國內(nèi)外橋梁抗震性能評定文獻綜述

國內(nèi)外橋梁抗震性能評定文獻綜述

作者在一篇題為《橋梁抗疲勞性能評價文獻》（道路科學(xué)進步，2005年第5期）的文章中總結(jié)了國內(nèi)外橋梁抗疲勞性能評價的情況。在對橋梁進行了專門的抗震性能評定后,如果發(fā)現(xiàn)橋梁抗震能力不足,則需要進行抗震加固。因此,本文對國內(nèi)外橋梁抗震加固方法與加固材料方面的研究情況進行了概要綜述。本文與“橋梁抗震性能評定文獻綜述”一文共同組成在處理既有橋梁抗震問題方面的文獻綜述和技術(shù)總結(jié)。1主要規(guī)格本文調(diào)研的國內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括:《鐵路橋梁抗震鑒定與加固技術(shù)規(guī)范》(1999),《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(1998),《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(1995),上海市《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》(1997),《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(2003),美國聯(lián)邦公路局《橋梁抗震加固指南》(1983),美國聯(lián)邦公路局《橋梁抗震加固手冊》(1995),美國加州《橋梁抗震加固指南》(1995),以及美國(1998)、美國加州(2001)、日本(1996)、歐州(1996)橋梁抗震設(shè)計規(guī)范等。2結(jié)構(gòu)抗震加固盡管我國對結(jié)構(gòu)抗震的研究開展得比較早,但是對結(jié)構(gòu)抗震加固的系統(tǒng)研究落后于世界水平20~30年。直到上世紀(jì)90年代末,我國才有了《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(1998)和《鐵路橋梁抗震鑒定與加固技術(shù)規(guī)范》(1999)2套結(jié)構(gòu)抗震加固標(biāo)準(zhǔn)及上海市《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》(1997)。由于碳纖維材料的推廣應(yīng)用,國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心等單位編制了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(2003),其中部分內(nèi)容和抗震加固有關(guān)。在公路橋梁方面,我國至今仍沒有抗震加固的標(biāo)準(zhǔn)。2.1上海規(guī)范對加固方法的規(guī)定《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(1998)對現(xiàn)有建筑的抗震加固作了規(guī)定,其中的基本規(guī)定和關(guān)于多層鋼筋混凝土房屋的規(guī)定對橋梁抗震加固有一定的借鑒作用。其基本規(guī)定對制訂加固方案的依據(jù)(抗震鑒定結(jié)果)、結(jié)構(gòu)布置和連接構(gòu)造、材料要求和施工要求作了規(guī)定;關(guān)于多層鋼筋混凝土房屋抗震加固的規(guī)定包含了鋼套、現(xiàn)澆鋼筋混凝土套、粘貼鋼板、抗震墻和翼墻、局部修復(fù)和補強、用拉筋或鋼夾套對連接進行加強等加固方法的設(shè)計、驗算和構(gòu)造措施等內(nèi)容。上海市《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》(2000)的一個特點是對重要優(yōu)秀近代保護建筑的鑒定和(減隔震)加固作了較細(xì)致的規(guī)定,體現(xiàn)了上海市作為有歷史積淀的大都市的文化內(nèi)涵。但此部分不在本文主要考慮的范圍內(nèi),故不多分析。從加固技術(shù)上講,相比于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑98規(guī)程,上海規(guī)程對每種結(jié)構(gòu)列出了較多的加固方法,具體規(guī)定也較詳細(xì),并附了較多抗震加固圖例,給設(shè)計者提供了較大的選擇余地。關(guān)于最近比較熱門的碳纖維加固,由于單從技術(shù)角度來看,碳纖維加固雖然有易于成型施工的優(yōu)點,且材料強度較高,但無塑性屈服臺階,破壞時往往是發(fā)生突然的脆性斷裂,用于抗震加固尚有問題待研究。