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桥梁抗震加固历史

桥梁抗震加固历史

1桥梁抗震研究历史的重要转折点

尽管在1926年,就有了第一部涉及桥梁抗震设计条款的规范——《关于公路桥梁细则草案》,与建筑结构的抗震研究相比,桥梁抗震研究相对滞后,但是在近30多年来,每次惨痛的地震灾害发生后,桥梁抗震理论和技术水平都会迈上一个新的台阶。

1906年4月18日旧金山发生7.9级地震,这次地震是美国加州历史上破坏最严重的一次地震,对于地震工程来讲也是最有意义的地震之一,也是历史上第一次有桥梁震害记录的地震,但是,这次地震并未引起人们对桥梁抗震的关注。1971年2月9日美国发生地震,震源深度12.8公里,仅6.7级就显示出生命线工程破坏的严重后果,由于桥梁抗震能力不足,地震造成5座桥梁塌落,42座桥梁损坏。在地震发生之前,美国一直套用建筑结构抗震设计规范,这次地震对美国桥梁抗震设计的发展是一个非常重要的转折点,十年后,也就是1981年美国联邦公路局出版了《桥梁抗震设计指南》,经过不断的应用与修改,于1992年纳入了美国《公路桥梁标准规范》,也就是常说的AASHTO规范。在1971年旧金山地震后,提出了生命线工程的概念,延性抗震设计也开始被各国重视。美国Loma Prieta地震发生在1989年10月17日,太平洋夏令时间17时04分,震级为M7.0,此次地震的震源深度为16.5km。地震中高速公路880号线双层的cypress高架桥在地震中倒塌,SanFrancisco.Okalalld海湾大桥发生落梁,震后用于修复桥梁的费用估计约为20亿美元。美国学者Bener0在总结这次地震后提出了基于性能的抗震设计理论,基于性能的抗震设计理论是抗震设计理论的一次重大变革。1994年1月17日,当地时间凌晨4时31分,美国加州发生NortMdge地震,震级为M6.7,震源深度为16km。这次地震是美国有史以来造成经济损失最为惨重的一次自然灾害,地震造成Los Angeles市高速公路上多座桥梁严重破坏,交通运输网络被切断,也再一次警示人们交通网络中断的危害性。

1923年9月1日在日本发生8.2级的关东地震,震源深度10km。由于地震强度大,震源浅,再加上当时东京都地区经济发达、人口密度大等因素,地震造成巨大的经济损失,这次地震也使人们意识到桥梁抗震安全的重要性。关东地震的第二年,日本建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震方法,1926年日本制定并颁布了第一部与公路桥梁抗震设计有关的规范。1964年新漏地震后,在1972年制定的《道路桥耐震设计指针·同解说》增加了考虑地基液化的设计内容和防止落梁的构造措施。1995年1月17日,日本发生阪神地震,震级为M7.2,震源深度20km。震后调查结果表明共有320座桥梁遭到破坏,其中27座破坏严重,这次地震使神户地区所有铁路、公路和快捷交通系统均遭受严重破坏,陆上对外交通系统几乎全部中断。地震中最严重的是Hanshin高架桥倒塌,三条高速公路和新干线铁路完全中断,城市生命线工程受到严重破坏。这次地震后,日本对结构抗震的基本问题重新进行了研究,在1996年颁布的《道路桥示方书·同解说V耐震设计篇》中pJ,重新确定了地震作用,明确了震度法、保有水平耐力法及动力反应法使用范围,改善了桥墩变形能力的计算方法和地基液化的判别方法,增加了减隔震设计等内容,这是自1980年颁布此部规范以来的第二次修订,上一次修订是1990年。

在我国,1966年河北邢台地震、1970年云南通海地震、1973年炉霍地震1975年海城地震及1976年唐山大地震中交通运输严重受损,尤其唐山大地震。1976年7月28日发生的唐山大地震,震级为7.8级,震中位置在市区东南部,震源深约11km。地震中桥梁破坏严重,去往唐山地区的交通瘫痪,使运输物资、救援伤员遭受极大阻力。此后交通系统的抗震分析和研究得到了发展,可以说唐山地震是我国桥梁抗震设计的一个重要转折点,从此,抗震研究及设计在桥梁建设中日益受到重视。纵观地震工程学的发展历程,在20世纪60年代研究进入成熟阶段,结构抗震理论的研究已经取得较大进展,1977年我国颁布了《公路工程抗震设计规范》,此后又进行了修改,并于1989年公布,这就是现行的《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004.89)。《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004.89)已经使用了近20年,目前交通部已经要求有关单位进行修订。1994年国务院提出未来lO年的防震减灾目标,1998年我国第一部规范防灾减灾工作的重要法律《中华人民共和国防震减灾法》颁布,它标志着我国防灾减灾工作已经纳入法制化管理轨道,进一步推动了我国地震工程的实际应用和发展。


