既有橋梁抗震加固技術研究

0抗震設計規定橋梁是道路的重要組成部分。它的安全建設和安全運營一直是社會關注的焦點，也是國家各級交通部門安全管理的重點。自2011年底以來，中國共有68.9萬座橋梁。根據建筑期的考慮，這些橋梁在90年代的總橋梁總數約為16.8萬座，在2000年的總橋梁約為23.1萬座，在2008年底的總橋梁數量達到59.5萬座。90年代以前，許多橋梁（占總建筑面積的24%）位于低等級道路上。雖然這些橋梁的施工過程中沒有進行防滑設計，但一些房屋的安裝根據最初的房屋安裝規范或第---------時的設計圖紙（以下簡稱“設計財務費用”）進行調整。自2008年以來，已修建的橋梁基本上是按照2008年的《道路橋梁防滑設計規則》（以下簡稱《2008年道路橋梁防滑設計規則》（以下簡稱《2008年道路橋梁防滑設計規則》）設計的。作為生命線工程之一的橋梁,一旦遭受地震破壞,將會導致巨大的直接和間接經濟損失,并影響震后災區的救援和重建工作,使得人們對橋梁的抗震能力越來越重視.交通運輸部周海濤在“公路工程抗震減災技術回顧與展望”中根據汶川地震、玉樹地震震害指出,我國目前路網存在抗震減災能力不夠強、公路地震災害信息獲取相對困難、次生災害造成損失嚴重的現狀,并指出我國公路工程抗震減災技術應加強路網抗災能力.為了提高我國公路交通網的抗震能力,需從路網結點生命線、路網設防標準等多個角度加強研究,特別是做好既有路網中樞紐工程——橋梁結構的抗震能力評價,并對影響路網抗震能力的橋梁采取必要的抗震加固措施,來實現提高路網的抗震減災規劃水平.橋梁地震震害調查是人們認識地震、研究地震對橋梁影響的最直接的手段,通過震害調查和分析橋梁震害的原因,是建立正確的抗震設計方法、評估方法和加固設計最直接的科學依據.本文在參考國內外最新研究成果基礎上,首先對橋梁震害進行簡要的總結,以揭示橋梁抗震易損部位、構件及震害原因,進而針對當前既有橋梁的抗震易損特點,從橋梁結構體系的角度出發,研究探討經濟、有效的抗震加固方法和措施.1橋梁抗震能力不足問題對國內外近年來發生的大地震中橋梁震害分析表明,橋梁結構可能出現的典型震害有[7,8,9,10,11,12,13](見圖1～圖7):①主梁結構性損傷,即因地震造成主梁開裂、相鄰梁碰撞造成的損傷和落梁;②橋墩破壞;③蓋梁、節點區域破壞;④墩-梁支承連接件震害(支座破壞);⑤橋臺損傷或破壞;⑥地基、基礎震害;⑦伸縮縫及橋面連續震害;⑧地質災害引起橋梁的破壞或倒塌.針對上述震害揭示的橋梁薄弱環節,我國2008年頒布的《公路橋梁抗震設計細則》和2012年頒布的《城市橋梁抗震設計規范》,汲取了這些經驗教訓,新頒布的規范采用兩級抗震設防水準,并規定了較詳細的延性構造細節、支座連接、防落梁構造以及節點區域鋼筋構造等,來提高橋梁的抗震性能.但依據以前舊規范設計建造的公路橋梁,可能存在不同程度的抗震能力不足問題:如建造于1990～2008年期間的絕大多數公路橋梁系采用《公路工程抗震設計規范》進行抗震設計,由于該規范采用的是單一抗震設防標準,且未明確規定橋梁的抗震性能目標、延性構造和檢算要求,而近年來的震害表明,上述震害中揭示的地震易損部位、構件在這些橋梁中都不同程度地存在.綜上所述,按照舊規范設計的大量既有公路橋梁(約占總數的86%)存在不同程度的抗震能力不足問題,對位于我國高地震危險區的在役公路橋梁,有必要采取一定的抗震加固措施,以提高這些橋梁的抗震能力.在橋梁抗震評估方面,交通運輸部正組織專家編寫《公路橋梁抗震性能評價細則》,目前處于送審稿階段.在橋梁抗震加固方面,僅在《公路橋梁加固設計規范》第15章有所規定,但條文內容偏重指導性方面的規定,可操作性差.