Seismic Design and Numerical Verification of Self‑centering Double‑column Pier Bridges with Replaceable Prestressing Tendons

PANG Wei; JIANG Hao; JIA Junfeng; ZHU Anjing; BIAN Jiachen

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240409002

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Seismic Design and Numerical Verification of Self‑centering Double‑column Pier Bridges with Replaceable Prestressing Tendons

更新时间：2025-08-27

- Seismic Design and Numerical Verification of Self‑centering Double‑column Pier Bridges with Replaceable Prestressing Tendons
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 4, Pages: 819-828(2025)
- 作者机构：
  
  1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730099
  2.北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室，北京 100124
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240409002
  CLC： TU378.3
- Received：09 April 2024，
  
  Revised：2024-05-10，
  
  Published：28 August 2025
- 稿件说明：
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庞伟,江昊,贾俊峰等.可更换预应力筋自复位双柱墩桥梁抗震设计及数值验证[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):819-828.

PANG Wei,JIANG Hao,JIA Junfeng,et al.Seismic Design and Numerical Verification of Self‑centering Double‑column Pier Bridges with Replaceable Prestressing Tendons[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):819-828.
庞伟,江昊,贾俊峰等.可更换预应力筋自复位双柱墩桥梁抗震设计及数值验证[J].防灾减灾工程学报,2025,45(04):819-828. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240409002.

PANG Wei,JIANG Hao,JIA Junfeng,et al.Seismic Design and Numerical Verification of Self‑centering Double‑column Pier Bridges with Replaceable Prestressing Tendons[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(04):819-828. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240409002.

摘要

为提升桥梁工程的震后功能可快速恢复性及结构可修复性，提出一种配置可更换曲线预应力筋的摇摆自复位双柱墩桥梁及其结构与构造。以某市政桥梁工程为背景，研究并确定了自复位双柱墩桥梁的抗震性能目标、设计方法和设计流程。基于OpenSees软件平台建立了摇摆自复位双柱式墩数值模型，分析墩顶水平往复加载条件下墩柱的抗震能力，验证了基于所提出的基于直接位移的抗震设计方法得到的预应力筋初始张拉应力、配筋率以及消能部件面积比等关键设计参数的合理性。研究结果表明：双柱墩在墩顶加载偏移率达5%时，其抗侧刚度和水平承载力基本不降低；卸载后残余偏移率仅为0.17%，具有优异的自复位能力。本文提出的摇摆自复位双柱墩桥梁结构及其抗震设计方法可以实现预期抗震性能目标，可根据该方法得到结构合理设计参数。本文研究可为高烈度区市政和公路桥梁抗震设计提供参考。

Abstract

To improve the rapid post-earthquake recovery of bridge functionality and structural repairability

a rocking self-centering double-column pier bridge with replaceable curved prestressing tendons

including its structure and construction

was proposed. Based on a municipal bridge project

the seismic performance objectives

design method

and design process for the self-centering double-column pier bridge were studied and established. A numerical model of the rocking self-centering double-column pier was established based on the OpenSees platform to analyze the seismic performance of the pier columns under horizontal cyclic loading at the top of the pier and to verify the appropriateness of key design parameters‑such as the initial prestressing tendon stress

reinforcement ratio

and area ratio of energy dissipation devices‑calculated using the proposed direct displacement-based seismic design method. The results showed that the lateral stiffness and horizontal bearing capacity of the double-column pier did not significantly decrease when the top drift ratio reached 5%. The residual drift ratio after unloading was only 0.17%

indicating excellent self-centering capability. The proposed rocking self-centering double-column pier structure and its seismic design method can achieve the intended seismic performance objectives

and rational structural design parameters can be obtained through this method. The research can provide reference for the seismic design of municipal and highway bridges in high seismic intensity regions.

关键词

Keywords

references

韩强，贾振雷，周雨龙，等 . 震后可恢复功能桥梁结构之摇摆桥梁研究综述［J］. 中国公路学报， 2021 ， 34 （ 2 ）： 118 - 133 .

Han Q ， Jia Z L ， Zhou Y L ， et al . Review of seismic resilient swinging bridge structures after earthquake ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2021 ， 34 （ 2 ）： 118 - 133 . （in Chinese）

金如意，申彦利 . 桩-土相互作用下的桥梁高墩地震易损性复合参数分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1016 - 1023， 1056 .

Jin R Y ， Shen Y L . Composite parameter analysis of seismic vulnerability of high bridge piers under pile-soil interaction ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1016 - 1023， 1056 . （in Chinese）

公路桥梁抗震设计规范： JTG/T 2231-01—2020 ［S］. 北京：人民交通出版社， 2020 .

