黄亮传　苏允汇

【摘 要】提出将形状记忆合金（SMA）和工程用水泥基复合材料（ECC）取代普通钢筋和普通钢筋混凝土用于桥墩塑性铰区。并以某三联公路桥为例，采用SAP2000软件，进行时程分析。结果表明：两种材料的运用能有效地减小墩顶的残余位移，且大大减小塑性铰区的残余转角。

【关键词】塑性铰;形状记忆合金;工程用水泥基复合材料;时程分析

中图分类号：TU111.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）10-0086-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.035

Study on Plastic Hinge of Bridge Pier Based on SMA and ECC

HUANG Liang-chuan SU Yun-hui

（School of Civil Engineering Guangzhou University， Guangzhou Guangdong 510006， China）

【Abstract】The shape memory alloy （SMA） and Engineered Cementitious Composites （ECC） are used in plastic hinge area of bridge piers instead of ordinary reinforcement and ordinary reinforced concrete. Taking a triple highway bridge as an example， SAP2000 software was used for Time- history analysis. The results show that the application of the two materials can effectively reduce the residual displacement of the pier top and the residual rotational angle of the plastic hinge area.

【Key words】Plastic hinge; Shape memory alloy; Engineered Cementitious Composites; Time- history analysis

0 引言

钢筋混凝土桥墩一旦出现塑性铰后，混凝土的破坏主要集中在塑性铰区域，而且塑性铰区混凝土的损伤及破坏程度在较大程度上影响桥墩的抗震性能。如果用反复变形优越的材料代替塑性铰区的局部混凝土，当遭遇强地震时，桥墩结构具有良好的变形能力和延性，而且塑性铰区混凝土的损伤和破坏得到有效的控制和减轻。形状记忆合金（SMA）以其出色的超弹性性能和滞回耗能能力，被应用于各种结构构件的抗震设计[1-2]。传统水泥基材料其宏观开裂发展模式为单一裂纹，而工程用水泥基复合材料（ECC），可将单一裂纹实现向多重细微裂纹稳态开裂模式的转变，显著增加了材料的韧性、非线性变形和能量吸收能力[3]。以SMA棒取代普通钢筋，以ECC取代普通钢筋混凝土，有望获得具有自恢复能力、耗能能力和高延性能力的桥墩塑性铰。

1 超弹性形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）具有形状记忆效应和超弹性的優良特点，适合用于大型结构构件的防震抗震设计，在土木领域具有十分宽广的应用前景。SMA的超弹性效应是应力造成马氏体变形而引起的一种性能。对多数的SMA，均有马氏体相变开始温度小于奥氏体相变开始温度，而在这两个温度之间，马氏体和奥氏体可以共存[6]。SMA的变形恢复能力与材料所处环境的温度有较大关系。当环境温度高于奥氏体相变结束温度时，SMA在外荷载作用后表现出的变形恢复性能比较明显[4]。简化后的SMA本构模型（应力应变关系）如图1所示，其中σ为应力，ε为应变。

2 工程用水泥基复合材料

工程用水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC）是根据断裂力学和微观力学相关原理对纤维、基体和纤维基体界面进行有意识的设计、选择和调整，结果得到的硬化后的复合材料，且其纤维体积掺量不超过2%、极限拉应变能力稳定地超过3%，抗拉能力大约为混凝土的100～300倍，抗压应变能力大约混凝土的2倍[7-8]。

3 桥墩模型运算结果

运用SAP2000建立某三联公路桥的模型，如图3所示。用作比较的原桥梁模型塑性铰选用的材料为：C50混凝土、72根Φ32mm的HRB335钢筋;新型模型采用ECC和72根Φ32mm的SMA棒。对两模型用时程方法运算，以P4#的数据为代表，比较其墩顶节点位移及墩底塑性铰转角大小。

使用不同材料塑性铰的桥梁模型，经过时程运算后，4#墩的墩顶节点位移时程曲线如图4所示。新型模型墩顶位移随时间的变化幅度、最大位移、残余位移都更小。其残余位移减少了80.69%。

使用不同材料塑性铰的桥梁模型，经过时程运算后，4#墩的墩底塑性铰转角时程曲线如图5所示。新型模型墩底塑性铰转角随时间的变化幅度、最大位移、残余位移都更小。新型模型墩底塑性铰的最大转角减少了72.1%，残余转角减少了89.8%。

4 结语

到目前为止，国内外的科研人员对SMA和ECC均做了比较深入的研究，但对两者结合应用的研究相对较少。采用两者结合的新型塑性铰模型具有较高的耗能能力和延性能力，值得进一步研究。

【参考文献】

[1]Mitoulis S， Rodriguez Rodriguez J. Seismic Performance of Novel Resilient Hinges for Columns and Application on Irregular Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering， 2016，DOI：http：//dx.doi.org/10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000980.

[2]Saiidi M ， Varela S. A bridge column with superelastic NiTi SMA and replaceable rubber hinge for earthquake damage mitigation[J]. Smart Material Structures， 2016， 25（7）：075012.

[3]Shrestha K C ， Saiidi M S ， Cruz C A . Advanced materials for control of post-earthquake damage in bridges[J]. Smart Materials and Structures， 2015， 24（2）：025035.

[4]苗晓瑜，王社良，唐娴，翁光远.SMA-橡胶复合支座的力学性能及在桥梁结构中的应用研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012，44（01）：28-32.

[5]周海俊，徐希，刘海锋.简支梁桥形状记忆合金装置减震防落研究[J].振动与冲击，2015，34（21）：194-199.

[6]周博，王振清，梁文彦.形状记忆合金的细观力学本构模型[J].金属学报，2006（09）：919-924.

[7]徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报，2008（06）：45-60.

[8]蔡向荣.PVA-UHTCC单轴受压应力-应变全曲线[A].