目前還沒有統一的規范或指南供實際工程參考,為此有必要開展既有橋梁抗震加固方法研究,進而提高我國公路交通網絡的抗震減災能力.2橋梁抗震加固指導指南美國、日本等地震區國家在上世紀七八十年代就開展了橋梁抗震加固方面的研究,并進行了大量橋梁構件抗震加固試驗和數值分析研究,特別是在防落梁裝置和橋墩加固技術方面的研究,已取得很好的成果,并編制了相應的橋梁抗震加固手冊或指南,用于指導既有橋梁的抗震加固.近年來,隨著地震對橋梁造成災害損失的增多,我國學者也開始對橋梁的抗震加固技術和理論進行研究,楊新寶對橋墩的抗震加固技術進行了試驗研究,同時對橋梁抗震性能評價方法進行討論;國內其他一些學者也對國內外橋梁抗震加固技術進行了介紹和討論;汶川地震后,王克海等學者將美國最新的橋梁抗震加固技術手冊進行了翻譯,以促進我國橋梁抗震評估加固技術的發展.綜上所述,我國在橋梁抗震加固方面,雖進行了一定數量的研究,但目前還缺乏系統的總結和統一的規范或指南供實際工程參考,也缺乏明確的抗震加固設計流程和方法.2.1既有公路橋梁總結國內外橋梁抗震加固文獻可以發現,在開始橋梁抗震加固設計時,通常必須考慮兩方面因素:首先是對既有橋梁進行抗震能力評價,識別易損部位或構件,面臨的問題是如何進行既有橋梁抗震能力的評價,特別是對有缺陷構件的抗震能力如何進行評價,需要相關的指南、分析方法等,按照這些指南或規范提供的方法對其進行分析,進而按照所得的詳細地震分析結果來判定失效或損傷的危險程度,以及是否需要進行加固設計.這個決定通常來說是相對的,它取決于與其他進行抗震加固的橋梁的比較以及相關的經濟費用.其次是一旦決定對其進行抗震加固時,面臨的就是加固方案的確定以及相應的加固設計和計算,即以最經濟有效的加固方案來提高橋梁的抗震能力.為了探討我國既有橋梁的抗震加固方法,首先論述一下我國絕大多數在役橋梁地震易損的特點.截至2008年底,我國建造并運營的公路橋梁總數大約有59.5萬座橋梁,占當前既有公路橋梁總數的62%.這些橋梁大部分是依據“89規范”進行抗震設計的.與“08細則”相比,這些既有公路橋梁存在的地震易損特點主要體現在以下幾個方面.1)既有公路橋梁是依照單一水準即多遇地震進行抗震計算、設計和檢算的,而我國當前公路橋梁是依據兩級設防地震水準進行抗震設計的.分析比較表明,如果按“08細則”進行橋梁第二水準的抗震分析、設計和檢算,通常會導致支座設計地震力以及橋墩延性需求的提高,同時,還會導致蓋梁、樁基礎等能力保護構件彎矩和剪力等需求的提高.可見,大多數既有公路橋梁可能存在橋墩延性不足、支座抗震能力不足、蓋梁和樁基礎承載力不足等問題.對框架橋墩,通常會發現蓋梁與橋墩交界面正彎矩鋼筋不足、負彎矩縱筋的錨固長度不足等;此外,蓋梁中的抗剪強度通常也不足以保證橋墩塑性鉸的充分發展,乃至結構體系的整體延性能力不足.2)與“08細則”相比較,上述年代建造的既有橋梁在延性構造如箍筋約束、縱筋間距、縱筋搭接、錨固長度、抗剪和蓋梁配筋、框架橋墩節點區域構造要求均存在一定不足,將導致橋墩延性能力不足,框架節點區域也可能遭受破壞.3)“08細則”對防落梁裝置和擋塊設置提出了更高要求,特別是對跨徑小于40m的梁式橋,這意味著既有橋梁的防落梁搭接長度相對不足,存在較高的落梁破壞風險.從上述對我國既有公路橋梁存在的地震易損特點的分析表明,相當多的在役公路橋梁同時存在橋墩、基礎和支座等構件抗震能力不足的問題,因此,僅僅從構件角度分別進行抗震加固,如對支座、橋墩、樁基礎和蓋梁等分別進行加固,盡管可以提高橋梁的抗震能力,但花費巨大、效率較低、加固耗時較多,且加固時不可避免會影響橋梁的正常運行功能.基于這些原因,本文提出如下橋梁抗震加固原則.首先,應從體系抗震加固角度出發,依據識別的抗震薄弱部位或構件,討論經濟有效的加固方案,并從提高橋梁各構件的抗震能力(強度和延性能力)和減低地震對橋梁結構的地震需求(減隔震)兩方面出發,來探討各種可能的有效加固方案.