既有桥梁抗震加固技术研究

既有桥梁抗震加固技术研究

0抗震设计规定桥梁是道路的重要组成部分。它的安全建设和安全运营一直是社会关注的焦点，也是国家各级交通部门安全管理的重点。自2011年底以来，中国共有68.9万座桥梁。根据建筑期的考虑，这些桥梁在90年代的总桥梁总数约为16.8万座，在2000年的总桥梁约为23.1万座，在2008年底的总桥梁数量达到59.5万座。90年代以前，许多桥梁（占总建筑面积的24%）位于低等级道路上。虽然这些桥梁的施工过程中没有进行防滑设计，但一些房屋的安装根据最初的房屋安装规范或第---------时的设计图纸（以下简称“设计财务费用”）进行调整。自2008年以来，已修建的桥梁基本上是按照2008年的《道路桥梁防滑设计规则》（以下简称《2008年道路桥梁防滑设计规则》（以下简称《2008年道路桥梁防滑设计规则》）设计的。作为生命线工程之一的桥梁,一旦遭受地震破坏,将会导致巨大的直接和间接经济损失,并影响震后灾区的救援和重建工作,使得人们对桥梁的抗震能力越来越重视.交通运输部周海涛在“公路工程抗震减灾技术回顾与展望”中根据汶川地震、玉树地震震害指出,我国目前路网存在抗震减灾能力不够强、公路地震灾害信息获取相对困难、次生灾害造成损失严重的现状,并指出我国公路工程抗震减灾技术应加强路网抗灾能力.为了提高我国公路交通网的抗震能力,需从路网结点生命线、路网设防标准等多个角度加强研究,特别是做好既有路网中枢纽工程——桥梁结构的抗震能力评价,并对影响路网抗震能力的桥梁采取必要的抗震加固措施,来实现提高路网的抗震减灾规划水平.桥梁地震震害调查是人们认识地震、研究地震对桥梁影响的最直接的手段,通过震害调查和分析桥梁震害的原因,是建立正确的抗震设计方法、评估方法和加固设计最直接的科学依据.本文在参考国内外最新研究成果基础上,首先对桥梁震害进行简要的总结,以揭示桥梁抗震易损部位、构件及震害原因,进而针对当前既有桥梁的抗震易损特点,从桥梁结构体系的角度出发,研究探讨经济、有效的抗震加固方法和措施.1桥梁抗震能力不足问题对国内外近年来发生的大地震中桥梁震害分析表明,桥梁结构可能出现的典型震害有[7,8,9,10,11,12,13](见图1～图7):①主梁结构性损伤,即因地震造成主梁开裂、相邻梁碰撞造成的损伤和落梁;②桥墩破坏;③盖梁、节点区域破坏;④墩-梁支承连接件震害(支座破坏);⑤桥台损伤或破坏;⑥地基、基础震害;⑦伸缩缝及桥面连续震害;⑧地质灾害引起桥梁的破坏或倒塌.针对上述震害揭示的桥梁薄弱环节,我国2008年颁布的《公路桥梁抗震设计细则》和2012年颁布的《城市桥梁抗震设计规范》,汲取了这些经验教训,新颁布的规范采用两级抗震设防水准,并规定了较详细的延性构造细节、支座连接、防落梁构造以及节点区域钢筋构造等,来提高桥梁的抗震性能.但依据以前旧规范设计建造的公路桥梁,可能存在不同程度的抗震能力不足问题:如建造于1990～2008年期间的绝大多数公路桥梁系采用《公路工程抗震设计规范》进行抗震设计,由于该规范采用的是单一抗震设防标准,且未明确规定桥梁的抗震性能目标、延性构造和检算要求,而近年来的震害表明,上述震害中揭示的地震易损部位、构件在这些桥梁中都不同程度地存在.综上所述,按照旧规范设计的大量既有公路桥梁(约占总数的86%)存在不同程度的抗震能力不足问题,对位于我国高地震危险区的在役公路桥梁,有必要采取一定的抗震加固措施,以提高这些桥梁的抗震能力.在桥梁抗震评估方面,交通运输部正组织专家编写《公路桥梁抗震性能评价细则》,目前处于送审稿阶段.在桥梁抗震加固方面,仅在《公路桥梁加固设计规范》第15章有所规定,但条文内容偏重指导性方面的规定,可操作性差.