橋梁抗震加固方法評述

1、橋梁抗震加固方法評述摘 要：橋梁作為交通生命線的樞紐工程，一旦遭受地震破壞，將會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并影響震后災(zāi)區(qū)的救援和重建工作，使得人們對橋梁的抗震性能越來越重視。橋梁抗震性能研究主要有兩個方面，一是對新建橋梁采取合理的抗震設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施；二是對現(xiàn)役橋梁的抗震加固。本文介紹了國內(nèi)外在橋梁抗震加固方面的一些研究成果，并對橋梁抗震加固的方法進(jìn)行了總結(jié)和評述，以期對我國現(xiàn)役橋梁的抗震加固提供一些參考和借鑒。關(guān)鍵詞：橋梁；抗震加固；延性；修復(fù)Review on Seismic Retrofit Methods of BridgesAbstract：Reducing the damage of

2、bridges is one of important parts of reducing and preventing disaster of transportation lifeline.In earthquake，spectacular failure of bridges will lead to traffic system intermitting，cause tremendous losses of property and affect rescue work after earthquake.Seismic performance of bridges is widely

3、paid attention to in recent years.There are two aspects about seismic performance of bridges.One is the reasonable seismic design and the corresponding constructional measures.The other is seismic retrofit for the existing bridge.Some seismic retrofit methods are summarized and reviewed out in this

4、paper，which can be reference for bridge engineers and researchers.Keywords：bridge；seismic retrofit；ductility；repair1. 引言從地震分布特征看，我國位于世界兩大地震構(gòu)造帶的交匯部位，我國很多地區(qū)受到頻繁而強(qiáng)烈地震的潛在威脅。橋梁為作交通生命線的樞紐工程，一旦遭受地震破壞，將會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且震后修復(fù)極其困難。1976年我國唐山地震，1989年美國Loma Prieta地震，1994年美國North bridge地震，1995年日本Kobe地震，1999年中國臺灣的集集地震等都

5、造成了橋梁等交通設(shè)施的的嚴(yán)重毀壞，直接經(jīng)濟(jì)損失都超過百億美元甚至高達(dá)千億美元。2008年05月12日，四川省汶川縣發(fā)生里氏810級特大地震，這次地震造成了交通生命線工程的嚴(yán)重破壞，24條高速公路、161條國省干線、8618條鄉(xiāng)村公路、6140座橋梁和156條隧道受損，公路、橋梁、隧道各類交通基礎(chǔ)設(shè)施損毀的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)670億元，其中橋梁損毀最為嚴(yán)重。我國目前絕大多數(shù)在役橋梁是按照公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(J TJ 004-289)采用單一的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的，沒有采取足夠的構(gòu)造措施來保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性，也沒有采用基于性能設(shè)計(jì)來防止橋墩等構(gòu)件的剪切破壞。因此，對于我國地震區(qū)的已建橋梁，有必要采取

6、一定的抗震加固措施，而且目前我國在橋梁抗震評估方面的研究工作處在起步階段，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合我國橋梁在近幾次地震中的震害情況，并根據(jù)美國和日本橋梁抗震加固的一些方法和經(jīng)驗(yàn)，對橋梁抗震加固方法進(jìn)行總結(jié)和評述。2. 抗震加固方法及評述抗震加固的主要目的在于防止橋跨倒塌，其次是將損傷、破壞控制在一定程度內(nèi)。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，承受重力及使用荷載的上部結(jié)構(gòu)是按彈性設(shè)計(jì)的，它們通常被設(shè)計(jì)成抗震體系中的一個較強(qiáng)的環(huán)節(jié)。地震期間基本上保持彈性，橋梁上部結(jié)構(gòu)落梁倒塌和撞擊損壞，是由地面運(yùn)動引發(fā)下部結(jié)構(gòu)的搖動和不同橋墩柱的運(yùn)動相異，或是由于相鄰橋段伸縮縫處的相互撞擊引起的。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)而言，抗震加固的重點(diǎn)

