美国加州地震桥梁的震害与加固

美国加州地震桥梁的震害与加固

1桥梁抗震设计1973年至1975年的频发地震中，加州多次发生七度左右的地震。在地震中，桥梁的破坏暴露了加州桥梁设计的缺陷。这些缺陷给公共交通和运输生活带来了潜在的严重危害。因此,自圣费尔南多(SanFernando)地震后,对加利福尼亚州运输部对新建桥梁进行抗震设计外,同时还实施了一项桥梁抗震加固计划,而且自1989年劳马普利塔(LomaPrita)7.1级地震后又加速了这一计划。本文根据加利福尼亚州几次地震中桥梁的破坏特征,分析了地震破坏的成因,并介绍加利福尼亚州的桥梁抗震加固的原则和方法。2柱的抗弯能力不足美国加利福尼亚州几次地震桥梁的震害见表1。根据几次地震中桥梁的震害分析表明,其震害的成因有以下几个方面。①按弹性理论设计及配筋不足导致柱与盖梁的抗弯强度不足;②墩柱塑性铰区的配筋不足以及细部构造不当导致柱的抗弯延性不足;③由于对抗弯强度估计不足、承载能力设计方法的欠缺以及箍筋不足而导致柱身抗剪强度不足;④结点处抗剪强度不足,特别是柱与盖梁、柱与承台的连接处:⑤在顺桥向地震力作用下,上部结构抗弯能力不足导致柱身形成塑性铰;⑥基础承受柱塑性弯矩的抗弯、剪能力不足;⑦柱(特别是上拔柱)承受塑性弯矩的能力不足;⑧柱基土壤的液化;⑨结构承受跨越活动断层的桥墩间的相对变形的延性不足。3防止落梁震害加利福尼亚州运输部的桥梁抗震加固计划始于1971年圣·费尔南多地震,并在加里福尼亚州的伯克利、圣地亚哥、埃温和戴维斯大学进行加固技术的实验研究。它包括三个阶段。第一阶段包括在铰和伸缩缝处安装阻尼装置,以防止落梁震害。这在圣·费尔南多地震时是桥梁倒塌的主要原因,而且认为其对公共交通构成最严重的威胁。这一阶段的主要工作是加强上部结构和下部结构的联系,以抵抗竖向加速度,以及防止上部结构构件从支承上滑落。这一阶段在1989年基本完成,对全州公路系统中大约1260座桥梁进行了加固,投资额超过了五千五百万美元。第二阶段是加固独柱式墩,第三阶段是加固多柱式墩。这两个阶段几乎同时进行,这两个阶段主要是提高柱的抗剪强度、弯曲延性、盖梁的承载能力和延性、上部结构的承载力、结点的抗剪强度、基础与桥台的承载力。其投资额达34亿美元。加利福尼亚州运输部还开发了一项风险分析方法,以使地震中危险程度最高的桥梁首先得到加固。3.1桥梁抗震设计由于全州有24000座桥梁要进行加固,对所有桥梁立即进行加固,以承受最大程度的地震而不受损坏,这在经济上是不可能的。加利福尼亚州运输部的加固原则仍然是首先加固那些对公众暴露出最大危害,以及运输系统中最重要的结构。最终目的是使州内所有桥梁可承受最大可能的地震而不倒塌。由于地震中一定程度的破坏是不可避免的,但是经过加固可以避免倒塌,进而可将破坏限制在最低限度,也就是在地震发生或修复过程中,运输系统中重要的结构能维持开放交通。为实现这一目标,加利福尼亚州运输部在其抗震设计与加固准则中引入一个新的概念,即“重要性系统”,而且制定了桥梁抗震加固的优先排序法。这代表了其抗震加固设计准则中的一个重要变化。3.2基于优先排序法的救济传统的桥梁抗震加固次序是根据对1971年圣·费尔南多地震引起的桥梁震害分析于1973年制定的。在抗震加固的第一阶段完成以后,运输部开始对独柱式墩和多柱式墩桥梁进行排序,制定了优先排序法。传统的危害分析是根据荷载与抗力之间的关系进行的,通过需要收集大量的数据来确定一些分析、设计表格中所有部分或至少最重要部分的统计分布。优先排序法与传统危害分析法的主要区别在于以分析判断代替了支持统计分布的大量数据。优先排序法的具体步骤是:①确定出现概率较大的主要断层,选择断层的标准包括位置、地质年代、最近一次平移的时间、断层的长度。②研究第①步中找到的断层的阻尼关系。加州地矿局的著名地质专家Mualchin,提出了一个平均的阻尼模型,这一模型是几个模型的平均。③确定可能导致桥梁结构严重破坏的最小地面加速度。可使柱屈服的最小地面加速度被定义为地面加速度的临界值,过去这一临界值为0.5g,劳马普利塔地震证明这个假定是错误的,而且在现行的评价中已做了调整,调整后的值为0.25g。④查找由第②步中阻尼模态定义的高风险区域以及由第③步确定的临界加速度边界内的所有桥梁。