目前还没有统一的规范或指南供实际工程参考,为此有必要开展既有桥梁抗震加固方法研究,进而提高我国公路交通网络的抗震减灾能力.2桥梁抗震加固指导指南美国、日本等地震区国家在上世纪七八十年代就开展了桥梁抗震加固方面的研究,并进行了大量桥梁构件抗震加固试验和数值分析研究,特别是在防落梁装置和桥墩加固技术方面的研究,已取得很好的成果,并编制了相应的桥梁抗震加固手册或指南,用于指导既有桥梁的抗震加固.近年来,随着地震对桥梁造成灾害损失的增多,我国学者也开始对桥梁的抗震加固技术和理论进行研究,杨新宝对桥墩的抗震加固技术进行了试验研究,同时对桥梁抗震性能评价方法进行讨论;国内其他一些学者也对国内外桥梁抗震加固技术进行了介绍和讨论;汶川地震后,王克海等学者将美国最新的桥梁抗震加固技术手册进行了翻译,以促进我国桥梁抗震评估加固技术的发展.综上所述,我国在桥梁抗震加固方面,虽进行了一定数量的研究,但目前还缺乏系统的总结和统一的规范或指南供实际工程参考,也缺乏明确的抗震加固设计流程和方法.2.1既有公路桥梁总结国内外桥梁抗震加固文献可以发现,在开始桥梁抗震加固设计时,通常必须考虑两方面因素:首先是对既有桥梁进行抗震能力评价,识别易损部位或构件,面临的问题是如何进行既有桥梁抗震能力的评价,特别是对有缺陷构件的抗震能力如何进行评价,需要相关的指南、分析方法等,按照这些指南或规范提供的方法对其进行分析,进而按照所得的详细地震分析结果来判定失效或损伤的危险程度,以及是否需要进行加固设计.这个决定通常来说是相对的,它取决于与其他进行抗震加固的桥梁的比较以及相关的经济费用.其次是一旦决定对其进行抗震加固时,面临的就是加固方案的确定以及相应的加固设计和计算,即以最经济有效的加固方案来提高桥梁的抗震能力.为了探讨我国既有桥梁的抗震加固方法,首先论述一下我国绝大多数在役桥梁地震易损的特点.截至2008年底,我国建造并运营的公路桥梁总数大约有59.5万座桥梁,占当前既有公路桥梁总数的62%.这些桥梁大部分是依据“89规范”进行抗震设计的.与“08细则”相比,这些既有公路桥梁存在的地震易损特点主要体现在以下几个方面.1)既有公路桥梁是依照单一水准即多遇地震进行抗震计算、设计和检算的,而我国当前公路桥梁是依据两级设防地震水准进行抗震设计的.分析比较表明,如果按“08细则”进行桥梁第二水准的抗震分析、设计和检算,通常会导致支座设计地震力以及桥墩延性需求的提高,同时,还会导致盖梁、桩基础等能力保护构件弯矩和剪力等需求的提高.可见,大多数既有公路桥梁可能存在桥墩延性不足、支座抗震能力不足、盖梁和桩基础承载力不足等问题.对框架桥墩,通常会发现盖梁与桥墩交界面正弯矩钢筋不足、负弯矩纵筋的锚固长度不足等;此外,盖梁中的抗剪强度通常也不足以保证桥墩塑性铰的充分发展,乃至结构体系的整体延性能力不足.2)与“08细则”相比较,上述年代建造的既有桥梁在延性构造如箍筋约束、纵筋间距、纵筋搭接、锚固长度、抗剪和盖梁配筋、框架桥墩节点区域构造要求均存在一定不足,将导致桥墩延性能力不足,框架节点区域也可能遭受破坏.3)“08细则”对防落梁装置和挡块设置提出了更高要求,特别是对跨径小于40m的梁式桥,这意味着既有桥梁的防落梁搭接长度相对不足,存在较高的落梁破坏风险.从上述对我国既有公路桥梁存在的地震易损特点的分析表明,相当多的在役公路桥梁同时存在桥墩、基础和支座等构件抗震能力不足的问题,因此,仅仅从构件角度分别进行抗震加固,如对支座、桥墩、桩基础和盖梁等分别进行加固,尽管可以提高桥梁的抗震能力,但花费巨大、效率较低、加固耗时较多,且加固时不可避免会影响桥梁的正常运行功能.基于这些原因,本文提出如下桥梁抗震加固原则.首先,应从体系抗震加固角度出发,依据识别的抗震薄弱部位或构件,讨论经济有效的加固方案,并从提高桥梁各构件的抗震能力(强度和延性能力)和减低地震对桥梁结构的地震需求(减隔震)两方面出发,来探讨各种可能的有效加固方案.