在役混凝土梁式桥的抗震加固研究

薛建朝

【摘 要】Evaluate built bridge’ s seismic performance by the new seismic design code, according to the result of evalua_tion to take corresponding seismic reinforcement measures, en_sure the overall ductility of structure by considering enough struc_tural measures and design method based on performance, pre_vent local failure of the components such as bridge piers, ac_cording to the current seismic code take reinforcement measures for concrete beam bridge piers in use, demonstrate the effective_ness of seismic strengthening by calculation and analysis, give a discussion of the safety of bridge structure under the action of the earthquake.%对已建桥梁按照新的抗震设计规范进行抗震性能评价，根据评价的结果采取相应的抗震加固措施，考虑采取足够的构造措施和基于性能设计方法保证结构的整体延性，防止桥墩等构件的局部破坏，按照最新抗震规范，对某一在役混凝土梁式桥桥墩采取一定的加固措施，通过计算分析验证抗震加固的有效性，对地震作用下桥梁结构的安全性提出探讨。

【期刊名称】《四川建材》 【年(卷),期】2014(000)003 【总页数】3页(P167-169)

【关键词】混凝土梁式桥;震害;加固方法;抗震验算;抗震加固 【作 者】薛建朝

【作者单位】广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006 【正文语种】中 文

【中图分类】TU352.1;P315.92 0 前言

我国的桥梁抗震设计规范从考虑单一的设防标准到考虑基于性能化设计的综合因素，已实行了三代。目前，我国很大一部分在役桥梁，如大部分混凝土梁式桥，是按照JTJ 004－89《公路工程抗震设计规范》采用单一的设防标准来设计的，没有采取足够的构造措施来保证桥梁结构的整体延性，也没有采用基于性能设计来防止桥墩等构件的剪切破坏［1］。我国地震易发区的桥梁由于其本身对人民生命财产的重要性及破坏后的严重后果，应对已建桥梁考虑基于性能设计方法和足够构造措施的综合因素来保证结构的整体延性，防止局部破坏造成整体使用功能丧失，因此采取必要的抗震加固措施变得越来越重要。 1 桥梁的震害分析

目前国内桥梁应用最多的是混凝土梁式桥，通过对其进行震害分析，震害产生的主要原因有以下三类:①支承连接构造的失效。在突发性大的地震作用下，结构上下部发生相对大的位移，导致支承连接构件破坏，结构上下部发生分离，梁体坠落破坏。②下部重要部位失效(例如桥墩和桥台失效)。地震力及桥梁自身的惯性力通过支座传递给下部的力超过桥墩及桥台自身的承载力造成桥墩及桥台的破坏，或发生大的变形导致下部结构开裂甚至折断，上部结构由于支撑的破坏也随之遭到严重的损害。③地基失效。下部结构周围的土体由于受到地震震动的影响而变弱，周围土体的变弱又导致了下部结构发生了水平移动和沉降，进一步引起桥墩及桥台的损坏，导致整个结构的偏移或破坏。

2 桥梁抗震加固技术现状 2.1 桥梁抗震加固发展

当前一些旧桥设计荷载等级已经无法满足最新规范的要求，另外，由于设计缺陷或施工质量不善，导致有些在运营的桥梁也出现了变形过大或开裂的现象。上述情况均对交通运营安全构成了隐患，桥梁加固势在必行。以美国、日本为首的发达国家，对于桥梁抗震加固，已把重点从过去的单一的防止落梁等构造破坏的措施转移到重视桥梁结构的整体延性上来，使其加固后的桥梁跟新建的桥梁一样有相当的抗震能力，达到桥梁加固后的整体统一。 2.2 桥梁抗震加固目标

防止桥梁在地震荷载下出现倒塌是桥梁抗震加固最主要目的，其次是对桥梁损伤进行控制，使其在一定程度内存在破坏现象。一般来说，在桥梁抗震设计中，上部结构(主梁)是按弹性设计的，是抗震体系中的一个较强的环节。而上部结构碰撞、落梁等震害是由于下部结构的震动，不同墩柱运动的差异，或相邻桥跨伸缩缝处的相互撞击所引起的。因此，对桥梁结构而言，抗震加固的重点是限制上部结构位移、提高下部结构抗震能力［2］。 2.3 桥梁抗震加固一般流程 图1 桥梁抗震加固的一般流程

进行桥梁加固时，应以防止桥梁发生严重破坏、避免桥梁破坏造成重大人员伤亡及对人民生命财产造成重大损失为最基本原则，根据抗震性能评价结果考虑多方面因素确定桥梁是否加固及加固优先顺序。桥梁的抗震加固是减小地震灾害造成结构失效风险的最主要途径。根据桥梁重要程度、发生破坏的危害性、结构易损性及加固成本的综合评估结果，在满足桥梁抗震加固的一般原则情况下，选择对桥梁是否采取加固或弃用或不采取任何措施，加固的一般流程如图1所示。 2.4 桥梁抗震加固部位及其方法概述