因此,上海2000規(guī)程未將其列入。上海市《現(xiàn)有建筑抗震鑒定加固規(guī)程》(2000)增加了采用減震措施進行加固的內(nèi)容,包括層間隔震、消能支撐和基礎(chǔ)隔震等。層間隔震、消能支撐是通過消耗地震能量,減小主體結(jié)構(gòu)所受地震作用;基礎(chǔ)隔震延長了整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期,也減小了主體結(jié)構(gòu)所受地震作用,都間接起到抗震加固作用。規(guī)程詳細(xì)介紹了層間隔震、消能支撐和基礎(chǔ)隔震的設(shè)計計算方法及參數(shù)選用?！短祭w維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡稱片材規(guī)范)對碳纖維片材用于抗震加固的總折算體積配箍率、構(gòu)造(搭接長度比受彎加固、受剪加固時的搭接長度要長,采用封閉式粘貼并有可靠連接)作了規(guī)定。到目前為止,碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中的研究和應(yīng)用最多,相應(yīng)計算理論也較為成熟,故片材規(guī)程暫列出這3種加固方法的有關(guān)設(shè)計計算方法和構(gòu)造規(guī)定。受彎加固指為提高受彎構(gòu)件正截面承載力而進行的加固,受剪加固是指為提高受彎構(gòu)件斜截面承載力而進行的加固,抗震加固是指為提高構(gòu)件的抗震性能而進行的加固。片材規(guī)范規(guī)定:在受彎加固時,應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與受拉區(qū)的拉應(yīng)力方向一致;在受剪加固時,應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與混凝土中主拉應(yīng)力方向一致,但為了施工方便,建議采用纖維方向與構(gòu)件縱軸垂直的方法進行加固;抗震加固時,應(yīng)使碳纖維布封閉纏繞在柱上,可以較好地提高抗震性能。除此以外,碳纖維片材也可沿構(gòu)件軸向粘貼用于受拉構(gòu)件的加固、沿環(huán)向粘貼用于軸心受壓構(gòu)件的加固。在受彎加固時,也可采用對碳纖維片材施加預(yù)應(yīng)力的方法以提高加固效果。2.2橋梁加固措施《鐵路橋梁抗震鑒定與加固技術(shù)規(guī)范》(1999)對抗震加固的規(guī)定較少,主要內(nèi)容有:(1)確定抗震加固的重點橋梁;(2)防落梁措施;(3)軟基或可液化地基處理;(4)橋墩的鋼套或現(xiàn)澆鋼筋混凝土套加固(包括施工縫的加固);(5)隔震支座。3國外的總結(jié)3.1橋梁抗震加固設(shè)計流程美國聯(lián)邦公路局《橋梁抗震加固手冊》(1995)將加固方法分為常規(guī)方法和減隔震方法。常規(guī)方法對如下內(nèi)容作了具體規(guī)定:支座、承臺、伸縮縫加固(限位器、加長座寬、支座替換等);墩柱加套和纏繞加固;墩柱-蓋梁及墩柱-基腳連接加固;蓋梁加固;基礎(chǔ)加固(基腳抗彎和抗剪強度加固、鋼筋錨固加強、樁-基腳連接抗傾覆和抗拔出加固、橋臺和引橋加固);危險性場地加固(可液化土、不穩(wěn)定邊坡、跨斷層或斷層附近的場地加固)。減隔震方法包括安裝被動和主動的減隔震裝置。手冊中沒有考慮主動減隔震裝置,但對被動裝置則有詳細(xì)的規(guī)定。在實際應(yīng)用中,有多個州認(rèn)為被動裝置對許多橋梁類型的抗震加固都是一種經(jīng)濟的方法?！都又輼蛄嚎拐鸺庸讨改稀?1995)是針對加州橋梁抗震加固計劃中“防止倒塌”原則(其基本的加固策略是對橋梁或其一聯(lián)中的某一墩柱及其基礎(chǔ)進行加固)的不足而編制的,其原因是采用這一原則進行加固后,受到劇烈地震襲擊的橋梁仍可能需要關(guān)閉或重建。因此當(dāng)橋梁需要保持暢通時,應(yīng)根據(jù)95指南進行更為保守的抗震加固設(shè)計。加州95指南作為加州橋梁抗震加固計劃的一部分,規(guī)定了對橋梁抗震加固的4階段程序,即:(1)結(jié)構(gòu)診斷;(2)制定加固方案;(3)包括非線性的彈性分析;(4)加固設(shè)計。指南還包括A,B,C,D共4個附錄,即:A.計算模型指南;B.設(shè)計/構(gòu)造指南;C.特殊問題(隔震、曲率分析);D.背景和加州橋梁抗震加固計劃中的在研項目。以下對抗震加固的4個階段及A、B兩個附錄的內(nèi)容作一個概述。