既有橋梁抗震加固技術(shù)研究

0抗震設(shè)計(jì)規(guī)定橋梁是道路的重要組成部分。它的安全建設(shè)和安全運(yùn)營一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是國家各級(jí)交通部門安全管理的重點(diǎn)。自2011年底以來，中國共有68.9萬座橋梁。根據(jù)建筑期的考慮，這些橋梁在90年代的總橋梁總數(shù)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(shù)量達(dá)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(jí)道路上。雖然這些橋梁的施工過程中沒有進(jìn)行防滑設(shè)計(jì)，但一些房屋的安裝根據(jù)最初的房屋安裝規(guī)范或第---------時(shí)的設(shè)計(jì)圖紙（以下簡稱“設(shè)計(jì)財(cái)務(wù)費(fèi)用”）進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)規(guī)則》（以下簡稱《2008年道路橋梁防滑設(shè)計(jì)規(guī)則》（以下簡稱《2008年道路橋梁防滑設(shè)計(jì)規(guī)則》）設(shè)計(jì)的。作為生命線工程之一的橋梁,一旦遭受地震破壞,將會(huì)導(dǎo)致巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失,并影響震后災(zāi)區(qū)的救援和重建工作,使得人們對(duì)橋梁的抗震能力越來越重視.交通運(yùn)輸部周海濤在“公路工程抗震減災(zāi)技術(shù)回顧與展望”中根據(jù)汶川地震、玉樹地震震害指出,我國目前路網(wǎng)存在抗震減災(zāi)能力不夠強(qiáng)、公路地震災(zāi)害信息獲取相對(duì)困難、次生災(zāi)害造成損失嚴(yán)重的現(xiàn)狀,并指出我國公路工程抗震減災(zāi)技術(shù)應(yīng)加強(qiáng)路網(wǎng)抗災(zāi)能力.為了提高我國公路交通網(wǎng)的抗震能力,需從路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)生命線、路網(wǎng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)角度加強(qiáng)研究,特別是做好既有路網(wǎng)中樞紐工程——橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力評(píng)價(jià),并對(duì)影響路網(wǎng)抗震能力的橋梁采取必要的抗震加固措施,來實(shí)現(xiàn)提高路網(wǎng)的抗震減災(zāi)規(guī)劃水平.橋梁地震震害調(diào)查是人們認(rèn)識(shí)地震、研究地震對(duì)橋梁影響的最直接的手段,通過震害調(diào)查和分析橋梁震害的原因,是建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法、評(píng)估方法和加固設(shè)計(jì)最直接的科學(xué)依據(jù).本文在參考國內(nèi)外最新研究成果基礎(chǔ)上,首先對(duì)橋梁震害進(jìn)行簡要的總結(jié),以揭示橋梁抗震易損部位、構(gòu)件及震害原因,進(jìn)而針對(duì)當(dāng)前既有橋梁的抗震易損特點(diǎn),從橋梁結(jié)構(gòu)體系的角度出發(fā),研究探討經(jīng)濟(jì)、有效的抗震加固方法和措施.1橋梁抗震能力不足問題對(duì)國內(nèi)外近年來發(fā)生的大地震中橋梁震害分析表明,橋梁結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的典型震害有[7,8,9,10,11,12,13](見圖1～圖7):①主梁結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)區(qū)域破壞;④墩-梁支承連接件震害(支座破壞);⑤橋臺(tái)損傷或破壞;⑥地基、基礎(chǔ)震害;⑦伸縮縫及橋面連續(xù)震害;⑧地質(zhì)災(zāi)害引起橋梁的破壞或倒塌.針對(duì)上述震害揭示的橋梁薄弱環(huán)節(jié),我國2008年頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》和2012年頒布的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,汲取了這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),新頒布的規(guī)范采用兩級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn),并規(guī)定了較詳細(xì)的延性構(gòu)造細(xì)節(jié)、支座連接、防落梁構(gòu)造以及節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋構(gòu)造等,來提高橋梁的抗震性能.但依據(jù)以前舊規(guī)范設(shè)計(jì)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(shù)公路橋梁系采用《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),由于該規(guī)范采用的是單一抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),且未明確規(guī)定橋梁的抗震性能目標(biāo)、延性構(gòu)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(gòu)件在這些橋梁中都不同程度地存在.綜上所述,按照舊規(guī)范設(shè)計(jì)的大量既有公路橋梁(約占總數(shù)的86%)存在不同程度的抗震能力不足問題,對(duì)位于我國高地震危險(xiǎn)區(qū)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(píng)估方面,交通運(yùn)輸部正組織專家編寫《公路橋梁抗震性能評(píng)價(jià)細(xì)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(shè)計(jì)規(guī)范》第15章有所規(guī)定,但條文內(nèi)容偏重指導(dǎo)性方面的規(guī)定,可操作性差.