国内外桥梁抗震性能评定文献综述

国内外桥梁抗震性能评定文献综述

作者在一篇题为《桥梁抗疲劳性能评价文献》（道路科学进步，2005年第5期）的文章中总结了国内外桥梁抗疲劳性能评价的情况。在对桥梁进行了专门的抗震性能评定后,如果发现桥梁抗震能力不足,则需要进行抗震加固。因此,本文对国内外桥梁抗震加固方法与加固材料方面的研究情况进行了概要综述。本文与“桥梁抗震性能评定文献综述”一文共同组成在处理既有桥梁抗震问题方面的文献综述和技术总结。1主要规格本文调研的国内相关技术标准包括:《铁路桥梁抗震鉴定与加固技术规范》(1999),《建筑抗震加固技术规程》(1998),《建筑抗震鉴定标准》(1995),上海市《现有建筑抗震鉴定与加固规程》(1997),《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(2003),美国联邦公路局《桥梁抗震加固指南》(1983),美国联邦公路局《桥梁抗震加固手册》(1995),美国加州《桥梁抗震加固指南》(1995),以及美国(1998)、美国加州(2001)、日本(1996)、欧州(1996)桥梁抗震设计规范等。2结构抗震加固尽管我国对结构抗震的研究开展得比较早,但是对结构抗震加固的系统研究落后于世界水平20~30年。直到上世纪90年代末,我国才有了《建筑抗震加固技术规程》(1998)和《铁路桥梁抗震鉴定与加固技术规范》(1999)2套结构抗震加固标准及上海市《现有建筑抗震鉴定与加固规程》(1997)。由于碳纤维材料的推广应用,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心等单位编制了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(2003),其中部分内容和抗震加固有关。在公路桥梁方面,我国至今仍没有抗震加固的标准。2.1上海规范对加固方法的规定《建筑抗震加固技术规程》(1998)对现有建筑的抗震加固作了规定,其中的基本规定和关于多层钢筋混凝土房屋的规定对桥梁抗震加固有一定的借鉴作用。其基本规定对制订加固方案的依据(抗震鉴定结果)、结构布置和连接构造、材料要求和施工要求作了规定;关于多层钢筋混凝土房屋抗震加固的规定包含了钢套、现浇钢筋混凝土套、粘贴钢板、抗震墙和翼墙、局部修复和补强、用拉筋或钢夹套对连接进行加强等加固方法的设计、验算和构造措施等内容。上海市《现有建筑抗震鉴定与加固规程》(2000)的一个特点是对重要优秀近代保护建筑的鉴定和(减隔震)加固作了较细致的规定,体现了上海市作为有历史积淀的大都市的文化内涵。但此部分不在本文主要考虑的范围内,故不多分析。从加固技术上讲,相比于行业标准建筑98规程,上海规程对每种结构列出了较多的加固方法,具体规定也较详细,并附了较多抗震加固图例,给设计者提供了较大的选择余地。关于最近比较热门的碳纤维加固,由于单从技术角度来看,碳纤维加固虽然有易于成型施工的优点,且材料强度较高,但无塑性屈服台阶,破坏时往往是发生突然的脆性断裂,用于抗震加固尚有问题待研究。因此,上海2000规程未将其列入。上海市《现有建筑抗震鉴定加固规程》(2000)增加了采用减震措施进行加固的内容,包括层间隔震、消能支撑和基础隔震等。层间隔震、消能支撑是通过消耗地震能量,减小主体结构所受地震作用;基础隔震延长了整个结构体系的自振周期,也减小了主体结构所受地震作用,都间接起到抗震加固作用。规程详细介绍了层间隔震、消能支撑和基础隔震的设计计算方法及参数选用。《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(简称片材规范)对碳纤维片材用于抗震加固的总折算体积配箍率、构造(搭接长度比受弯加固、受剪加固时的搭接长度要长,采用封闭式粘贴并有可靠连接)作了规定。到目前为止,碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的受弯加固、受剪加固和柱的抗震加固中的研究和应用最多,相应计算理论也较为成熟,故片材规程暂列出这3种加固方法的有关设计计算方法和构造规定。受弯加固指为提高受弯构件正截面承载力而进行的加固,受剪加固是指为提高受弯构件斜截面承载力而进行的加固,抗震加固是指为提高构件的抗震性能而进行的加固。