根据桥梁的震害类型，国内外桥梁抗震加固的方法大体上可概括为三种:①加固桥梁个别部位使其有足够的强度来抵抗地震的作用，比如加固桥墩，加固支座等;②转换桥梁结构体系降低桥梁结构的地震响应，使现有结构的强度能够抵抗地震作用，比如采用转换成减隔震体系，转换成多跨连续结构，转换成水平力分散结构［3］;③设置防落梁系统，比如强化防落梁装置，设置位移限值装置，确保梁端搭接长度。混凝土梁式桥各不同部位抗震加固原则及加固方法见表1。

表1 混凝土梁式桥抗震加固原则及方法加固原则上部结构的加固 1纵桥向加固2横向加固加固部位 加固方法既有桥梁防止各种原因造成的落梁是确保桥梁安全最重要的措施之一;新建桥梁可选择连续梁结构支座的加固 1加固现有支座2支座的替换支座系统是地震中最易受损的部件之一，但断裂大都发生在支座和梁处，或发生在定位板处，或发生在支座和座板连接处，亦或是发生在连接座板与支撑的锚栓处［4］墩柱的加固盖梁及墩－盖梁结点的加固桥台的加固基础的加固1钢套管加固法;2增加截面加固法;3粘贴碳纤维布加固法;4填充墙加固法;5钢绞线包裹加固法;6连梁加固法1盖梁的置换2盖梁的加固1桥头搭板2锚定板3支座延长装置4填塞夹缝1基础的置换2承台的加固3桩的加固采用上部弹性体系设计、下部延性体系设计的结构形式防止墩柱抗弯及延性性能不足造成的地震损伤破坏。对墩柱抗弯能力不足、延性性能较差、塑性铰位置不明确或塑性铰位于不易维修部位的桥梁进行墩柱的抗震加固，既是整个抗震加固工程的重点，亦是难点［2］盖梁在上部结构和墩柱之间起到传递荷载的作用。当地震激励沿横桥向时，盖梁将承受较大的弯曲和剪力，盖梁主要震害是由抗弯和抗剪强度不足所引起的。一般情况下，盖梁与混凝土墩柱是整体现浇的，故在横向荷载作用下结点处的应力很大，容易发生破坏桥台和基础将桥梁结构和地基联系起来，同时也将地震传递给桥梁。桥台自身的破坏一般不会造成结构整体倒塌。桥台挡土的侧向移动或桥台填土的固结可能影响桥梁的使用功能，这对于特别重要的桥梁可能是不允许的。此外，在桥台支座

处设置限制相对变形的约束装置可能会增大桥台的受力地震中桥梁基础的破坏主要是由于地基失稳，而地基失稳产生的原因有液化、侧向滑移、断层移动或滑坡等。由于基础的加固维修成本非常高，而且由于基础破坏导致桥梁结构倒塌的情况较少，在对基础加固之前需要平衡基础加固费和不加固所造成后果之间的关系场地的加固 最主要的选择有力的场地条件在地震作用下任何危险的场地条件都能使桥梁结构发生大的沉降和相对位移，对桥梁结构造成很大的力。地理位置的活动断层、可液化的砂土或淤泥砂土、位于不同抵抗力的土体交界处以及不稳定的陡坡处等，在地震作用下都易对桥梁结构造成大的损伤。然而对于这些危险场地条件的加固措施又是很少的，其现场证实难度相对比较大，只能凭工程技术人员的经验采取合理的措施 3 桥墩抗震加固实例

已知某高速公路上的连续梁桥桥梁，按8度(0.3 g)抗震设防，场地特征周期0.4 s，场地类别Ⅱ类，该桥梁按JTJ 004－89《公路工程抗震设计规范》进行抗震设计，其基本资料如下:

1)上部构造:装配式预应力混凝土简支梁5段，各30 m。0号台及5号台为活动支座，其余各墩为板式橡胶支座。施工程序为先简支梁安装，再桥面连续。桥台上设置橡胶伸缩缝。

2)桥面宽度:全宽11.25 m，净宽10.25 m。 3)载重:挂车(120)，汽车(超20级)。

4)支座:桥墩墩顶设板式橡胶支座一个(250 mm×350 mm×57 mm)，支座橡胶层的总厚度为46 mm;在桥台台顶设四氟板活动支座一个(250 mm×350 mm×59 mm)。

5)下部结构:圆柱墩采用双柱式，直径为1.5 m，采用C30混凝土，墩高9 m，HRB335级钢筋，两柱中距6.10 m。纵筋25φ20，箍筋φ8@100，混凝土保护层厚度10 cm。

6)恒载及墩柱、支座的刚度:上部结构恒载总和为5 053 kN;下部结构恒载:盖梁为763 kN，两个墩柱自重为600 kN。各墩并联总刚度之和为92 528 kN/m;各墩顶支座并联总刚度之和为48 962 kN/m。 7)桥梁布置如图2所示。 图2 桥型布置图/m 3.1 桥墩抗震验算