目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范或指南供實(shí)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(jìn)而提高我國公路交通網(wǎng)絡(luò)的抗震減災(zāi)能力.2橋梁抗震加固指導(dǎo)指南美國、日本等地震區(qū)國家在上世紀(jì)七八十年代就開展了橋梁抗震加固方面的研究,并進(jìn)行了大量橋梁構(gòu)件抗震加固試驗(yàn)和數(shù)值分析研究,特別是在防落梁裝置和橋墩加固技術(shù)方面的研究,已取得很好的成果,并編制了相應(yīng)的橋梁抗震加固手冊(cè)或指南,用于指導(dǎo)既有橋梁的抗震加固.近年來,隨著地震對(duì)橋梁造成災(zāi)害損失的增多,我國學(xué)者也開始對(duì)橋梁的抗震加固技術(shù)和理論進(jìn)行研究,楊新寶對(duì)橋墩的抗震加固技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,同時(shí)對(duì)橋梁抗震性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行討論;國內(nèi)其他一些學(xué)者也對(duì)國內(nèi)外橋梁抗震加固技術(shù)進(jìn)行了介紹和討論;汶川地震后,王克海等學(xué)者將美國最新的橋梁抗震加固技術(shù)手冊(cè)進(jìn)行了翻譯,以促進(jìn)我國橋梁抗震評(píng)估加固技術(shù)的發(fā)展.綜上所述,我國在橋梁抗震加固方面,雖進(jìn)行了一定數(shù)量的研究,但目前還缺乏系統(tǒng)的總結(jié)和統(tǒng)一的規(guī)范或指南供實(shí)際工程參考,也缺乏明確的抗震加固設(shè)計(jì)流程和方法.2.1既有公路橋梁總結(jié)國內(nèi)外橋梁抗震加固文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),在開始橋梁抗震加固設(shè)計(jì)時(shí),通常必須考慮兩方面因素:首先是對(duì)既有橋梁進(jìn)行抗震能力評(píng)價(jià),識(shí)別易損部位或構(gòu)件,面臨的問題是如何進(jìn)行既有橋梁抗震能力的評(píng)價(jià),特別是對(duì)有缺陷構(gòu)件的抗震能力如何進(jìn)行評(píng)價(jià),需要相關(guān)的指南、分析方法等,按照這些指南或規(guī)范提供的方法對(duì)其進(jìn)行分析,進(jìn)而按照所得的詳細(xì)地震分析結(jié)果來判定失效或損傷的危險(xiǎn)程度,以及是否需要進(jìn)行加固設(shè)計(jì).這個(gè)決定通常來說是相對(duì)的,它取決于與其他進(jìn)行抗震加固的橋梁的比較以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用.其次是一旦決定對(duì)其進(jìn)行抗震加固時(shí),面臨的就是加固方案的確定以及相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)和計(jì)算,即以最經(jīng)濟(jì)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(shù)在役橋梁地震易損的特點(diǎn).截至2008年底,我國建造并運(yùn)營的公路橋梁總數(shù)大約有59.5萬座橋梁,占當(dāng)前既有公路橋梁總數(shù)的62%.這些橋梁大部分是依據(jù)“89規(guī)范”進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的.與“08細(xì)則”相比,這些既有公路橋梁存在的地震易損特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.1)既有公路橋梁是依照單一水準(zhǔn)即多遇地震進(jìn)行抗震計(jì)算、設(shè)計(jì)和檢算的,而我國當(dāng)前公路橋梁是依據(jù)兩級(jí)設(shè)防地震水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的.分析比較表明,如果按“08細(xì)則”進(jìn)行橋梁第二水準(zhǔn)的抗震分析、設(shè)計(jì)和檢算,通常會(huì)導(dǎo)致支座設(shè)計(jì)地震力以及橋墩延性需求的提高,同時(shí),還會(huì)導(dǎo)致蓋梁、樁基礎(chǔ)等能力保護(hù)構(gòu)件彎矩和剪力等需求的提高.可見,大多數(shù)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(chǔ)承載力不足等問題.對(duì)框架橋墩,通常會(huì)發(fā)現(xiàn)蓋梁與橋墩交界面正彎矩鋼筋不足、負(fù)彎矩縱筋的錨固長度不足等;此外,蓋梁中的抗剪強(qiáng)度通常也不足以保證橋墩塑性鉸的充分發(fā)展,乃至結(jié)構(gòu)體系的整體延性能力不足.2)與“08細(xì)則”相比較,上述年代建造的既有橋梁在延性構(gòu)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(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造要求均存在一定不足,將導(dǎo)致橋墩延性能力不足,框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域也可能遭受破壞.3)“08細(xì)則”對(duì)防落梁裝置和擋塊設(shè)置提出了更高要求,特別是對(duì)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(duì)不足,存在較高的落梁破壞風(fēng)險(xiǎn).