片材规范规定:在受弯加固时,应使碳纤维片材的纤维方向与受拉区的拉应力方向一致;在受剪加固时,应使碳纤维片材的纤维方向与混凝土中主拉应力方向一致,但为了施工方便,建议采用纤维方向与构件纵轴垂直的方法进行加固;抗震加固时,应使碳纤维布封闭缠绕在柱上,可以较好地提高抗震性能。除此以外,碳纤维片材也可沿构件轴向粘贴用于受拉构件的加固、沿环向粘贴用于轴心受压构件的加固。在受弯加固时,也可采用对碳纤维片材施加预应力的方法以提高加固效果。2.2桥梁加固措施《铁路桥梁抗震鉴定与加固技术规范》(1999)对抗震加固的规定较少,主要内容有:(1)确定抗震加固的重点桥梁;(2)防落梁措施;(3)软基或可液化地基处理;(4)桥墩的钢套或现浇钢筋混凝土套加固(包括施工缝的加固);(5)隔震支座。3国外的总结3.1桥梁抗震加固设计流程美国联邦公路局《桥梁抗震加固手册》(1995)将加固方法分为常规方法和减隔震方法。常规方法对如下内容作了具体规定:支座、承台、伸缩缝加固(限位器、加长座宽、支座替换等);墩柱加套和缠绕加固;墩柱-盖梁及墩柱-基脚连接加固;盖梁加固;基础加固(基脚抗弯和抗剪强度加固、钢筋锚固加强、桩-基脚连接抗倾覆和抗拔出加固、桥台和引桥加固);危险性场地加固(可液化土、不稳定边坡、跨断层或断层附近的场地加固)。减隔震方法包括安装被动和主动的减隔震装置。手册中没有考虑主动减隔震装置,但对被动装置则有详细的规定。在实际应用中,有多个州认为被动装置对许多桥梁类型的抗震加固都是一种经济的方法。《加州桥梁抗震加固指南》(1995)是针对加州桥梁抗震加固计划中“防止倒塌”原则(其基本的加固策略是对桥梁或其一联中的某一墩柱及其基础进行加固)的不足而编制的,其原因是采用这一原则进行加固后,受到剧烈地震袭击的桥梁仍可能需要关闭或重建。因此当桥梁需要保持畅通时,应根据95指南进行更为保守的抗震加固设计。加州95指南作为加州桥梁抗震加固计划的一部分,规定了对桥梁抗震加固的4阶段程序,即:(1)结构诊断;(2)制定加固方案;(3)包括非线性的弹性分析;(4)加固设计。指南还包括A,B,C,D共4个附录,即:A.计算模型指南;B.设计/构造指南;C.特殊问题(隔震、曲率分析);D.背景和加州桥梁抗震加固计划中的在研项目。以下对抗震加固的4个阶段及A、B两个附录的内容作一个概述。第一阶段:规定对结构进行诊断所应进行的资料收集、建模和分析方法。该内容在“桥梁抗震性能评定文献综述”文中写得较为详细,此处不再赘述。第二阶段:规定制定加固方案的程序和方法,包括以下内容:以加固竣工图的形式讨论各种可能的加固方案以确定初步方案,首选的加固方案通常是对墩柱或墩柱及其基础进行套箍加固并采用足够的限位器以保证上部结构及与其连接的墩台的传力路径和内力分配。每座桥梁的相关资料都应存档(包括确定的方案及其理由,其它未选方案及否决理由,讨论会的指导意见,交通、通行、环境、可用空间等道路状况,地质及基础的许可和限制条件,以表格形式汇总的加固前后的能力需求分析结果,材料强度,钢筋等级,加速度反应谱曲线,上部结构能力评估及其它相关的技术数据)。第三阶段:规定对桥梁抗震加固的分析设计方法,包括以下步骤:(1)针对限位器受拉和受压2种情况,应建立受拉和受压2种分析模型;(2)受拉模型和受压模型分析。以受拉模型为例,应分析墩柱的加固效果,同时用等效静力法计算限位器强度,并判断墩柱加固是否达到要求;(3)如果墩柱加固未达到要求,则修正墩台刚度,重新计算,直至达到要求为止;(4)有需要时对基脚进行加固。第四阶段:规定对构件进行抗震加固进行设计及构造措施。这一部分内容在附录B中作了详细规定。附录A对抗震加固的计算作了详细的规定。附录A最重要的内容是关于延性系数和荷载折减系数的定义和计算。其它部分则是处理一些特殊情况,如:弯桥计算,长桥上部结构边界条件,模态组合,载荷组合,软土的ARS曲线,90m以下的桥梁桥台的大阻尼,扭转和悬臂,加固竣工分析等。附录B对设计及构造措施作了详细规定,主要内容有:外包钢套,外包高强环氧纤维套,塑性铰区及其外的许用剪力,盖梁及悬臂的抗扭设计,柱筋延伸长度,取出或替换柱的脚手架设计,协调设计(钢筋焊接,混凝土表面打毛,螺栓孔灌浆,取出或替换柱时的支撑,取出或替换限位器),基脚加固,桩基,桩扩大排架,外露排架盖,墙式墩横向设计,抗震锚固板等。本报告第3节对外包钢套、外包高强环氧纤维套和限位器的部分进行了详细分析。在相关研究成果和以上技术标准的指导下,自1971年SanFernando地震起至1987年,加州通过加强上部结构和下部结构的联系(抵抗竖向加速度,并防止上部结构构件从支承上滑落)对1300座桥梁进行了抗震加固,耗资约五千五百万美元。