第一階段:規(guī)定對結(jié)構(gòu)進行診斷所應(yīng)進行的資料收集、建模和分析方法。該內(nèi)容在“橋梁抗震性能評定文獻綜述”文中寫得較為詳細(xì),此處不再贅述。第二階段:規(guī)定制定加固方案的程序和方法,包括以下內(nèi)容:以加固竣工圖的形式討論各種可能的加固方案以確定初步方案,首選的加固方案通常是對墩柱或墩柱及其基礎(chǔ)進行套箍加固并采用足夠的限位器以保證上部結(jié)構(gòu)及與其連接的墩臺的傳力路徑和內(nèi)力分配。每座橋梁的相關(guān)資料都應(yīng)存檔(包括確定的方案及其理由,其它未選方案及否決理由,討論會的指導(dǎo)意見,交通、通行、環(huán)境、可用空間等道路狀況,地質(zhì)及基礎(chǔ)的許可和限制條件,以表格形式匯總的加固前后的能力需求分析結(jié)果,材料強度,鋼筋等級,加速度反應(yīng)譜曲線,上部結(jié)構(gòu)能力評估及其它相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù))。第三階段:規(guī)定對橋梁抗震加固的分析設(shè)計方法,包括以下步驟:(1)針對限位器受拉和受壓2種情況,應(yīng)建立受拉和受壓2種分析模型;(2)受拉模型和受壓模型分析。以受拉模型為例,應(yīng)分析墩柱的加固效果,同時用等效靜力法計算限位器強度,并判斷墩柱加固是否達(dá)到要求;(3)如果墩柱加固未達(dá)到要求,則修正墩臺剛度,重新計算,直至達(dá)到要求為止;(4)有需要時對基腳進行加固。第四階段:規(guī)定對構(gòu)件進行抗震加固進行設(shè)計及構(gòu)造措施。這一部分內(nèi)容在附錄B中作了詳細(xì)規(guī)定。附錄A對抗震加固的計算作了詳細(xì)的規(guī)定。附錄A最重要的內(nèi)容是關(guān)于延性系數(shù)和荷載折減系數(shù)的定義和計算。其它部分則是處理一些特殊情況,如:彎橋計算,長橋上部結(jié)構(gòu)邊界條件,模態(tài)組合,載荷組合,軟土的ARS曲線,90m以下的橋梁橋臺的大阻尼,扭轉(zhuǎn)和懸臂,加固竣工分析等。附錄B對設(shè)計及構(gòu)造措施作了詳細(xì)規(guī)定,主要內(nèi)容有:外包鋼套,外包高強環(huán)氧纖維套,塑性鉸區(qū)及其外的許用剪力,蓋梁及懸臂的抗扭設(shè)計,柱筋延伸長度,取出或替換柱的腳手架設(shè)計,協(xié)調(diào)設(shè)計(鋼筋焊接,混凝土表面打毛,螺栓孔灌漿,取出或替換柱時的支撐,取出或替換限位器),基腳加固,樁基,樁擴大排架,外露排架蓋,墻式墩橫向設(shè)計,抗震錨固板等。本報告第3節(jié)對外包鋼套、外包高強環(huán)氧纖維套和限位器的部分進行了詳細(xì)分析。在相關(guān)研究成果和以上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下,自1971年SanFernando地震起至1987年,加州通過加強上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的聯(lián)系(抵抗豎向加速度,并防止上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件從支承上滑落)對1300座橋梁進行了抗震加固,耗資約五千五百萬美元。1987年起對橋梁抗震加固計劃提供了額外的基金。而1989年LomaPrieta地震使得橋梁抗震加固計劃得到加速,也使加州決定對25000座公有橋梁進行抗震倒塌評估,并對所有未通過評估的橋梁進行抗震加固,主要是對獨柱墩和多柱墩進行加固,以提高柱的抗剪強度、彎曲延性、蓋梁的承載能力和延性、上部結(jié)構(gòu)的承載力、結(jié)點的抗剪強度、基礎(chǔ)與橋臺的承載力等,其投資額達(dá)34億美元。1994年Northridge地震中,約50座鋼套管加固柱的橋梁承受了峰值0.3g以上的加速度,但沒有一座因柱損傷而需要進行修復(fù)。而在地震中倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞的橋梁,大多數(shù)都已列入加州的抗震加固計劃但尚未得到加固。3.2抗震規(guī)范的修訂阪神大地震發(fā)生后,日本有關(guān)部門制定了《兵庫縣南部地震被害道路橋的復(fù)舊標(biāo)準(zhǔn)(案)》、《有關(guān)新設(shè)鐵道構(gòu)造物的耐震設(shè)計的臨時措施》、《即存鐵道構(gòu)造物的耐震補強緊急措施》、《確保構(gòu)造物設(shè)施耐震性能的基本思想》、《橋梁鋼筋混凝土單柱墩碳纖維片材抗震加固手冊》(1998)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和文件等。