引言

装配式桥墩技术的突破与工业化进程的深度融合，对桥墩抗震设计提出了更高要求。传统以“不倒塌、不严重破坏”为目标的强度抗震设计理念已难以满足现代需求，逐渐的被结构延性抗震设计理念所取代。结构延性抗震设计的核心在于确保结构的延性变形能力超越地震动可能激发的最大非弹性变形（即延性需求），其设计逻辑与强度理论存在本质差异：不再保守地以材料的弹性极限强度为临界设计值，而是主动利用结构塑性滞回耗能特性，通过预设塑性铰来抵抗地震作用减小地震对桥墩稳定性能的影响。但地震作用也会导致桥墩结构产生不可逆的永久变形（即残余变形），中等强度地震引发的桥墩轻微损伤虽可修复，但修复后承载力的不确定性成为重大隐患。在此背景下，研发兼具“自复位”功能与消能特性的新型结构体系桥墩成为迫切需求，“自复位”桥墩概念逐渐被人提出，该体系满足地震后残余变形可控、结构功能快速恢复的核心要求，同时避免高成本隔震元件的依赖。自复位桥墩技术通过创新性设计理念，突破了传统延性抗震设计局限。通过引入可恢复性耗能机制与自复位装置，有效解决了地震后桥梁功能恢复滞后、维修成本高昂等工程难题。其核心优势在于：（1）功能可恢复性：通过预压装置与耗能元件的协同作用，将残余变形控制在毫米级，实现震后快速通行；（2）全生命周期经济性：较传统方案降低50%以上震后维修费用，全寿命周期成本优势显著；（3）性能可控性：通过分级耗能设计，实现小震不坏、中震可修、大震不倒的多级抗震目标；“自复位”桥墩不仅推动了桥梁抗震设计从“生命安全”向“功能保障”的范式转变，更为城市生命线工程的高韧性发展提供了关键技术支撑。近年来自复位桥墩也受到了广大专家学者们的深入研究。本文是为更好的了解桥墩长细比对自复位桥墩抗震性能的影响，以工程实例中桥墩为参考，利用ABAQUS建立有限元自复位桥墩模型，对桥墩长细比参数进行了不同设置，分析了不同长细比状态下桥墩的抗震性能，从而得到长细比对桥墩抗震性能的影响，为节段拼装桥墩的抗震设计提供理论依据。

1 模型建立和工况设定

现行规范明确，长细比是杆件计算长度与截面回转半径的比值：

式中：为回转半径， ，其中，为截面惯性矩，为截面积；l₀为计算长度，=μL，其中μ为计算长度系数，为实际结构长度。其几何意义为：中心受压杆失稳后，挠度曲线上相邻两个反弯点（弯矩为零）间的距离。

实际工程中，计算长度通过引入计算长度系数 μ 进行修正，其取值与杆端支撑条件密切相关。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018及学术界研究成果，系数取值规则如下：当构件两端固定端时，μ值取0.5；当一端固定为固定端一端为不移动的铰时，μ值取0.7；当两端均为不移动的铰时，μ值取1.0；当一端固定一端自由时，μ值取2。自复位桥墩可简化为两端不移动的铰接杆件，因此，其计算长度系数 μ 应取为1.0。

本文利用ABAQUS软件建立自复位桥墩有限元模型，桥墩构造图如图1所示，模型主要由墩墩柱、桥墩承台组成，并在其截面中心设置贯穿其结构的圆形预应力孔道，直径为60mm，用来模拟放置预应力钢筋；在桥墩墩柱顶部与桥墩承台下侧设置钢板垫用来模拟施加后张法预应力张拉锚固接头，桥墩墩柱底部四周设置四处长为400 mm直径为40 mm的圆形耗能钢筋孔道。

为系统探究长细比对自复位桥墩抗震性能的影响，本文研究构建了多参数分析体系：在耗能钢筋配筋率（0.10%、0.15%、0.20%）与长细比（20、25、30）双因素变量下，设置9组典型工况（具体参数见表1），其中耗能钢筋采用对称布置方式，距桥墩中轴线水平距离0.28m；通过对比分析各工况下的滞回曲线、位移-荷载骨架曲线及关键性能参数（如耗能能力、残余变形），探究不同长细比下桥墩的抗震性能的变化。

