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桥梁抗震加固方法评述摘 要：桥梁作为交通生命线的枢纽工程，一旦遭受地震破坏，将会导致巨大的经济损失，并影响震后灾区的救援和重建工作，使得人们对桥梁的抗震性能越来越重视。桥梁抗震性能研究主要有两个方面，一是对新建桥梁采取合理的抗震设计和抗震构造措施；二是对现役桥梁的抗震加固。本文介绍了国内外在桥梁抗震加固方面的一些研究成果，并对桥梁抗震加固的方法进行了总结和评述，以期对我国现役桥梁的抗震加固提供一些参考和借鉴。关键词：桥梁；抗震加固；延性；修复Review on Seismic Retrofit Methods of BridgesAbstract：Reducing the damage of 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 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 paper，which can be reference for bridge engineers and researchers.Keywords：bridge；seismic retrofit；ductility；repair1. 引言从地震分布特征看，我国位于世界两大地震构造带的交汇部位，我国很多地区受到频繁而强烈地震的潜在威胁。桥梁为作交通生命线的枢纽工程，一旦遭受地震破坏，将会导致巨大的经济损失，且震后修复极其困难。1976年我国唐山地震，1989年美国Loma Prieta地震，1994年美国North bridge地震，1995年日本Kobe地震，1999年中国台湾的集集地震等都造成了桥梁等交通设施的的严重毁坏，直接经济损失都超过百亿美元甚至高达千亿美元。2008年05月12日，四川省汶川县发生里氏810级特大地震，这次地震造成了交通生命线工程的严重破坏，24条高速公路、161条国省干线、8618条乡村公路、6140座桥梁和156条隧道受损，公路、桥梁、隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达670亿元，其中桥梁损毁最为严重。我国目前绝大多数在役桥梁是按照公路工程抗震设计规范(J TJ 004-289)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。因此，对于我国地震区的已建桥梁，有必要采取一定的抗震加固措施，而且目前我国在桥梁抗震评估方面的研究工作处在起步阶段，尚无统一标准。本文结合我国桥梁在近几次地震中的震害情况，并根据美国和日本桥梁抗震加固的一些方法和经验，对桥梁抗震加固方法进行总结和评述。2. 抗震加固方法及评述抗震加固的主要目的在于防止桥跨倒塌，其次是将损伤、破坏控制在一定程度内。在桥梁抗震设计中，承受重力及使用荷载的上部结构是按弹性设计的，它们通常被设计成抗震体系中的一个较强的环节。地震期间基本上保持弹性，桥梁上部结构落梁倒塌和撞击损坏，是由地面运动引发下部结构的摇动和不同桥墩柱的运动相异，或是由于相邻桥段伸缩缝处的相互撞击引起的。因此，对桥梁结构而言，抗震加固的重点是桥梁的下部结构。一般来说，在桥梁加固中有两种策略。一是增加桥的抗震能力，使结构有足够的强度去抵抗地震力；二是降低地震对桥梁结构的地震反应，使现有结构的强度能够抵抗地震作用，比如增加隔震支座。美日两国的抗震加固准则都包含了这两种方法，其加固方法也基本相似。2.1 上部结构加固上部加固的主要目的是防止各种原因引起的落梁破坏。2.1.1 伸缩缝和铰地震时，桥梁相邻框架常会以不同相位振动引起两类位移问题。第一类是这些框架在铰处碰撞而引起的局部性损伤。一般来说，这种局部性损伤不会引起桥梁倒塌，因此不是主要关注的问题。第二类是铰连接发生分离，如果运动很大，就有可能使相邻跨发生落梁。加固简支钢梁或预制混凝土梁，最常用的、也是最传统的方法就是使用缆索约束装置，设计缆索时应注意尽可能少地占用梁和下部路面之间的竖向净空。如果期望纵向位移大于有效支座宽度，简支梁的缆索加固方法可以与墩帽支座的加宽相结合。用缆索来限制桥面位移，这种方法对于多跨简支桥梁非常有效，但对于多跨连续桥梁效果不是特别明显，因为多跨连续桥梁相邻跨在地震中的相对位移没有简支桥梁那么大。钢梁的另一种加固办法是，用拼接板把腹板联系在一起，使梁在墩帽支座上保持连续。跨中有铰的梁，应增加铰的约束装置。