7、是橋梁的下部結(jié)構(gòu)。一般來說，在橋梁加固中有兩種策略。一是增加橋的抗震能力，使結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度去抵抗地震力；二是降低地震對橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠抵抗地震作用，比如增加隔震支座。美日兩國的抗震加固準(zhǔn)則都包含了這兩種方法，其加固方法也基本相似。2.1 上部結(jié)構(gòu)加固上部加固的主要目的是防止各種原因引起的落梁破壞。2.1.1 伸縮縫和鉸地震時，橋梁相鄰框架常會以不同相位振動引起兩類位移問題。第一類是這些框架在鉸處碰撞而引起的局部性損傷。一般來說，這種局部性損傷不會引起橋梁倒塌，因此不是主要關(guān)注的問題。第二類是鉸連接發(fā)生分離，如果運(yùn)動很大，就有可能使相鄰跨發(fā)生落梁。加固簡支鋼梁或預(yù)制混凝

8、土梁，最常用的、也是最傳統(tǒng)的方法就是使用纜索約束裝置，設(shè)計(jì)纜索時應(yīng)注意盡可能少地占用梁和下部路面之間的豎向凈空。如果期望縱向位移大于有效支座寬度，簡支梁的纜索加固方法可以與墩帽支座的加寬相結(jié)合。用纜索來限制橋面位移，這種方法對于多跨簡支橋梁非常有效，但對于多跨連續(xù)橋梁效果不是特別明顯，因?yàn)槎嗫邕B續(xù)橋梁相鄰跨在地震中的相對位移沒有簡支橋梁那么大。鋼梁的另一種加固辦法是，用拼接板把腹板聯(lián)系在一起，使梁在墩帽支座上保持連續(xù)?？缰杏秀q的梁，應(yīng)增加鉸的約束裝置。由于在地震中，鉸支座會發(fā)生局部性損傷，鉸支座可用的實(shí)際長度要比最初設(shè)計(jì)的長度要小的多。因此要加寬鉸支座或者將框架體系連在一起是很有必要的。限位器

9、是在當(dāng)橋梁有橫向激勵時，用來限制橋梁的相對位移。在美日兩國的橋梁抗震加固方法中，限位器的應(yīng)用很常見。美國在橫向、縱向和豎向把相鄰跨在支座處連接在一起，而日本具有更多不同材料和類型的限位器被安裝使用，比如一些柔性連接器和鋼板連接件。目前比較新穎的是用記憶性合金限位器加固簡支橋梁。記憶性合金限位器在承受很大的變形后，仍處在彈性范圍以內(nèi)。它超強(qiáng)的彈性在限制多跨簡支橋梁相鄰跨的相對位移時，具有顯著的效果。2.1.2 側(cè)向支撐梁之間的側(cè)向剛度通常由某種橫向支撐體系或橫隔梁提供。這些側(cè)向支撐體系常用來抵抗風(fēng)荷載、施工荷載、活荷載所引起的離心力及地震荷載。而且，側(cè)向支撐體系不能承受支座承載能力和剪切鍵能力那

10、么大的力，結(jié)果是支撐體系屈曲。理想的辦法是，增加另外幾組實(shí)際上盡可能接近支座的支撐、加勁肋或橫隔梁。2.1.3 混凝土邊梁邊梁是用來提高混凝土橋的縱向能力。這些梁把已有的箱型結(jié)構(gòu)外的相鄰排架連接在一起。在美國，邊梁已用來加固具有長外伸梁的雙層結(jié)構(gòu)。在單層橋梁結(jié)構(gòu)中，外伸梁在縱向激勵下易扭曲。有兩個加固方案，一是加強(qiáng)外伸墩帽，同時保持其在柱頂?shù)呐まD(zhuǎn)和彎曲固定連接；二是使柱頂鉸接，這樣便可減小易損外伸墩帽的扭轉(zhuǎn)需求量。在雙層結(jié)構(gòu)中，邊梁需要有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證塑性鉸出現(xiàn)在柱上，減小了下層橋面外伸梁墩帽的扭轉(zhuǎn)需求量。2.2 下部結(jié)構(gòu)加固橋梁的大部分地震損傷破壞發(fā)生在下部結(jié)構(gòu)上，因此下部結(jié)構(gòu)加固