工况	预应力张拉力/kN	耗能钢筋配筋率/%	桥墩长细比
1	500	0.1	15
2	500	0.15	15
3	500	0.2	15
4	500	0.1	20
5	500	0.15	20
6	500	0.2	20
7	500	0.1	25
8	500	0.15	25
9	500	0.2	25

2 数据结果与分析

2.1 滞回耗能能力分析

构建自复位桥墩精细化有限元模型，通过定义墩柱-承台接触相互作用、耗能钢筋与混凝土的粘结滑移效应等模型参数，并依据规范施加轴向力、位移及预应力荷载；数据计算加载并对各工况滞回曲线结果进行提取，工况1-9的滞回曲线，如图2所示。

通过对自复位桥墩滞回曲线分析（图2所示），可得出以下结论：（1）自复位桥墩较好的自复位性能：在加载位移较小时段，各工况下桥墩位移-荷载呈线性关系且残余位移可忽略，但随着加载位移的增大桥墩进入屈服状态，且加载位移达到一定限值时，桥墩遭到破坏，但残余位移仍然较小；（2）桥墩长细比对耗能能力影响显著：位移荷载在一定范围内滞回环呈旗帜型，表明桥墩具备耗能特性，但随长细比增加，滞回曲线饱和程度逐渐降低，滞回环面积减小，表明桥墩耗能能力减弱；（3）长细比对桥墩抗侧力与延性性能同样有明显影响：长细比增大导致桥墩抗侧力降低但延性提升，当位移超限值后，桥墩破坏、侧向力下降且滞回环非旗帜型，桥墩稳定性遭破坏。

桥墩耗能能力值与桥墩侧向力与位移加载值有关，桥墩位移加载下的滞回曲线中滞回环的面积代表着桥墩的耗能能力，通过Origin软件累计计算滞回环面积和，求得往复位移加载下桥墩累计耗能值。为直观对比不同长细比耗能差异，将耗能钢筋配筋率（0.1%、0.15%、0.2%）设定为不变量，将九种工况分成三组（工况1-4-7、2-5-8、3-6-9），并统一以工况1-3破坏位移为面积计算控制值（考虑长细比下桥墩延性差异），各组耗能累计值如表2所示。

长细比	工况1	工况4	工况7	工况2	工况5	工况8	工况3	工况6	工况9
15	6.43×104	-	-	7.85×104	-	-	9.25×104	-	-
20	-	3.02×104	-	-	3.53×104	-	-	3.79×104	-
20	-	-	1.72×104	-	-	2.01×104	-	-	2.05×104

由表2可知：在相同耗能钢筋配筋率下，桥墩累计耗能值随长细比增加呈整体下降趋势，且耗能能力降幅呈现非线性性特征：长细比从20增至25时，耗能降幅显著（工况1-4降幅达53%，工况2-5降幅55%，工况3-6降幅59%）；而当长细比进一步从25增至30时，降幅收窄（工况4-7降幅33%，工况5-8降幅33%，工况6-9降幅36%），以上数据特征表明，长细比对桥墩耗能能力影响显著，其耗能能力随长细比增大而逐渐减弱，但降幅呈递减趋势。

2.2 桥墩骨架曲线分析

基于骨架曲线的基本定义：将滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线。本文通过提取工况1-9的荷载-位移骨架曲线（如图3所示），系统分析自复位桥墩的力学性能。其中将耗能钢筋的受拉屈服点作为桥墩的屈服点，其对应的侧向荷载和位移分别作为屈服荷载和屈服位移。需要特别说明的是，由于自复位桥墩是一种相对较新的结构形式，目前尚缺乏统一的规范定义和深入的研究成果，且特殊的结构组成，导致桥墩与传统的桥墩相比整体性相对较差，从滞回曲线中可以观察到，当桥墩达到极限荷载后，由于底部混凝土会发生破坏，原本典型的旗帜型滞回环会变得不规则，且桥墩侧向力在峰值荷载后会出现显著下降，为了确保桥墩性能评估的稳定性，本文将极限荷载峰值定义为破坏荷载，对应的峰值位移定义为破坏位移。通过对比分析可以发现，在不同长细比条件下，桥墩的屈服位移、屈服荷载、极限位移和极限荷载均呈现出一定的变化规律。为了更清晰地展示长细比对骨架曲线的影响与桥墩力学性能之间的内在关系，同样将耗能钢筋配筋率（0.10%、0.15%、0.20%）设定为不变量，将九种工况分成三组（工况1-4-7、2-5-8、3-6-9）。