由于在地震中，铰支座会发生局部性损伤，铰支座可用的实际长度要比最初设计的长度要小的多。因此要加宽铰支座或者将框架体系连在一起是很有必要的。限位器是在当桥梁有横向激励时，用来限制桥梁的相对位移。在美日两国的桥梁抗震加固方法中，限位器的应用很常见。美国在横向、纵向和竖向把相邻跨在支座处连接在一起，而日本具有更多不同材料和类型的限位器被安装使用，比如一些柔性连接器和钢板连接件。目前比较新颖的是用记忆性合金限位器加固简支桥梁。记忆性合金限位器在承受很大的变形后，仍处在弹性范围以内。它超强的弹性在限制多跨简支桥梁相邻跨的相对位移时，具有显著的效果。2.1.2 侧向支撑梁之间的侧向刚度通常由某种横向支撑体系或横隔梁提供。这些侧向支撑体系常用来抵抗风荷载、施工荷载、活荷载所引起的离心力及地震荷载。而且，侧向支撑体系不能承受支座承载能力和剪切键能力那么大的力，结果是支撑体系屈曲。理想的办法是，增加另外几组实际上尽可能接近支座的支撑、加劲肋或横隔梁。2.1.3 混凝土边梁边梁是用来提高混凝土桥的纵向能力。这些梁把已有的箱型结构外的相邻排架连接在一起。在美国，边梁已用来加固具有长外伸梁的双层结构。在单层桥梁结构中，外伸梁在纵向激励下易扭曲。有两个加固方案，一是加强外伸墩帽，同时保持其在柱顶的扭转和弯曲固定连接；二是使柱顶铰接，这样便可减小易损外伸墩帽的扭转需求量。在双层结构中，边梁需要有足够的刚度和强度，以保证塑性铰出现在柱上，减小了下层桥面外伸梁墩帽的扭转需求量。2.2 下部结构加固桥梁的大部分地震损伤破坏发生在下部结构上，因此下部结构加固是整个桥梁抗震加固工程的重点，也是难点。2.2.1 柱罩所依据的理论是提高现有钢筋混凝土桥墩的延性、抗剪和抗弯能力。在一些情况下，限制塑性铰区域的径向膨胀应变。实验表明，把径向膨胀应变限制在0.001，钢筋的搭接接头就会保持固结而且能产生截面完全塑性弯矩能力。与限制径向应变相反，在提供整个塑性铰区域足够约束的同时，允许发生大于0.001的径向膨胀应变，使得有可能形成铰。(1)钢罩。用两块钢板卷成一半径比柱子大的半圆后，现场焊接成一套管。目前普遍使用的有三类：一是沿柱全高完全灌浆，它主要用于抗剪和抗弯能力不足的柱子，其二是沿部分高度设置的罩，因此对抗剪不足的墩柱所取作用很小，这类加固的界限，通常取为柱直径的1.5倍或取在最大弯矩减小到75%的地方；其三是前两者的组合，使用于抗剪能力不足的墩柱。所有的这些柱罩可以是圆形(对于圆形或方形)或者椭圆形(对于矩形)。值得注意的是，柱端留50mm间隙的目的，是为了防止柱罩作为受压钢筋代替支承构件抵抗支座反力，从而提高了柱的抗弯能力。这将潜在地增加地震荷载传递到基础和墩帽中的弯矩和剪力。实验证明，沿全高用钢罩加固的混凝土柱，强度会提高30%左右，而截面的弹性模量也会有相应的提高。(2)混凝土罩。在加固异型柱但又不改变柱的几何形状特征时，混凝土罩是个较好的办法。现有墩柱加固，是绕柱外面部分放置环箍，然后把包住环箍的钢筋钻入并粘结在柱子上，然后用混凝土包住钢筋，于是保留了柱的原来形状。(3)高级复合材料罩。这是最有发展前景的一种技术，这种加固方法提高了现有桥墩的约束和抗剪能力，并且不改变桥墩的几何形状。实验表明，用CFRP加固的周围带裂缝的柱，抗震性能和没有裂缝时是一样的。用钢罩和CFRP加固的柱破坏模式从弯曲破坏变为底部滑移破坏，延性增强。而且用钢罩和CFRP罩加固的柱增加了抗侧向变形的能力，避免了从钢筋接头处破坏模式，提高了延性。CFRP罩的层数越多，延性越好。但是对于剪切破坏模型，用钢罩和CFRP罩加固，可以提高限制侧向变形的能力，但是多层CFRP罩不能提高柱的延性，反而会导致其他模式的破坏。实验证明，用CFRP加固的空心桥墩延性系数会有很大的提高，可以达到4.95.5。CFRP加固圆形柱的效果要比加固矩形柱的效果好。另外，FRP加固柱的徐变变形远小于原柱的徐变变形；带损伤的加固柱在长期荷载作用下的变形发展受加固柱的损伤程度和持荷大小。控制，并与FRP的弹性模量有关；在试验条件下，带损伤的加固柱长期轴向变形呈稳定态势。计算和分析结果表明，用FRP加固可以明显改善钢筋混凝土柔性墩的抗震性能；与全包裹相比，用FRP对桥墩墩底进行部分包裹可以更有效地利用FRP的强度，更为经济适用。(4)钢丝包裹罩。这也是一种较新的加固技术，它包括利用把预应力钢绞线裹在桥墩上，然后把键形物放在钢绞线和桥墩之间，有效地给钢绞线施加预应力。其优点是不改变桥墩的几何形状，缺点是劳动强度高，而且目前只能用于圆形桥墩。还有一种新的加固形式就是八边形罩。