日本土木學(xué)會也于1995年成立了耐震基準(zhǔn)等基本問題研究委員會,其后發(fā)表了《有關(guān)土木構(gòu)造物的耐震基準(zhǔn)等的提言(稱為第1次提言)》和《有關(guān)土木構(gòu)造物耐震補強的第2次提言》。1996年和1998年,日本分別對公路橋梁和鐵路橋梁的抗震規(guī)范進行了大幅度的修訂。新規(guī)范具有以下特點:(1)要求特別考慮橋梁系統(tǒng)整體的抗震性能,橋梁支座、防止落梁裝置也作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件來設(shè)計;(2)明確了橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與抗震設(shè)計、驗算方法的關(guān)系,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求進行地震時程非線性地震反應(yīng)分析;(3)強調(diào)利用結(jié)構(gòu)的延性抗震;(4)新增加了隔震橋梁的有關(guān)設(shè)計規(guī)定。受到美國SanFernando地震的影響,日本于1971年對18000座橋梁進行了檢測,并對1500座橋梁進行了抗震加固。其檢測的目的主要是識別出有明顯缺陷和老化的橋梁,因此并不需要進行專門的抗震檢測。其后,又于1976年、1979年、1986年和1991年對橋梁進行了檢測,以識別橋梁的抗震易損性。僅于1991年就完成了對60000座橋梁檢測。神戶大地震后,日本于1995年至1996年間對約30000個墩柱進行的加固。神戶大地震中,兵庫縣南部道路和橋梁損壞很重,全長200km的13條路線都遭到破壞。地震過后,阪神高速公路公團立即著手處理災(zāi)害事務(wù)及恢復(fù)工作。從地震發(fā)生起3個月內(nèi)確定修復(fù)方案,原計劃用2年時間,實際只用了1年零8個月,主要干線道路全部修復(fù)通車。修復(fù)的辦法有:(1)鋼筋混凝土墩柱:主筋直通墩頂,加密加粗箍筋或用鋼板外包;(2)鋼制墩柱:鋼管中填混凝土及增加縱向筋;(3)增加防落梁措施:增強梁與柱、梁與梁之間的聯(lián)系,并設(shè)置雙重防落(水平和垂直方向)梁;(4)減輕上部結(jié)構(gòu)重量,將上部混凝土橋面板改為鋼橋面板;(5)簡支梁改為連續(xù)或多跨梁支梁梁體聯(lián)接。橋梁基礎(chǔ)的震災(zāi)檢查方法有4種,即直接法(挖土、肉眼看)、間接法(鉆孔、照相)、反應(yīng)波速法和作荷載試驗法,用柱身壓漿、灌漿及加柱增強基礎(chǔ)等辦法進行加固。3.3加固后的一般注意事項加拿大于2000年頒布了其最新的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范,其中對既有橋梁的抗震性能評估和抗震加固作了規(guī)定。列入該規(guī)范的抗震加固技術(shù)方法包括:基礎(chǔ)隔震,在無加強情況下的增加延性,附加吸能裝置,安裝限位器,改變傳力途徑,增加支撐長度,采取措施以確保形成塑性鉸,增強加固,處理可液化土,路基和相鄰邊坡的穩(wěn)定性處理。在評估以上加固方法時,應(yīng)注意如下問題:考慮加強后剛度的增加;評價加固對疲勞壽命的影響;考慮改變傳力途徑的影響;考慮構(gòu)件加強后對連接和其它構(gòu)件承載力需求的影響;應(yīng)避免采用對難于企及的基礎(chǔ)部位產(chǎn)生破壞的加固方法;采用基礎(chǔ)隔震對其它荷載的影響;加固的耐久性;增加限位器對溫度變形的影響;處理可液化土產(chǎn)生的傾斜或變位;對逐步完善加固的后果應(yīng)進行考慮;應(yīng)強調(diào)加固后的充分檢測和維護;對加固后的結(jié)構(gòu)進行完整的重分析。4應(yīng)注意吸收先進的理念通過分析國內(nèi)外研究資料,特別是對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的比較可以知道,在橋梁抗震加固技術(shù)研究和實踐上,盡管我國的科技水平已有較大的提高,但與國際水平相比仍有相當(dāng)?shù)木嚯x。美國和日本橋梁的抗震鑒定和加固的標(biāo)準(zhǔn)中,強調(diào)了對橋梁的排序、抗震鑒定及加固原則和程序、抗震計算模型的建立和抗震分析的方法等內(nèi)容,在吸收這些技術(shù)成果的同時,應(yīng)注意吸收先進的理念。我國在橋梁抗震方面的不足主要是缺乏持之以恒的基