2桥梁抗震加固技术历史

抗震加固技术的研究,在1971年加州Golder州际高速公路上多座桥梁受到损害,用于桥梁修复的费用达到了l亿美元。此次地震后,美国加州交通局开始启动桥梁抗震加固计划,加固计划分为三个阶段进行,第一个阶段的主要的目的是加强上部结构和下部结构的联系,后两个阶段是同时进行的,其目的是提高墩柱的抗弯强度、抗剪强度及延性、提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力,提高节点的抗剪强度。1971年地震也触发了日本政府对桥梁抗震性能评价的规划,并于1971年、1976年、1979年、1986年和1991年先后5次,完成对日本的公路桥梁地震震害调查。1995年阪神大地震之前,上部结构防止落梁的措施一直是桥梁结构的抗震加固的重心,此后,日本也开始重视基础和桥墩的抗震加固技术。

国内关于桥梁抗震加固比较典型的是对南京长江大桥的加固,而且相关抗震性能分析和加固技术资料描述得也比较详细。我国《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004.89)和《公路桥涵养护规范》(J1'G H11—2004)中对防落梁措施、地基的加固方法和桥墩的抗震加固提出了一些简单要求。这些内容只是停留在定性的水平,与国外相关规程、手册相比,我国桥梁抗震加固缺少了详细的设计、分析、施工技术内容,不利于桥梁结构的抗震加固的实施。根据震害调查结果,目前桥梁结构抗震加固的部位有:上部结构、桥墩加固、盖梁加固、基础加固和桥台加固。上部结构的加固包括支座、伸缩缝处的防落梁措施,采用的方法是增设限位器(如图3所示)、增设挡块、增加支承面宽度、设置L0ck.up Device装置(如吉林松花江大桥、南京长江三桥)。桥墩的加固主要方式有钢套管(如图1.2.1所示)、预应力钢绞线、增加截面和纤维增强复合材料(如图1.2.2所示),其中钢套管和纤维增强复合材料的加固方式应用较多,纤维增强复合材料有碳纤维、玻璃纤维等,用纤维增强复合材料约束混凝土时可采用单一纤维,也可以采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式;盖梁的加固可以采用增设预应力钢筋混凝土加强块的方式实现;基础的加固可以通过增设斜撑杆和增加基础高度的方式;增加沉降板和锚杆可以减少桥台的沉降和水平移动。

图1.2.1  采用限位器防落梁工程实例

 

 

图1.2.2   桥墩抗震加固工程实例

 

3桥梁结构振动控制的研究

通过对桥梁震害进行调查可以发现,遭受严重破坏的桥梁结构主要原因有二:一是上部结构的落梁破坏;二是桥墩抗弯延性不足。目前,世界上多震国家主要通过设计和构造来保证桥梁结构整体的延性能力。传统的结构抗震设计主要是通过加大结构构件的截面尺寸、增加配筋等提高结构强度和刚度来满足抗震设防要求,但震害表明,结构的损伤乃至破坏是不可免的,其维修费用也非常高。随着科学技术的进步,桥梁结构正朝着大跨、高强、轻质的方向发展,使得传统的抗震设计方法已无法满足功能、安全和经济协调发展的要求。1972 年美国华裔学者 Yao J T P教授首次提出了在土木工程结构振动控制的概念之后,这一领域的研究日趋成熟。与传统抗震设计方法相比,结构振动控制技术以较小的代价、灵活的控制策略和控制装置,有效地降低了受控结构的动力响应和罕遇地震作用下的破坏程度。当前的结构防护系统可分为三种类型 :隔震、被动耗能、主动和半主动控制。桥梁结构减隔震能技术经过数十年的研究和发展,已经逐步进入实用阶段,成为传统设计方法之外的一种可供选择的方案。

