复合材料 ( C F R P ) 的传统约束工艺对 比， 探讨这一新技术的有效性 。 2 S MA 丝及 其对桥 墩 的约束 机理 s MA是具有独特的超 弹性和形状记忆效应等 热力学特性的一类合金 。随着温度变化 ， 这种合金 中马氏体成分也会发生变化 ， 从而改变其力学特性 。 过去 4 0年中， 研究人员为考察镍钛合金的形状记忆 效应做了大量的研究工作。研究表明 ： 马 氏体镍钛 合金具有高于环境温度的马氏体相变结束 温度 Mf ， 此时其呈现塑性且会产生很大的残余应变。如果将 这种合金加热至高于奥氏体相变结束温度 A ， 合金 便恢复到其原始形状 ， 此即形状记忆效应 。 图 1为用预应变 S MA丝对 R C桥墩施加约束 。 如图 1 所示 ， 将 1 0 0 的马氏体 S MA 丝缠绕在 R C 桥墩上 ， 然后将其加热至高于奥 氏体相变结束温度 A r ， S MA丝欲恢复到其原有形状 ， 同时对桥墩施加 了约束 力。 ( a )加热前截面 ( b )加热后截面 图 1用预应变 S MA丝对 R C墩柱施加约束 3使用 S MA 和 C F R P的桥墩 抗震 特性 比较 3 1 桥墩模型 在 R C桥墩上缠绕 S MA螺旋丝 ， 用 Op e n S e e s 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 9 1 5 编译者简 介 ： 程桂胜( 1 9 5 2 一) ， 男 ， 教授， 1 9 8 2年毕业 于河北工学 院工程力学专业 ， 工学学士 ， 1 9 9 0年毕业于河北工业大学一般力学专业 ， 工学 硕 士( E ma i l ： n b c g s l 9 5 2 1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 4期 有限元 程 序研 究 其抗 震 特性 。为 便 于 研究 使 用 S MA后的效果 ， 采用 Ka wa s h i ma等人在 2 0 0 1 年测 试用的墩柱模型( 见图 2 ) 。表 1为桥墩的材料特性。 I I L 一 j ( a )试验墩柱 ( b )分析模型 单位：m m 图 2 K a w a s h i ma 等人研究用 的墩柱及其分析模型 袁 1 R C墩柱的材料特性 特性 截 面直径 mm 有 效高度 ( ) mm 纵 向配筋率 箍筋配筋体积 比 混凝士抗压强度 MP a 纵 向筋屈服强度 MP a 箍筋屈服强度 MP a 轴 向力 k N 3 2 分别使用 S MA和 C F R P约束桥墩的 3种方法 在地震激励下 ， 对 RC墩柱分别使 用 s MA 和 C F R P约束后 的抗震特性进行比较。使用 C F R P约 束桥墩的 3种方 法分 别使 用 1层 、 2层 和 3层 厚 0 1 1 mm的 C F R P进行约束 ， 对应 的 C F R P体积 比 分别为 0 1 1 、 0 2 2 oA和 0 3 3 。使用 s MA 的量 是通过改变螺旋丝的间距来调整的( 见表 2 ) 。 3 3 地 震地 面运 动激励 的选 取 在墩柱的基本周期( T 一0 1 8 s ) 记 录的平均加 速度谱值为 0 9 8 g 。为便于比较墩柱在 6个地震地 面运动记录激励 下的抗震特性 ， 将6 个 记录与墩柱 表 2 墩柱分别 使用 C F R P 、 S MA约束的 3种方法 的基本周期对应 的加速度谱值调整 为 1 5 g ， 调 整 前 、 后的地面加速度峰值 ( P GA) 见表 3 。 3 4 抗震 特 性结果 比较 采用 3 个响应参数判断 S MA 主动约束技术有 效性。这 3 个响应参数是 ： 墩柱的强度， 定义为墩 柱的最大位移处承受的最大横向力 ； 等效柱刚度 ， 定义为最大位移处的割线刚度； 残余柱位移 ， 定义 为地震地面位移记录激励结束时墩柱的横向位移 。 3 4 1 墩柱 强度 标准化强度值为缠绕墩柱强度与未缠绕墩柱强 度的比值 。图 3给出 RC墩柱分别缠有 S MA螺旋 丝 、 C F R P在 6种调整地震激励下的标准化强度值 。 从图 3中可 以看出， 缠有 S MA、 C F RP的墩 柱均较 未缠绕墩柱的强度有所提高。缠绕 S MA 的强度平 均提高 7 3 ， 而缠绕 C F R P的强度平均提高 3 9 。 一 表 3 6个地震地面运动记录有关数据 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 形状记 忆合 金主动约束钢筋混凝土桥墩 的抗震 特性研 究 程桂胜 4 1 3 O 2 5 2 O 1 5 1 0 0 5 图 4 RC墩 柱 分 别 便 用 S MA 和 CF RP后在 6种地震激励下的标准化等效 刚度 桥墩 的残余位移是决定桥梁的震后功能的重要 因素。标准化残余位移为缠绕墩柱残余位移与未缠 绕墩柱残余位移的比值。本文所研究的墩柱在 6种 地震激励下 的标 准化残余位 移见图 5 。分析可知 ， 使用 S MA、 C F R P约束后墩柱的平均残余位移 比未 使用时分别减小 6 6 和 4 1 。 4结 论 ( 1 )S MA 具 有 独 特 的 超 弹 性 和 形 状 记 忆 效 应 等热力学特性 ， 其变形后 ， 在一定 的温度下 ， 具有恢 复到其原始形状的能力。 l 2 1 0 誊o - s 篓0 。 蓑叭 0 2 口 方 法 lIi 暄 图 5 RC墩 柱 分 别 使 用 S MA和 CF RP后 在 6种地震激励下 的标 准化残余位移 ( 2 )在地震地面运动激励下 ， 使用 S MA在提高 墩柱的强度、 等效刚度 以及降低墩柱的残余位移等 抗震特性方面 ， 均明显优于使用 C F R P。 ( 3 )与传统 的被动约束工艺相 比， 本文提出的 新 的主动约束工艺既方便又可靠 。 参 考 文 献 ： 1 B a s s e m An d r a w e s ， Mo o c h u l S h i n ， Ni c h o l a s Wi e r s c h e m Ac t i v e Co n f i n e me n t o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e B r i d g e Co l u mn s Us i n g S h a p e Me mo r y Al l o y s J J o u r n a l o f B r i d g e En g i n e e r i n g，AS CE，2 0 1 0，1 5 ( 1 )：8 1 8 9 ， ， ， ， ， ， ， ， ， m I ， ， l ， l l l ， I ， ， ， ， ， ， ， ， ， l ， ， ， ， ， ， ， ( 上 接 第 3 5页) XUJ i a n f u 。 阳 。 ( 1 De p a r t me n t o f Tr a n s p o r t ，Ch u n a n Co u n t y ，Ch u n a n 3 1 1 7 0 0，Ch i n a ；2 Br i d g e S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e Lt d ，C h i n a Ra i l wa y Ma j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g Gr o u p，W u h a n 4 3 0 0 3 4，Ch i n a ；3 Ke y La b o r a t o r y o f B r i d g e S t r u c t u r e S a f e t y a n d He a l t h o f Hu b e i P r o v i n c e ，W u h a n 4 3 0 0 3 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e ma i n b r i d g e o f t h e B r i d g e No 1 o f S h a n g j i a n g b u B r i d g e o n t h e L a k e Ri n g Ro a d i n Ch u n a n Ci t y，Z h e j i a n g Pr o v i n c e ，i s a r i g i d f r a me a n d c o n t i n u o u s g i r d e r h y b r i d s y s t e m b r i d g e wi t h s p a n a r r a n g e me n t( 7 7 5 + 7 1 3 0 + 7 7 5 )mTh e b r i d g e u t i l i z e s d e e p wa t e r p i l e f o u n d a t i o n s a n d e l e v a t e d p i l e c a p s a n d i s c h a r a c t e r i z e d b y a n u mb e r o f c l o s u r e g a p s ，c o mp l i c a t e d s y s t e m t r a n s f o r ma t i o n a s we l l a s d i f f i c u l t c o n s t r u c t i o n mo n i t o r i n g a n d c o n t r o 1 Th e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e wa s u s e d t o c a l c u l a t e t h e g e o me t r i c s h a p e a n d s t r u c t u r a l i n t e r n a l f o r c e s o f t h e ma i n g i r d e r ，t h e s t r e s s ，t e mp e r a t u r e s a nd l o a d c a s e s o f t h e c r i t i c a l s e c t i on s i n t he c on s t r u c t i on p r o c e s s we r e mon i t o r e d a n d t h e r e s u l t s o f t h e f i e l d me a s u r e me n t we r e c o mp a r e d t o t h o s e o f c a l c u l a t i o n To e n s u r e t h e r a t i o na l f o r c e c o nd i t i ons of t h e ma i n p i e r s a f t e r c l o s ur e o f t he wh ol e br i d ge，t he e f f e c t o f t he p i l e f o u n d a t i o n s o n t h e i n c r e me n t a l l a u n c h i n g c o n s t r u c t i o n f o r c l o s u r e o f t h e s e c o n d a r y c e n t r a l s p a n s wa s c a l c u l a t e d a n d i t wa s d e t e r mi n e d t h a t b e f o r e t h e c l o s u r e a n d l o c k i n g o f t h e c e n t r a l s p a n s o n P i e r s No 3 No 4 a n d Pi e r s No 5 No 6 。t h e ma i n g i r d e r wa s t o b e s y mme t r i c a l l y p u s h e d t o wa r d s t h e s i d e s p a n s b y j a c k s a t t h e c l o s u r e g a p s Th e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l i n d i c a t e t h a t t h e g e o me t r i c s h a p e a n d s t r u c t u r a l i n t e r n a l f o r c e s o f t h e ma i n g i r d e r o f t h e b r i d g e c a n a l l m e e t t he de s i g n r e qu i r e me nt s Ke y wo r d s ：g i r d e r b r i d g e ；g e o me t r i c s h a p e ；s t r e s s ；i n c r e me n t a l l a u n c h i n g；f i n i t e e l e me n t me t h o d；c o n s t r u c t i o n mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l 晨鞍 始蜷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m