基于骨架曲线特征分析（图3所示），桥墩抗震性能随长细比变化呈现显著规律性：随着长细比增大，屈服荷载与极限荷载均呈下降趋势，屈服位移同步减小，但延性性能却有所提升。可以看出桥墩在变形能力增强的同时，抗侧力与整体稳定性逐渐减弱。为定量分析桥墩长细比对抗震性能的的影响，本文对骨架曲线特征值（如屈服荷载、屈服位移、峰值荷载、峰值位移、极限荷载及极限位移）进行了系统统计，结果详见表3-5。

工况	加载方向	屈服荷载/N	屈服位移/m	峰值荷载/N	峰值位移/m	极限荷载/N	极限位移/m
1	正向	123760	0.011357	194581	0.1542	194581	0.1572
	反向	123986	0.011651	193008	0.1531	193008	0.1531
4	正向	87379	0.016983	123150	0.204637	123150	0.204637
	反向	85739	0.016155	121166	0.183672	121166	0.183672
7	正向	77108	0.019031	109734	0.290435	109734	0.290435
	反向	76390	0.020033	108429	0.270428	108429	0.270428

工况	加载方向	屈服荷载/N	屈服位移/m	峰值荷载/N	峰值位移/m	极限荷载/N	极限位移/m
2	正向	132420	0.011357	197894	0.155257	197894	0.155257
	反向	132566	0.011651	196351	0.151321	196351	0.151321
5	正向	94132	0.015348	125285	0.189814	125285	0.189814
	反向	91740	0.015745	124285	0.175814	124285	0.175814
7	正向	77108	0.019031	109734	0.290435	109734	0.290435
	反向	76390	0.020033	108429	0.270428	108429	0.270428

工况	加载方向	屈服荷载/N	屈服位移/m	峰值荷载/N	峰值位移/m	极限荷载/N	极限位移/m
3	正向	136786	0.011357	197296	0.140582	197296	0.140582
	反向	138876	0.012532	198356	0.142514	198356	0.142514
6	正向	93435	0.016352	123607	0.136824	123607	0.136824
	反向	97265	0.016971	123760	0.155581	123760	0.155581
9	正向	84389	0.019494	106242	0.172099	106242	0.172099
	反向	84865	0.020445	105941	0.169475	105941	0.169475

为了直观的对骨架曲线特征值进行分析研究，对各工况下桥墩屈服荷载值、屈服位移值、极限荷载值进行图形展示，如图4所示，三种耗能钢筋配筋率下屈服荷载、屈服位移值、极限荷载值、极限位移值变化趋势基本保持一致：图4-a所示，随着长细比的增加桥墩的屈服荷载逐渐下降，但两者非线性关系，随着长细比的增加桥墩的屈服荷载降幅逐渐收窄；图4-b长细比与屈服位移提升呈线性正相关，且耗能钢筋配筋率对屈服位移的影响可忽略不计；图4-c所示，随着长细比的增加桥墩的极限荷载逐渐下降，同样两者呈非线性关系，随着长细比增加桥墩极限荷载值降幅逐渐收窄；图4-d所示，长细比与桥墩极限位移呈线性正相关，但不同耗能钢筋配筋率长细比与桥墩极限位移线性系数不同。

3结论

本文通过对不同长细比下自复位桥墩耗能、延性、屈服等桥墩抗震性能的差异来探究桥墩长细比对自复位桥墩抗震性能的影响。通过分析可以得到：

（1）长细比对桥墩耗能能力影响显著，桥墩耗能能力随长细比增加而下降，且桥墩耗能能力与桥墩长细比呈现非线性关系：长细比从20增至25时，耗能降幅显著（工况1-4降幅达53%，工况2-5降幅55%，工况3-6降幅59%）；而当长细比进一步从25增至30时，降幅收窄（工况4-7降幅33%，工况5-8降幅33%，工况6-9降幅36%），其耗能能力随长细比增大而逐渐减弱，但降幅呈递减趋势。

（2）长细比对桥墩力学性能的影响：长细比对桥墩的屈服荷载、屈服位移、极限荷载及极限位移都有较大影响。具体表现为：屈服荷载与极限荷载随长细比增加而降低，但与长细比呈非线性关系，随着长细比增加桥墩屈服荷载、极限荷载值降幅逐渐收窄；而屈服位移、极限位移与桥墩长细比呈线性正相关，随着桥墩长细比的增加而增加。

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