11、是整個橋梁抗震加固工程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。2.2.1 柱罩所依據(jù)的理論是提高現(xiàn)有鋼筋混凝土橋墩的延性、抗剪和抗彎能力。在一些情況下，限制塑性鉸區(qū)域的徑向膨脹應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)表明，把徑向膨脹應(yīng)變限制在0.001，鋼筋的搭接接頭就會保持固結(jié)而且能產(chǎn)生截面完全塑性彎矩能力。與限制徑向應(yīng)變相反，在提供整個塑性鉸區(qū)域足夠約束的同時，允許發(fā)生大于0.001的徑向膨脹應(yīng)變，使得有可能形成鉸。(1)鋼罩。用兩塊鋼板卷成一半徑比柱子大的半圓后，現(xiàn)場焊接成一套管。目前普遍使用的有三類：一是沿柱全高完全灌漿，它主要用于抗剪和抗彎能力不足的柱子，其二是沿部分高度設(shè)置的罩，因此對抗剪不足的墩柱所取作用很小，這類加固的界限，通常

12、取為柱直徑的1.5倍或取在最大彎矩減小到75%的地方；其三是前兩者的組合，使用于抗剪能力不足的墩柱。所有的這些柱罩可以是圓形(對于圓形或方形)或者橢圓形(對于矩形)。值得注意的是，柱端留50mm間隙的目的，是為了防止柱罩作為受壓鋼筋代替支承構(gòu)件抵抗支座反力，從而提高了柱的抗彎能力。這將潛在地增加地震荷載傳遞到基礎(chǔ)和墩帽中的彎矩和剪力。實(shí)驗(yàn)證明，沿全高用鋼罩加固的混凝土柱，強(qiáng)度會提高30%左右，而截面的彈性模量也會有相應(yīng)的提高。(2)混凝土罩。在加固異型柱但又不改變柱的幾何形狀特征時，混凝土罩是個較好的辦法?，F(xiàn)有墩柱加固，是繞柱外面部分放置環(huán)箍，然后把包住環(huán)箍的鋼筋鉆入并粘結(jié)在柱子上，然后用混凝

13、土包住鋼筋，于是保留了柱的原來形狀。(3)高級復(fù)合材料罩。這是最有發(fā)展前景的一種技術(shù)，這種加固方法提高了現(xiàn)有橋墩的約束和抗剪能力，并且不改變橋墩的幾何形狀。實(shí)驗(yàn)表明，用CFRP加固的周圍帶裂縫的柱，抗震性能和沒有裂縫時是一樣的。用鋼罩和CFRP加固的柱破壞模式從彎曲破壞變?yōu)榈撞炕破茐?，延性增?qiáng)。而且用鋼罩和CFRP罩加固的柱增加了抗側(cè)向變形的能力，避免了從鋼筋接頭處破壞模式，提高了延性。CFRP罩的層數(shù)越多，延性越好。但是對于剪切破壞模型，用鋼罩和CFRP罩加固，可以提高限制側(cè)向變形的能力，但是多層CFRP罩不能提高柱的延性，反而會導(dǎo)致其他模式的破壞。實(shí)驗(yàn)證明，用CFRP加固的空心橋墩延性系

14、數(shù)會有很大的提高，可以達(dá)到4.95.5。CFRP加固圓形柱的效果要比加固矩形柱的效果好。另外，F(xiàn)RP加固柱的徐變變形遠(yuǎn)小于原柱的徐變變形；帶損傷的加固柱在長期荷載作用下的變形發(fā)展受加固柱的損傷程度和持荷大小?？刂?，并與FRP的彈性模量有關(guān)；在試驗(yàn)條件下，帶損傷的加固柱長期軸向變形呈穩(wěn)定態(tài)勢。計(jì)算和分析結(jié)果表明，用FRP加固可以明顯改善鋼筋混凝土柔性墩的抗震性能；與全包裹相比，用FRP對橋墩墩底進(jìn)行部分包裹可以更有效地利用FRP的強(qiáng)度，更為經(jīng)濟(jì)適用。(4)鋼絲包裹罩。這也是一種較新的加固技術(shù)，它包括利用把預(yù)應(yīng)力鋼絞線裹在橋墩上，然后把鍵形物放在鋼絞線和橋墩之間，有效地給鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)是