從上述對(duì)我國既有公路橋梁存在的地震易損特點(diǎn)的分析表明,相當(dāng)多的在役公路橋梁同時(shí)存在橋墩、基礎(chǔ)和支座等構(gòu)件抗震能力不足的問題,因此,僅僅從構(gòu)件角度分別進(jìn)行抗震加固,如對(duì)支座、橋墩、樁基礎(chǔ)和蓋梁等分別進(jìn)行加固,盡管可以提高橋梁的抗震能力,但花費(fèi)巨大、效率較低、加固耗時(shí)較多,且加固時(shí)不可避免會(huì)影響橋梁的正常運(yùn)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(yīng)從體系抗震加固角度出發(fā),依據(jù)識(shí)別的抗震薄弱部位或構(gòu)件,討論經(jīng)濟(jì)有效的加固方案,并從提高橋梁各構(gòu)件的抗震能力(強(qiáng)度和延性能力)和減低地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震需求(減隔震)兩方面出發(fā),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(chǔ)上,針對(duì)典型構(gòu)件抗震能力的不足,進(jìn)行各薄弱構(gòu)件抗震能力加固方案比選,構(gòu)件加固方案的確定需同時(shí)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(jié)構(gòu)體系角度出發(fā)的抗震加固方法主要有:上部主梁連續(xù)化、質(zhì)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(gòu)造加固方法等.1)上部主梁連續(xù)化、質(zhì)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(jìn)行,可考慮在維修時(shí)將舊橋上部結(jié)構(gòu)連續(xù)化并減輕其自重,以達(dá)到減輕落梁和降低下部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中縱橋向地震力一般由固定墩承擔(dān),導(dǎo)致固定墩及其下部基礎(chǔ)的抗震能力可能存在嚴(yán)重不足.通過變更支座體系或配置適當(dāng)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(chǔ)的地震力需求.例如,當(dāng)橋梁位于堅(jiān)硬的場地、下部結(jié)構(gòu)的基本周期較短、且上部結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)梁橋或橋面連續(xù)的簡支梁橋時(shí),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(duì)柔性高墩連續(xù)梁橋,可通過設(shè)置LOCK-UP裝置,在不影響正常使用功能的條件下,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈地震作用下縱橋向多個(gè)橋墩分擔(dān)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(dāng)橋梁所處場地較堅(jiān)硬,下部結(jié)構(gòu)基本振動(dòng)周期較短,且上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁或多跨橋面連續(xù)簡支梁時(shí),可將原支座全部更換為隔震支座,以實(shí)現(xiàn)橋墩和基礎(chǔ)無需加固,并達(dá)到從體系角度全面提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力的目的(圖9(a)).這種加固方法是通過延長結(jié)構(gòu)自振周期和增加結(jié)構(gòu)耗能能力,使傳遞到下部橋墩和樁基礎(chǔ)的地震力大幅度減小,從而避免額外增加橋墩和基礎(chǔ)的地震需求.對(duì)場地存在液化可能性、下部結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期較長、支座可能受拉、場地軟弱可能導(dǎo)致共振等條件,不宜采用隔震方案,可通過增設(shè)阻尼裝置進(jìn)行減震加固(圖9(b)).在減隔震加固方法中,一種經(jīng)濟(jì)有效的特殊加固方法是允許支座發(fā)生滑動(dòng)并配合設(shè)置防落梁裝置的加固方法,即更換支座力學(xué)行為.其原理是允許支座在強(qiáng)烈地震作用下發(fā)生滑動(dòng),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(shè)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(jié)構(gòu),另一方面確保不發(fā)生落梁震害(見圖10).更換支座力學(xué)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(dòng)支座等.這種加固方法對(duì)下部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生輕微的損壞,同時(shí)在大地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大的殘余變形,并伴隨附屬設(shè)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(gòu)造加固方法.為防止強(qiáng)烈地震作用下產(chǎn)生落梁震害,橋梁應(yīng)有足夠的搭接長度,必要時(shí)還需設(shè)置防落梁裝置.目前,防止落梁的構(gòu)造措施主要包括加長搭接長度以及設(shè)置防落梁裝置這兩類.對(duì)于防落梁長度不足的混凝土橋墩,可在墩頂側(cè)面采用混凝土擴(kuò)座或鋼托架方式來增加長度(見圖11);此外,還可設(shè)置混凝土擋塊、鋼制擋塊、防落梁拉桿、PC鋼索、鎖鏈型式、拉環(huán)型式等防落梁裝置,如圖12所示.對(duì)于重要橋梁或坡度較大的橋梁,設(shè)置防止落梁構(gòu)造措施的原則是:1)防止落梁裝置應(yīng)具有一定的強(qiáng)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(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)功能;3)不能妨礙支座的維護(hù)和管理以及其它裝置的功能發(fā)揮;4)防落梁裝置應(yīng)設(shè)置一定可移動(dòng)的距離,并設(shè)置緩沖構(gòu)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震需求(減隔震)角度出發(fā)而提出的經(jīng)濟(jì)有效的加固方案.針對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力不足的特點(diǎn),可首先開展體系抗震加固方案的比選,進(jìn)而確定各薄弱構(gòu)件抗震能力的加固方法,以最終找到經(jīng)濟(jì)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(shí)考慮橋梁正常使用條件的限制.3關(guān)于橋梁體系抗震加固的幾點(diǎn)建議國外橋梁抗震加固技術(shù)研究已取得較好的成果,并編制了相關(guān)的規(guī)范和指南.我國學(xué)