加里福尼亚州运输部已开发了一个计算机数据库,数据库中储存了州、县、市所有24000座桥梁的坐标。在计算机上可显示州的地图或任一座桥梁的位置,这可使工程师辨识最高风险的桥梁,这一方法相当简便。加固的桥梁进行排序,而且确定了每座桥梁的风险值,排序时要考虑很多影响因素。这些因素是:a.地面加速度;b.路线的类型——重要的或次要的;c.平均日交通量(ADT);d.墩柱设计——单柱式墩或多柱式墩;e.墩柱的配筋(与设计年限有关);f.桥长;g.桥梁的斜交角;h.绕行的可能性;i.土质类型;j.铰的形式和数量;k.桥台的类型。1989年劳马普利塔地震后,认为土壤类型是最重要的因素。优先排序法的主要特点是省力、成本低、充分利用了桥梁计算机信息管理的数据库,突出了桥梁的特性。这种方法已被广泛应用,而且在不断完善。4北茯苓和混合式墩盖梁的震力组合由于地震运动方向的不确定性,而且可能在两个相互垂直的水平方向力同时产生地震力,一般需将正交地震力合并。桥梁的典型正交轴是桥梁纵轴和横轴,设计者可以自由选取。曲线桥梁的纵轴可以取两桥台间所连的弦线。加利福尼亚州运输部最新设计准则中对地震力做了如下两种情况:第一种:杆件上每一主轴方向的地震力是由100%正交向(纵向)的地震分析所产生的杆件弹性地震力的绝对值上30%第二正交(横向)地震分析所产生弹性地震力的绝对值。第二种:杆件上每一主轴方向的地震力是由100%第二正交向(横向)的地震分析所产生的弹性地震力的绝对值上30%第一正交(纵向)分析所得的弹性地震力的绝对值。对桥梁抗震设计荷载做如下组合:组合Ⅰ恒载±地震力;组合Ⅱ:恒载+活载±地震力组合Ⅱ中的活载用于桥梁高度在6英尺以上的情况。在以往的桥梁抗震设计准则中没有考虑竖向地震力,1994年北苓地震力是导致悬臂梁,柱式墩盖梁断面冲剪破坏的主要原因。因此,在新的抗震设计准则中规定,在悬臂梁柱式墩盖梁的悬臂梁断面,以及开裂的上部结构的柱顶部的设计中必须考虑竖向地震力。5桥梁墩基础加固加利福尼亚州运输部分别在1986年和1990年实施桥梁加固计划的单桩式墩的加固,以使所有桥梁在大地震中减少灾难性的破坏。主要的目的在于防止桥梁倒塌,其次将桥梁的破坏控制在一定的程度内增强结构的服务功能,以使在不关闭交通的情况下对桥梁进行修复。要实现这一目标,两个关键项目被认为是最主要的。其一是在上部接缝处保持连续性以防止上部结构倒塌;其二是在结构的一定位置增强其柔韧性,特别是在柱、柱与上部结构,以及柱与基础结点处。柱加固阶段的关键在于通过对柱设置外部约束以及加固桥台来提供柱的柔性。目前,柱的外部约束主要通过设计钢套箍来抵抗剪力,而且提供塑性铰处的约束,基础和桥台通过加柱、土壤锚固、螺旋阻尼器,支撑墙和其他的构造来抵抗地震力。在单桩加固设计阶段,重点是所有的桥梁的评估,在很多情况下,在最终决定是否进行加固前,有必要进行动力分析。过去典型的上部结构加固方法是墩台伸缩缝处设置约束索、约束杆,在桥台上设剪力键,图1为典型的铰座装置,图2为上部结构纵、横向约束装置。目前,采取较长的铰和在桥台上设宽的支座,以防止上部结构从支座上滑移。现在,桥梁墩柱的抗震设计方法主要是对潜在的塑性铰性区施加外部约束,以增强柱的延性,柱的延性通过安装外部约束套箍来约束混凝土,或柱内配置螺旋箍筋。外部套箍材料主要是结构钢,也可采用钢纤维或玻璃钢。钢套箍的截面形式可以是矩形、圆形和椭圆形。使用钢套箍,除了提供约束外,还可以提高柱的抗剪强度,比较理想的抗剪加固方法是增强柱的抗剪强度,以避免脆性抗剪破坏,而且加固后柱能显示出延性响应。对于圆柱用圆套箍是适宜是,对于矩形柱,椭圆形套箍是理想的。不管是抗弯还是抗剪加固,套箍应比柱短些,以确保对柱提供约束,而不是端面尽寸的增加导致基础承载能力不足。图3为柱加固事例。对于独柱式墩,柱与基础必须同时加固,以此增强抗侧向倾覆的能力,基础的加固方法可采用以下几种方式:①将柱与基础间的刚性连接改为销连接;②加大基础尺寸;③加柱;④设置拉锚杆,如图4所示;⑤在原基础上增设混凝土罩面层。图5为通过加柱及增大承台尺寸来加固基础。6隔震装置的组成隔震是一种通过增强结构弹性和能量耗散来减少作用与结构上的地震力的方法,增强的弹性使结构的自振周期增大,增大的周期能明显