实验表明，在加固矩形柱时，八边形具有和椭圆一样的加固效果，而且八边形的造价比椭圆形要低15%。钢罩加固一个矩形柱，厚一点的罩可以减小横截面面积，罩的厚度可由提供相同压力的静力等效来确定。矩形罩可以提高柱的抗剪强度，然而在提高柱的抗弯能力上效果不明显。八边形钢罩不但可以提高抗剪强度，而且可以限制侧向位移。八边形钢罩的横截面更小，但抗震性能更好，如图1所示。图1八边形钢罩Fig.1 Octagonal steel jacket2.2.2 填充墙对于多柱桥梁来说，填充墙是个较好的方法。它有两个明显的优点：不仅提高了柱的横向能力，而且限制了柱的横向位移。通过限制柱的横向位移，便消除了在墩帽中形成塑性铰的可能。费用可能小于前述的其他几个加固方法。值得注意的是，在稍微倾斜或没有倾斜的桥梁排架的纵向能力方面，填充墙不是有效的。2.2.3 连梁连梁是用于提高混凝土排架的横向能力的。连梁的功能由它在地面标高以上的位置决定。连梁置于排架底部标高处，以替代现有不足的墩帽。这类连梁的主要功能就是保护现有上部结构，迫使在柱上产生塑性铰。在其他情况下，为了调整特定排架的横向刚度，连梁可能置于地面标高和排架底部标高之间的某个位置。当箱形上部结构支承在一些刚度极不均匀的排架上时，可能需要这种加固形式。在这种情况下，结构的质量中心和刚度中心相距较远。这种偏离导致了排架平面外的附加位移，它可以引起桥梁少数排架上高度集中的延性需求量。这种行为在抗震结构中通常是不可取的，但是在这种情况下，使用连梁可以减少质心和刚度之间的偏离。这种结构调整对于加固桥梁所有柱上的延性需求量的均匀分布和减少尤为重要。2.2.4 支座的加固支座一直是地震中最易受损的部件之一。橡胶垫要好一些，钢滚轴支座的性能尤其不好，即使在较小的地震下也易受损。支座加固，一般是用弹性橡胶垫支座取代钢滚轴式支座来实现。在一些使用性能水准要求较高的情况中，可用底部隔震支座替换钢支座。用隔震支座加固桥梁，已经越来越得到人们的认可，这项技术目前得到了广泛的应用，许多应用实例证明了这是一项花费少，但是效果比较显著的抗震加固措施。但是弹性支座会增加桥面的位移，比较好的解决办法是用铅芯橡胶支座来代替，或者缆索和弹性支座配套使用。2.2.5 帽梁的加固帽梁存在着几种潜在的失效模式。按照墩帽的类型，这些易损性可能包括支座破坏、剪切键破坏、支座宽度不够以及帽梁破坏等。帽梁失效模式包括弯曲、剪切、扭转和节点剪切。处理抗弯和抗剪切能力不足的加固方法，通常是给现有帽梁增设垫板。在垫板中施加预应力也是一个有效的办法。2.2.6 桥台(1)支座延长装置桥台和非整浇墩帽处的支座延长装置，由现有表面上的附加混凝土组成。附着在现有桥台或墩帽表面上的支座延长装置，其设计与牛腿设计相似。(2)用木材、混凝土或钢材填塞夹缝一些制作式桥台在上部结构端横隔梁和背墙之间，通常存在着夹缝或大的间隙。如果这些缝隙不被填充，在桥台后面的土被挤密之前，柱子必将经受大的变形。用混凝土、钢材、或木材填塞夹缝，可以做为一个加固方法。2.2.7 基础加固基础加固高昂的费用加上相对不大可能发生的损伤，就决定了其加固设计比起桥梁其他部分要更少一些保守性。但是通过对多种类型的基础分析发现，单单增加桥墩的抗弯能力，对提高桥的抗震效果不明显。因为柱子的抗弯能力增加了以后会增加从柱传到基础的地震力。这会增加基础损坏的几率，因此柱强度的增加要和基础加固相协调。通常基础的加固是：增设上覆盖层以提高基础抗剪能力，或均匀加宽基础，增加接触面积以提高稳定性和抗弯能力，还有就是把基础锚固于土中或是通过连接杆穿过基础把承台与桩联系起来。新混凝土要牢固地附加在旧基础上。做到这一点，可以通过凿掉现有的钢筋周围的混凝土，将新钢筋焊到或以机械的方式连接到旧钢筋上。3. 结语桥梁抗震加固技术自Loma Prieta地震以后，特别是Kobe地震后，得到很快的发展，日美等国对一些新的加固方法进行了深入研究，并有一些新型材料(如CFRP等)在桥梁加固中得到应用。然而桥梁抗震加固是一项很复杂的工程，涉及地震工程学、弹塑性力学、损伤力学、计算力学、新材料开发和应用、现代检测技术等多个学科分支，必须通过学科交叉与融合研究，对桥梁的地震损伤进行正确评估和计算，并结合经济上的合理性，才能给出理想的桥梁抗震加固方案。本文对这些桥梁抗震加固方法进行了介绍和简要评述，以期对我国现役桥梁的抗震加固提供一些借鉴和参考。参考文献(References)：1范立础.桥梁抗震M. 上海：同济大学出版社，1996Fan Li chu. 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