依据我国最新的颁布JTG/B02－01－2008《公路桥梁抗震设计细则》对此桥进行抗震强度与变形的验算，验算结果如表2。

表2 桥墩抗震强度与变形验算墩柱塑性铰区域1)桥墩斜截面抗剪强度验算 2)墩柱变形的验算剪力设计值Vc0/kN箍筋抗剪值Vs/kN验算要求Vc0/m≤(0.0023f'c，Ae+Vs)最大容许位移△u/m墩顶横向位移△d/m验算要求△d≤△u顺桥向桥墩抗震验算 525.6 3325.8 满足 0.180 0.254 不满足横桥向桥墩抗震验算 550.6 3325.8 满足 0.262 0.010 不满足板式橡胶支座验算 满足 3.2 墩柱的抗震加固

1)钢套管抗震加固。经分析采用钢套管对墩柱自墩底向上1 m范围内进行抗震加固。已知纵向钢筋的体积含筋率0.44% ＜2.5%，且轴力P=505 kN＞

0.15f'cAg=5 299 kN，因此可以根据《公路结构物抗震加固改造手册》，求得钢套管的厚度 t应满足［5］:

式中，f1为侧限应力，取2.07 MPa;D为墩柱的直径。

可得t≥7.76 mm，要求钢套管的最小厚度为10 mm，t取为10 mm;墩柱与钢套管之间的间隙取为20 mm。

2)粘贴碳纤维布抗震加固。经分析采用碳纤维布对墩柱自墩底向上1m范围内进行抗震加固，已知碳纤维布的标准设计强度为2 255 MPa，弹性模量为Ej=230

GPa，每层碳纤维布的厚度为0.167 mm。根据《公路结构物抗震加固改造手册》，求得碳纤维布的厚度t应满足［5］:

最少需要粘贴9层碳纤维布，本例中取33层进行计算。 3.3 加固后验算

在未进行抗震加固时，得出顺桥向和横桥向斜截面的抗剪强度满足08细则的要求，在增加钢套管之后其抗剪强度进一步提高，因此不需要对进行验算能够确定加固后满足截面抗剪强度的要求，只需对抗震加固后其变形能力进行验算。依据08细则对此桥的变形能力验算，验算结果如表3。

表3 桥墩加固后变形验算 m验算要求Δd≤ Δu钢套管抗震加固最大容许位移Δu墩顶横向位移Δd顺桥向桥墩抗震验算 0.3070 0.268 满足横桥向桥墩抗震验算 0.2528 0.0094 满足粘贴碳纤维布抗震加固顺桥向桥墩抗震验算 0.27 0.258 满足横桥向桥墩抗震验算 0.2598 0.013 满足 4 结论

1)最优化的桥梁抗震加固设计。总结近年来国内外重大桥梁的震害资料，设计人员需改变过去单纯靠“强度抗震”设计的指导思想，研究考虑多参数的基于性能的抗震设计思想［6］，被广泛认为基于性能的设计是未来抗震设计规范的最基本设计思想，其抗震设计的性能指标包含单一、多数或组合指标［7］。

2)更系统的桥梁抗震加固模拟。对桥梁震害按一定的破坏等级采取相应的加固措施，在确保结构安全的前提下，基于性能的分析采取最合理的加固方法达到最大的加固效果。更多的重视地震模拟实验的方法，尤其与现代科技融为一体的高科技实验变得越来越重要，对地震模拟的分析也达到最优的效果，同时桥梁结构中的大比例以及足尺结构的地震模拟实验其结果的真实可靠性对加固措施的选择更具有科学依据性［8］。

3)桥梁抗震设计的建议。通过本实验桥梁抗震加固方法的思考和讨论，对桥梁的抗震设计提出几点建议:

(1)地震易发区尽可能采取多跨连续梁结构，可防止场地的不利影响和上部结构的落梁破坏;

(2)对地震发生时地基性质有可能发生变化的回填地基或冲积层地基，宜选择水平刚度较大的基础形式;

(3)对于局部破坏有可能导致桥梁整体破坏的结构体系，需考虑限制该部位在地震中的损伤。 ［ID:001054］ 参考文献:

［1］ 黄福伟，许晓锋，郑万山.桥梁抗震加固技术现状及发展趋势［J］.公路交通科技，2003，20(5):57 －59.

［2］ 刘健新，赵国辉，李加武.汶川地震及中国公路桥梁抗震设计规范的变迁［J］.交通科学与工程，2009，25(1):21 －25.

［3］ 周福霖.工程结构减震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

［4］ 杨新宝.钢筋混凝十桥梁抗震性能评估与加固［D］.上海:同济大学，1997. ［5］ M.J.N.普瑞斯特雷，F.赛勃勒，G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固［M］.袁万城，胡勃，崔飞，等，译.北京:人民交通出版社，1999.

［6］ 孙利民，范立础.阪神地震后日本桥梁抗震设计规范的改订［J］.同济大学学报，2001，29(1):60 －64.

［7］ 黄超，季静，韩小雷，等.基于性能的既有钢筋混凝土建筑结构抗震评估与加固技术研究［J］.地震工程与工程振动，2007，27(5):72－79.

［8］ 刘敏，关建光，徐福全，等.预应力包钢法加固钢筋混凝土梁抗剪性能的试

验研究［J］.工程抗震与加固改造，2006，28(5):49－54.