15、不改變橋墩的幾何形狀，缺點(diǎn)是勞動強(qiáng)度高，而且目前只能用于圓形橋墩。還有一種新的加固形式就是八邊形罩。實(shí)驗(yàn)表明，在加固矩形柱時，八邊形具有和橢圓一樣的加固效果，而且八邊形的造價比橢圓形要低15%。鋼罩加固一個矩形柱，厚一點(diǎn)的罩可以減小橫截面面積，罩的厚度可由提供相同壓力的靜力等效來確定。矩形罩可以提高柱的抗剪強(qiáng)度，然而在提高柱的抗彎能力上效果不明顯。八邊形鋼罩不但可以提高抗剪強(qiáng)度，而且可以限制側(cè)向位移。八邊形鋼罩的橫截面更小，但抗震性能更好，如圖1所示。圖1八邊形鋼罩Fig.1 Octagonal steel jacket2.2.2 填充墻對于多柱橋梁來說，填充墻是個較好的方法。它有兩個明顯的優(yōu)

16、點(diǎn)：不僅提高了柱的橫向能力，而且限制了柱的橫向位移。通過限制柱的橫向位移，便消除了在墩帽中形成塑性鉸的可能。費(fèi)用可能小于前述的其他幾個加固方法。值得注意的是，在稍微傾斜或沒有傾斜的橋梁排架的縱向能力方面，填充墻不是有效的。2.2.3 連梁連梁是用于提高混凝土排架的橫向能力的。連梁的功能由它在地面標(biāo)高以上的位置決定。連梁置于排架底部標(biāo)高處，以替代現(xiàn)有不足的墩帽。這類連梁的主要功能就是保護(hù)現(xiàn)有上部結(jié)構(gòu)，迫使在柱上產(chǎn)生塑性鉸。在其他情況下，為了調(diào)整特定排架的橫向剛度，連梁可能置于地面標(biāo)高和排架底部標(biāo)高之間的某個位置。當(dāng)箱形上部結(jié)構(gòu)支承在一些剛度極不均勻的排架上時，可能需要這種加固形式。在這種情況下，

17、結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心相距較遠(yuǎn)。這種偏離導(dǎo)致了排架平面外的附加位移，它可以引起橋梁少數(shù)排架上高度集中的延性需求量。這種行為在抗震結(jié)構(gòu)中通常是不可取的，但是在這種情況下，使用連梁可以減少質(zhì)心和剛度之間的偏離。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整對于加固橋梁所有柱上的延性需求量的均勻分布和減少尤為重要。2.2.4 支座的加固支座一直是地震中最易受損的部件之一。橡膠墊要好一些，鋼滾軸支座的性能尤其不好，即使在較小的地震下也易受損。支座加固，一般是用彈性橡膠墊支座取代鋼滾軸式支座來實(shí)現(xiàn)。在一些使用性能水準(zhǔn)要求較高的情況中，可用底部隔震支座替換鋼支座。用隔震支座加固橋梁，已經(jīng)越來越得到人們的認(rèn)可，這項(xiàng)技術(shù)目前得到了廣泛的應(yīng)用

18、，許多應(yīng)用實(shí)例證明了這是一項(xiàng)花費(fèi)少，但是效果比較顯著的抗震加固措施。但是彈性支座會增加橋面的位移，比較好的解決辦法是用鉛芯橡膠支座來代替，或者纜索和彈性支座配套使用。2.2.5 帽梁的加固帽梁存在著幾種潛在的失效模式。按照墩帽的類型，這些易損性可能包括支座破壞、剪切鍵破壞、支座寬度不夠以及帽梁破壞等。帽梁失效模式包括彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)和節(jié)點(diǎn)剪切。處理抗彎和抗剪切能力不足的加固方法，通常是給現(xiàn)有帽梁增設(shè)墊板。在墊板中施加預(yù)應(yīng)力也是一個有效的辦法。2.2.6 橋臺(1)支座延長裝置橋臺和非整澆墩帽處的支座延長裝置，由現(xiàn)有表面上的附加混凝土組成。附著在現(xiàn)有橋臺或墩帽表面上的支座延長裝置，其設(shè)計(jì)與牛腿設(shè)