城市桥梁抗震设计规范： CJJ 166—2011 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2011 .

CALTRANS . CALTRANS seismic design criteria ［S］. Sacramento ： California Department of Transportation ， 2013 .

AASHTO . LRFD bridge design specifications ［S］. Washington DC .： American Association of State Highway and Transportation Officials ， 2017 .

Kawashima K ， Macrae G A ， Hoshikuma J ， et al . Residual displacement response spectrum ［J］. Journal of Structural Engineering ， 1998 ， 124 （ 5 ）： 523 - 530 .

PEER ， Report of the first joint planning meeting for the second phase of NEES/E-Defense collaborative research on earthquake engineering ［R］. Berkeley ： University of California， Berkeley ， 2009 .

贾俊峰，魏博，杜修力，等 . 从WCEE看国内外韧性抗震梁桥研究进展［J］. 交通运输工程学报， 2022 ， 22 （ 6 ）： 25 - 45 .

Jia J F ， Wei B ， Du X L ， et al . Research progress on resilient seismic beam bridges at home and abroad from WCEE ［J］. Journal of Transportation Engineering ， 2022 ， 22 （ 6 ）： 25 - 45 . （in Chinese）

吕西林，全柳萌，蒋欢军 . 从16届世界地震工程大会看可恢复功能抗震结构研究趋势［J］. 地震工程与工程振动， 2017 ， 37 （ 3 ）： 1 - 9 .

Lyu X L ， Quan L M ， Jiang H J . Research trends in resilient seismic structures from the 16th World Conference on Earthquake Engineering ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 1 - 9 . （in Chinese）

李建中，管仲国 . 桥梁抗震设计理论发展：从结构抗震减震到震后可恢复设计［J］. 中国公路学报， 2017 ， 30 （ 12 ）： 1 - 9 .

Li J Z ， Guan Z G . Development of seismic design theory for bridges： from structural seismic reduction to post-earthquake resilient design ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2017 ， 30 （ 12 ）： 1 - 9 . （in Chinese）

杜修力，周雨龙，韩强，等 . 摇摆桥墩的研究综述［J］. 地震工程与工程振动， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1 - 11 .

Du X L ， Zhou Y L ， Han Q ， et al . A review of research on rocking bridge piers ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1 - 11 . （in Chinese）

苏醒，阎石，付江监，等 . 一种自复位摇摆墙的改进Bouc-Wen滞回模型［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 1 ）： 39 - 49， 201 .

Su X ， Yan S ， Fu J J ， et al . An improved Bouc-Wen hysteresis model for self-centering rocking walls ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 1 ）： 39 - 49， 201 . （in Chinese）

倪永军，宋园，江辉 . 基于韧性的摇摆桥墩桥梁抗震研究综述［J］. 北京交通大学学报， 2023 ， 47 （ 3 ）： 1 - 9 .

Ni Y J ， Song Y ， Jiang H . A review of seismic tesearch on rocking bridge piers based on resilience ［J］. Journal of Beijing Jiaotong University ， 2023 ， 47 （ 3 ）： 1 - 9 . （in Chinese）

王龙梅，蒋姗，田砾 . 可更换构件结构抗震性能研究进展［J］. 工程抗震与加固改造， 2022 ， 44 （ 6 ）： 119 - 126， 147 .

Wang L M ， Jiang S ， Tian L . Research progress on seismic performance of structures with replaceable components ［J］. Engineering Seismic and Retrofitting ， 2022 ， 44 （ 6 ）： 119 - 126，147 . （in Chinese）

韩强，董慧慧，王利辉，等 . 基于可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构研究综述［J］. 中国公路学报， 2021 ， 34 （ 9 ）： 215 - 230 .

Han Q ， Dong H H ， Wang L H ， et al . A review of research on seismic-resistant bridge structures based on replaceable components for resilience ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2021 ， 34 （ 9 ）： 215 - 230 . （in Chinese）

吕西林，武大洋，周颖 . 可恢复功能防震结构研究进展［J］. 建筑结构学报， 2019 ， 40 （ 2 ）： 1 - 15 .

Lyu X L ， Wu D Y ， Zhou Y . Research progress on resilient seismic structural systems ［J］. Journal of Building Structures ， 2019 ， 40 （ 2 ）： 1 - 15 . （in Chinese）

Mander J B ， Cheng C T . Seismic resistance of bridge piers based on damage avoidance design ［R］. Technical Report NCEER . ［ S.l. ］： US National Center for Earthquake Engineering Research （NCEER）， 1997 .

Ou Y C ， Chiewanichakorn M ， Aref A J ， et al . Seismic performance of segmental precast unbonded posttensioned concrete bridge columns ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2007 ， 133 （ 11 ）： 1636 - 1647 .