其次,在体系抗震加固方案比选的基础上,针对典型构件抗震能力的不足,进行各薄弱构件抗震能力加固方案比选,构件加固方案的确定需同时考虑桥梁正常使用条件的限制.2.2减隔震加固方法目前从桥梁结构体系角度出发的抗震加固方法主要有:上部主梁连续化、质量轻型化的方法;地震力合理分配加固法;减隔震加固方法;防落梁构造加固方法等.1)上部主梁连续化、质量轻型化方法.这种抗震加固方法,通常需要配合旧桥维修、特别是主梁的维修进行,可考虑在维修时将旧桥上部结构连续化并减轻其自重,以达到减轻落梁和降低下部结构地震力、从而提高全桥抗震能力的目的.2)地震力合理分配加固方法.我国在役公路桥梁中,大部分梁式桥结构中纵桥向地震力一般由固定墩承担,导致固定墩及其下部基础的抗震能力可能存在严重不足.通过变更支座体系或配置适当装置,可使地震力均匀分配至尽可能多的桥墩,从而降低固定墩及下部基础的地震力需求.例如,当桥梁位于坚硬的场地、下部结构的基本周期较短、且上部结构为多跨连续梁桥或桥面连续的简支梁桥时,可将原支座全部更换为板式橡胶支座,以将地震力均匀分配到所有的桥墩(图8(a));对柔性高墩连续梁桥,可通过设置LOCK-UP装置,在不影响正常使用功能的条件下,实现强烈地震作用下纵桥向多个桥墩分担水平地震力的目的,从而有效提高体系的抗震能力(图8(b)).3)减隔震加固方法.当桥梁所处场地较坚硬,下部结构基本振动周期较短,且上部结构为连续梁或多跨桥面连续简支梁时,可将原支座全部更换为隔震支座,以实现桥墩和基础无需加固,并达到从体系角度全面提升桥梁结构抗震能力的目的(图9(a)).这种加固方法是通过延长结构自振周期和增加结构耗能能力,使传递到下部桥墩和桩基础的地震力大幅度减小,从而避免额外增加桥墩和基础的地震需求.对场地存在液化可能性、下部结构振动周期较长、支座可能受拉、场地软弱可能导致共振等条件,不宜采用隔震方案,可通过增设阻尼装置进行减震加固(图9(b)).在减隔震加固方法中,一种经济有效的特殊加固方法是允许支座发生滑动并配合设置防落梁装置的加固方法,即更换支座力学行为.其原理是允许支座在强烈地震作用下发生滑动,通过摩擦消耗部分地震能量,并提供足够的防落梁长度或设置位移限制装置(如防落拉杆、柔性拉索和挡块等),一方面避免传递过大的地震力给下部结构,另一方面确保不发生落梁震害(见图10).更换支座力学行为的加固方案主要有:将支座更换或改造为滑板式橡胶支座、盆式和球钢摩擦滑动支座等.这种加固方法对下部结构会产生轻微的损坏,同时在大地震时上部结构将发生较大的残余变形,并伴随附属设施的损坏,一般宜用于交通量不大的桥梁;此外,只要提供足够的搭接长度和配合防落梁装置,通常可以防止落梁.4)防落梁构造加固方法.为防止强烈地震作用下产生落梁震害,桥梁应有足够的搭接长度,必要时还需设置防落梁装置.目前,防止落梁的构造措施主要包括加长搭接长度以及设置防落梁装置这两类.对于防落梁长度不足的混凝土桥墩,可在墩顶侧面采用混凝土扩座或钢托架方式来增加长度(见图11);此外,还可设置混凝土挡块、钢制挡块、防落梁拉杆、PC钢索、锁链型式、拉环型式等防落梁装置,如图12所示.对于重要桥梁或坡度较大的桥梁,设置防止落梁构造措施的原则是:1)防止落梁装置应具有一定的强度;2)不得影响桥梁因温度变化、混凝土收缩、徐变及荷载等引起的支座平动或转动功能;3)不能妨碍支座的维护和管理以及其它装置的功能发挥;4)防落梁装置应设置一定可移动的距离,并设置缓冲构造以吸收冲击力.以上四类抗震加固方法均是从体系抗震加固(均匀分配地震力)角度和降低地震对桥梁结构的地震需求(减隔震)角度出发而提出的经济有效的加固方案.针对实际桥梁结构抗震能力不足的特点,可首先开展体系抗震加固方案的比选,进而确定各薄弱构件抗震能力的加固方法,以最终找到经济有效的加固方案.需要指出的是,最终加固方案的确定还需同时考虑桥梁正常使用条件的限制.3关于桥梁体系抗震加固的几点建议国外桥梁抗震加固技术研究已取得较好的成果,并编制了相关的规范和指南.我国学