王光远院士将结构振动控制的概念引入我国,随后国内开展了大量隔震、耗能减震、吸振减震、主动控制、半主动控制和混合控制等方向的研究,并已经在工程中得到应用。目前,在桥梁工程中比较可行的结构控制对策主要包括采用隔震技术、改变桥梁的动力结构体系、采用专门的阻尼器和减震器。桥梁橡胶支座在我国是从1965 年开始研究并投入应用的,它的出现为减隔震技术应用提供了一种极其理想的减隔震装置,广泛应用于桥梁结构中。但是,理论分析与试验研究结果表明,橡胶支座在地震中并不能达到满意的减震效果,尤其是高墩、大跨度桥梁结构。又由于主动控制需要系统各元件长期保持可靠性和电力系统的保证,这一点在地震发生时难以保证,而且地震等破坏因素为偶然事件,从经济角度考虑,目前桥梁工程中应用的抗震减震系统大多是被动控制系统,如江阴大桥、苏通长江大桥、鹅公岩长江大桥、卢浦大桥、东海大桥、柳州宏光大桥都安装了粘滞阻尼器(见图 1.2.3 和图1.2.4)来降低动力响应。其中苏通长江大桥安装的阻尼器。

是在常规阻尼器基础上,在阻尼器双方向上加设了限位弹簧,当结构限位器最大位移超过 750mm时,阻尼器进入两端弹簧限位阶段,限位由非线性弹簧板实现,限位可达最大附加位移 100mm,限位力可达 980t。

从国内外的应用情况看,粘滞阻尼器的设计、制作、安装的技术难度大,价格昂贵,而且养护成本和技术要求高,这些因素可能导致控制装置在地震、台风等灾难性荷载作用过程中不能发挥应有的效用,从而使结构物破坏和生命财产损失,因此,新材料的研发与应用在国内外开展起来,为桥梁减震领域开辟了新的途径,增加了新的动力。

图 1.2.3   梁墩之间粘滞阻尼器安装示意图

 

 

图  1.2.4   梁和梁之间阻尼器

 

4展望

通过多年来对桥梁结构的抗震研究心得,笔者希望今后能在以下领域有新的突破:

1) 构造细节。

目前桥梁抗震设计中有许多问题不能定量描述,仍需根据震害、概念设计及定性研究的成果提出细部构造。美国、日本、欧洲桥梁抗震设计规范对结构的细部构造都比较重视,我国建筑结构抗震设计规范中关于细部构造也比较详细,工程师在设计时比较容易操作。与之相比,我国桥梁抗震设计规范相关条款比较粗糙。

2)桥梁结构抗震设防标准及性能的定量研究。

桥梁结构的抗震设防标准是我们仍在面临的问题,尤其是大跨度桥梁的设防标准目前没有定论。许多专家、学者一直在提倡分级设防,对于每一级别结构的性要求也进行了定性描述,对于工程师来说这些定性的描述无法指导设计,只有将这些描述量化到强度、变形、延性等才能真正实现多标准、多设防的目标。

3) 减隔震技术的研究与应用。

美国、日本等抗震先进国家推荐使用新技术保障结构地震安全,在存在问题的大桥上安装阻尼器,如美国 Los  Angeles 的 I-5 和 91 号高速公路连接桥、美国 Saint Louis 的Poplar街桥和Abernethy 大桥、美国 San  Francisco-Okaland 海湾大桥、英国 Millennium 桥等都安装了粘滞阻尼器。耗能减震技术在我国桥梁上的应用实例较少,我国首座在减震加固补强中使用阻尼器的是江阴大桥,要是以减少桥梁纵桥向地震反应为主,而且耗能减震装置的设计、制作仍以国外技术为主导,直接影响着新技术在我国的发展与应用。在 我 国 《 建 筑 抗 震 设 计 规 范 》 (GB50011-2001)[17]中增加了“隔震与消能减震设计”,给出了基本原则和方法,虽然条文叙述简单,但是体现出振动控制已经成为建筑结构抗震设计中的一个重要部分。我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ-2004-89)是 20 纪 80 年代末制订的,没有振动控制的相关内容,应尽快将其纳入设计规范,以动振动控制技术在桥梁减隔震技术的发展。另外,新材料的研发与应用也应作为一时期的重要研究内容。经过几十年的研究与发展,桥梁抗震技术有了长足的发展,但是由于桥梁结构的复杂性,使一些先进的技术无法直接得到应用。桥梁抗震的研究需要一批长期从事该领域研究的学者、工程师进行长期、大量的研究,为国桥梁抗震研究打开新的局面。