Bu Z Y ， Ou Y C . Simplified analytical pushover method for precast segmental concrete bridge columns ［J］. Advances in Structural Engineering ， 2013 ， 16 （ 5 ）： 805 - 822 .

魏博，贾俊峰，欧进萍，等 . 外置耗能器对自复位预制RC桥墩抗震性能的影响研究［J］. 中国公路学报， 2021 ， 34 （ 2 ）： 220 - 229 .

Wei B ， Jia J F ， Ou J P ， et al . Influence of external energy dissipation devices on seismic performance of self-centering precast RC bridge piers ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2021 ， 34 （ 2 ）： 220 - 229 . （in Chinese）

贾俊峰，边嘉琛，白玉磊，等 . 自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力数值仿真分析［J］. 振动与冲击， 2023 ， 42 （ 1 ）： 89 - 97 .

Jia J F ， Bian J C ， Bai Y L ， et al . Numerical simulation analysis of seismic resistance of self-centering dual-pillar bridge piers with rocking mechanism ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 1 ）： 89 - 97 . （in Chinese）

Federal Emergency Management Agency （FEMA） . Seismic performance assessment of buildings， volume I： methodology， FEMA P-58 ［R］. Washington， DC ： Federal Emergency Management Agency ， 2012 .

Japanese Road Association . Design specifications of highway bridges， Part V： Seismic design ［S］. Tokyo ： Japanese Road Association ， 1996

中国地震动参数区划图： GB 18306—2015 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2015 .

Marriott D . The development of high-performance post-tensioned rocking systems for the seismic design of structures ［D］. Christchurch， New Zealand ： University of Canterbury ， 2009 .

Ou Y C ， Tsai M ， Chang K ， et al . Cyclic behavior of precast segmental concrete bridge columns with high performance or conventional steel reinforcing bars as energy dissipation bars ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2010 ， 39 （ 11 ）： 1181 - 1198 .

Paulay T ， Priestley M . Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings ［M］. New York ： John Wiley & Sons ， 1992 .

Borzi B ， Calvi G M ， Elnashai A S ， et al . Inelastic spectra for displacement-based seismic design ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2001 ， 21 （ 1 ）： 47 - 61 .

孙治国，赵泰儀，王东升，等 . 基于RSC体系的双层桥梁排架墩地震损伤控制设计［J］. 中国公路学报， 2020 ， 33 （ 3 ）： 97 - 106 .

Sun Z G ， Zhao T Y ， Wang D S ， et al . Seismic damage control design of double-deck bridge pier bracing system based on RSC system ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2020 ， 33 （ 3 ）： 97 - 106 . （in Chinese）

Palermo A ， Pampanin S ， Marriott D . Design， modeling， and experimental response of seismic resistant bridge piers with posttensioned dissipating connections ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2007 ， 133 （ 11 ）： 1648 - 1661 .

杜轲，孙景江，许卫晓 . 纤维模型中单元、截面及纤维划分问题研究［J］. 地震工程与工程振动， 2012 ， 32 （ 5 ）： 39 - 46 .

Du K ， Sun J J ， Xu W X . Study on issues of element， section， and fiber division in fiber models ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2012 ， 32 （ 5 ）： 39 - 46 . （in Chinese）

葛超洋，孙治国，付建宇，等 . 近断层地震动下摇摆-自复位桥墩连续梁地震反应［J］. 世界地震工程， 2023 ， 39 （ 2 ）： 113 - 124 .

Ge C Y ， Sun Z G ， Fu J Y ， et al . Seismic response of rocking-self-centering bridge piers continuous beams under near-fault ground motions ［J］. World Earthquake Engineering ， 2023 ， 39 （ 2 ）： 113 - 124 . （in Chinese）

司炳君，谷明洋，孙治国，等 . 近断层地震动下摇摆-自复位桥墩地震反应分析［J］. 工程力学， 2017 ， 34 （ 10 ）： 87 - 97 .

Si B J ， Gu M Y ， Sun Z G ， et al . Seismic response analysis of rocking-self-centering bridge piers under near-fault ground motions ［J］. Engineering Mechanics ， 2017 ， 34 （ 10 ）： 87 - 97 . （in Chinese）

孙治国，赵泰儀，石岩，等 . 摇摆-自复位桥墩抗震性能数值建模方法研究［J］. 应用基础与工程科学学报， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1357 - 1369 .

Sun Z G ， Zhao T Y ， Shi Y ， et al . Research on numerical modeling methods for seismic performance of rocking-self-centering bridge piers ［J］. Journal of Basic Science and Engineering ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1357 - 1369 . （in Chinese）

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