其次,在體系抗震加固方案比選的基礎上,針對典型構件抗震能力的不足,進行各薄弱構件抗震能力加固方案比選,構件加固方案的確定需同時考慮橋梁正常使用條件的限制.2.2減隔震加固方法目前從橋梁結構體系角度出發的抗震加固方法主要有:上部主梁連續化、質量輕型化的方法;地震力合理分配加固法;減隔震加固方法;防落梁構造加固方法等.1)上部主梁連續化、質量輕型化方法.這種抗震加固方法,通常需要配合舊橋維修、特別是主梁的維修進行,可考慮在維修時將舊橋上部結構連續化并減輕其自重,以達到減輕落梁和降低下部結構地震力、從而提高全橋抗震能力的目的.2)地震力合理分配加固方法.我國在役公路橋梁中,大部分梁式橋結構中縱橋向地震力一般由固定墩承擔,導致固定墩及其下部基礎的抗震能力可能存在嚴重不足.通過變更支座體系或配置適當裝置,可使地震力均勻分配至盡可能多的橋墩,從而降低固定墩及下部基礎的地震力需求.例如,當橋梁位于堅硬的場地、下部結構的基本周期較短、且上部結構為多跨連續梁橋或橋面連續的簡支梁橋時,可將原支座全部更換為板式橡膠支座,以將地震力均勻分配到所有的橋墩(圖8(a));對柔性高墩連續梁橋,可通過設置LOCK-UP裝置,在不影響正常使用功能的條件下,實現強烈地震作用下縱橋向多個橋墩分擔水平地震力的目的,從而有效提高體系的抗震能力(圖8(b)).3)減隔震加固方法.當橋梁所處場地較堅硬,下部結構基本振動周期較短,且上部結構為連續梁或多跨橋面連續簡支梁時,可將原支座全部更換為隔震支座,以實現橋墩和基礎無需加固,并達到從體系角度全面提升橋梁結構抗震能力的目的(圖9(a)).這種加固方法是通過延長結構自振周期和增加結構耗能能力,使傳遞到下部橋墩和樁基礎的地震力大幅度減小,從而避免額外增加橋墩和基礎的地震需求.對場地存在液化可能性、下部結構振動周期較長、支座可能受拉、場地軟弱可能導致共振等條件,不宜采用隔震方案,可通過增設阻尼裝置進行減震加固(圖9(b)).在減隔震加固方法中,一種經濟有效的特殊加固方法是允許支座發生滑動并配合設置防落梁裝置的加固方法,即更換支座力學行為.其原理是允許支座在強烈地震作用下發生滑動,通過摩擦消耗部分地震能量,并提供足夠的防落梁長度或設置位移限制裝置(如防落拉桿、柔性拉索和擋塊等),一方面避免傳遞過大的地震力給下部結構,另一方面確保不發生落梁震害(見圖10).更換支座力學行為的加固方案主要有:將支座更換或改造為滑板式橡膠支座、盆式和球鋼摩擦滑動支座等.這種加固方法對下部結構會產生輕微的損壞,同時在大地震時上部結構將發生較大的殘余變形,并伴隨附屬設施的損壞,一般宜用于交通量不大的橋梁;此外,只要提供足夠的搭接長度和配合防落梁裝置,通常可以防止落梁.4)防落梁構造加固方法.為防止強烈地震作用下產生落梁震害,橋梁應有足夠的搭接長度,必要時還需設置防落梁裝置.目前,防止落梁的構造措施主要包括加長搭接長度以及設置防落梁裝置這兩類.對于防落梁長度不足的混凝土橋墩,可在墩頂側面采用混凝土擴座或鋼托架方式來增加長度(見圖11);此外,還可設置混凝土擋塊、鋼制擋塊、防落梁拉桿、PC鋼索、鎖鏈型式、拉環型式等防落梁裝置,如圖12所示.對于重要橋梁或坡度較大的橋梁,設置防止落梁構造措施的原則是:1)防止落梁裝置應具有一定的強度;2)不得影響橋梁因溫度變化、混凝土收縮、徐變及荷載等引起的支座平動或轉動功能;3)不能妨礙支座的維護和管理以及其它裝置的功能發揮;4)防落梁裝置應設置一定可移動的距離,并設置緩沖構造以吸收沖擊力.以上四類抗震加固方法均是從體系抗震加固(均勻分配地震力)角度和降低地震對橋梁結構的地震需求(減隔震)角度出發而提出的經濟有效的加固方案.針對實際橋梁結構抗震能力不足的特點,可首先開展體系抗震加固方案的比選,進而確定各薄弱構件抗震能力的加固方法,以最終找到經濟有效的加固方案.需要指出的是,最終加固方案的確定還需同時考慮橋梁正常使用條件的限制.3關于橋梁體系抗震加固的幾點建議國外橋梁抗震加固技術研究已取得較好的成果,并編制了相關的規范和指南.我國學