19、計(jì)相似。(2)用木材、混凝土或鋼材填塞夾縫一些制作式橋臺在上部結(jié)構(gòu)端橫隔梁和背墻之間，通常存在著夾縫或大的間隙。如果這些縫隙不被填充，在橋臺后面的土被擠密之前，柱子必將經(jīng)受大的變形。用混凝土、鋼材、或木材填塞夾縫，可以做為一個加固方法。2.2.7 基礎(chǔ)加固基礎(chǔ)加固高昂的費(fèi)用加上相對不大可能發(fā)生的損傷，就決定了其加固設(shè)計(jì)比起橋梁其他部分要更少一些保守性。但是通過對多種類型的基礎(chǔ)分析發(fā)現(xiàn)，單單增加橋墩的抗彎能力，對提高橋的抗震效果不明顯。因?yàn)橹拥目箯澞芰υ黾恿艘院髸黾訌闹鶄鞯交A(chǔ)的地震力。這會增加基礎(chǔ)損壞的幾率，因此柱強(qiáng)度的增加要和基礎(chǔ)加固相協(xié)調(diào)。通常基礎(chǔ)的加固是：增設(shè)上覆蓋層以提高基礎(chǔ)抗剪能

20、力，或均勻加寬基礎(chǔ)，增加接觸面積以提高穩(wěn)定性和抗彎能力，還有就是把基礎(chǔ)錨固于土中或是通過連接桿穿過基礎(chǔ)把承臺與樁聯(lián)系起來。新混凝土要牢固地附加在舊基礎(chǔ)上。做到這一點(diǎn)，可以通過鑿掉現(xiàn)有的鋼筋周圍的混凝土，將新鋼筋焊到或以機(jī)械的方式連接到舊鋼筋上。3. 結(jié)語橋梁抗震加固技術(shù)自Loma Prieta地震以后，特別是Kobe地震后，得到很快的發(fā)展，日美等國對一些新的加固方法進(jìn)行了深入研究，并有一些新型材料(如CFRP等)在橋梁加固中得到應(yīng)用。然而橋梁抗震加固是一項(xiàng)很復(fù)雜的工程，涉及地震工程學(xué)、彈塑性力學(xué)、損傷力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、新材料開發(fā)和應(yīng)用、現(xiàn)代檢測技術(shù)等多個學(xué)科分支，必須通過學(xué)科交叉與融合研究，對橋

21、梁的地震損傷進(jìn)行正確評估和計(jì)算，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)上的合理性，才能給出理想的橋梁抗震加固方案。本文對這些橋梁抗震加固方法進(jìn)行了介紹和簡要評述，以期對我國現(xiàn)役橋梁的抗震加固提供一些借鑒和參考。參考文獻(xiàn)(References)：1范立礎(chǔ).橋梁抗震M. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996Fan Li chu. Seismic Design of BridgesM. Shanghai：Tongji University Press，1996(in Chinese)2杜修力，韓強(qiáng)，李忠獻(xiàn)，等.5 12汶川地震中山區(qū)公路橋梁震害及啟示J.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(12)：12701279Du Xiu li，H

22、an Qiang，Li Zhong xian，et al.The seismicdamage of bridges in the 2008 Wenchuan earthquake andlessons from its damageJ.Journal of Beijing University of Technology，2008，34(12)：12701279(in Chinese)3黃福偉，許曉鋒，鄭萬山.橋梁抗震加固技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.公路交通科技，2003(5)，5759 Huang Fu wei，Xu Xiao feng，Zheng Wan shan.Thedevelopment

23、tendency of research on bridge seismicresistanceJ.Technology of Highway and Transport，2003(5)：5759(in Chinese)4王硯田，覃永明.橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)J.公路工程與運(yùn)輸，2006，(10)：6871Wang Yan tian，Tan Yong ming.Bridgeseismic damage analysis and seismic designJ.Communications Standardization，2006，(10)：6871(in Chinese)5陳惠發(fā)，段煉著.蔡中民，武軍譯.橋梁工程抗震設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出社，2008Chen Hui fa，Duan Lian.Bridge Engineering Seismic DesignM.Beijing：China Machine Press，2008(in Chinese)6M.J.N.普瑞斯特雷，F(xiàn).塞勃勒G.M.卡爾維著袁萬城等譯.橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固M.北京：人民交通出版社，1997Priestly M J N，Seible F，Calvi G M.Bridge Engineering