1987年起对桥梁抗震加固计划提供了额外的基金。而1989年LomaPrieta地震使得桥梁抗震加固计划得到加速,也使加州决定对25000座公有桥梁进行抗震倒塌评估,并对所有未通过评估的桥梁进行抗震加固,主要是对独柱墩和多柱墩进行加固,以提高柱的抗剪强度、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等,其投资额达34亿美元。1994年Northridge地震中,约50座钢套管加固柱的桥梁承受了峰值0.3g以上的加速度,但没有一座因柱损伤而需要进行修复。而在地震中倒塌或严重损坏的桥梁,大多数都已列入加州的抗震加固计划但尚未得到加固。3.2抗震规范的修订阪神大地震发生后,日本有关部门制定了《兵库县南部地震被害道路桥的复旧标准(案)》、《有关新设铁道构造物的耐震设计的临时措施》、《即存铁道构造物的耐震补强紧急措施》、《确保构造物设施耐震性能的基本思想》、《桥梁钢筋混凝土单柱墩碳纤维片材抗震加固手册》(1998)等技术标准和文件等。日本土木学会也于1995年成立了耐震基准等基本问题研究委员会,其后发表了《有关土木构造物的耐震基准等的提言(称为第1次提言)》和《有关土木构造物耐震补强的第2次提言》。1996年和1998年,日本分别对公路桥梁和铁路桥梁的抗震规范进行了大幅度的修订。新规范具有以下特点:(1)要求特别考虑桥梁系统整体的抗震性能,桥梁支座、防止落梁装置也作为主要结构构件来设计;(2)明确了桥梁结构复杂程度与抗震设计、验算方法的关系,对于复杂结构要求进行地震时程非线性地震反应分析;(3)强调利用结构的延性抗震;(4)新增加了隔震桥梁的有关设计规定。受到美国SanFernando地震的影响,日本于1971年对18000座桥梁进行了检测,并对1500座桥梁进行了抗震加固。其检测的目的主要是识别出有明显缺陷和老化的桥梁,因此并不需要进行专门的抗震检测。其后,又于1976年、1979年、1986年和1991年对桥梁进行了检测,以识别桥梁的抗震易损性。仅于1991年就完成了对60000座桥梁检测。神户大地震后,日本于1995年至1996年间对约30000个墩柱进行的加固。神户大地震中,兵库县南部道路和桥梁损坏很重,全长200km的13条路线都遭到破坏。地震过后,阪神高速公路公团立即着手处理灾害事务及恢复工作。从地震发生起3个月内确定修复方案,原计划用2年时间,实际只用了1年零8个月,主要干线道路全部修复通车。修复的办法有:(1)钢筋混凝土墩柱:主筋直通墩顶,加密加粗箍筋或用钢板外包;(2)钢制墩柱:钢管中填混凝土及增加纵向筋;(3)增加防落梁措施:增强梁与柱、梁与梁之间的联系,并设置双重防落(水平和垂直方向)梁;(4)减轻上部结构重量,将上部混凝土桥面板改为钢桥面板;(5)简支梁改为连续或多跨梁支梁梁体联接。桥梁基础的震灾检查方法有4种,即直接法(挖土、肉眼看)、间接法(钻孔、照相)、反应波速法和作荷载试验法,用柱身压浆、灌浆及加柱增强基础等办法进行加固。3.3加固后的一般注意事项加拿大于2000年颁布了其最新的桥梁抗震设计规范,其中对既有桥梁的抗震性能评估和抗震加固作了规定。列入该规范的抗震加固技术方法包括:基础隔震,在无加强情况下的增加延性,附加吸能装置,安装限位器,改变传力途径,增加支撑长度,采取措施以确保形成塑性铰,增强加固,处理可液化土,路基和相邻边坡的稳定性处理。在评估以上加固方法时,应注意如下问题:考虑加强后刚度的增加;评价加固对疲劳寿命的影响;考虑改变传力途径的影响;考虑构件加强后对连接和其它构件承载力需求的影响;应避免采用对难于企及的基础部位产生破坏的加固方法;采用基础隔震对其它荷载的影响;加固的耐久性;增加限位器对温度变形的影响;处理可液化土产生的倾斜或变位;对逐步完善加固的后果应进行考虑;应强调加固后的充分检测和维护;对加固后的结构进行完整的重分析。4应注意吸收先进的理念通过分析国内外研究资料,特别是对国内外标准的比较可以知道,在桥梁抗震加固技术研究和实践上,尽管我国的科技水平已有较大的提高,但与国际水平相比仍有相当的距离。美国和日本桥梁的抗震鉴定和加固的标准中,强调了对桥梁的排序、抗震鉴定及加固原则和程序、抗震计算模型的建立和抗震分析的方法等内容,在吸收这些技术成果的同时,应注意吸收先进的理念。我国在桥梁抗震方面的不足主要是缺乏持之以恒的基