桥梁抗震加固技术现状及发展趋势分析
2015-03-24
0.前言
尽管我国依据近年来频发的地震灾害制订了桥梁抗震设计规范，并针对桥梁抗震性能提出了较高的要求，但我国大多数在役公路桥梁并不能达到设计规范所制定的标准，抗震能力值得怀疑，这也导致我国目前公路网中桥梁的抗震能力较弱。这种背景下已修建桥梁，特别是处于地震多发地带的桥梁，需要按照更为先进的设计思想进行抗震性能评价，并根据评价的结果采取相应的抗震加固措施，加快研究公路桥梁抗震加固技术。
1.桥梁震害种类
地基震害：地震发生后桥梁的地基发生沉降或不均匀沉降的情况，使地面发生较大的变形，地层也随之发生水平滑移、下层、断裂等现象。如果发生地基震害，将会使桥梁坍塌，给震后的桥梁修复工作带来极大的困难。
桥台震害：主要表现为桥台与路基一起滑动，移向河心，导致桥头、重力式桥台的胸腔及桩柱式桥台的桩柱发生不同程度的沉降、开裂、倾斜和折断等情况。
支座震害：某些桥梁的支座设计，并没有充分考虑到抗震的需求，所以在某些支座形式和材料上存在着缺陷，在连接与支挡等构造措施上存在不足，导致支座在地震能量的作用下会发生较大的变形和位移。
桥墩震害：当地震发生后，桥墩在地震能量的作用下，会发生不同程度的倾斜、沉降、滑移、开裂、剪断和钢筋裸露扭曲等问题，严重影响到桥梁的平衡和牢固，桥梁面临随时倒塌和倾倒的情况。
2.桥梁抗震加固的意义
如今我国很多桥梁特别是依据旧规范修建的老桥，或因设计、施工以及使用上的种种原因存在不同损伤的桥梁，均处于无法满足交通拥挤、车辆猛增的状况。与其选择耗费大量人力、物力去重建这些桥梁，不如采用适当的加固技术，可有效恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力、延长桥梁的使用寿命。采用此法不但可以节省大量投资，亦可通过维修和加固旧桥消除交通安全隐患，以提高公路通行能力和服务水平、满足现代化交通运输的需求。
3.桥梁抗震加固技术现状
3.1国外抗震评估研究现状
总结国内外桥梁抗震加固文献可以发现，在开始桥梁抗震加固设计时，通常分为两个固定阶段： 首先是对既有桥梁进行抗震能力评价，识别易损部位或构件，确定最危险及最需要加固的结构，可称为优先研究阶段；其次是对需要加固的桥梁进行详细的结构分析阶段。
美国"日本等地震区国家在上世纪七八十年代就开展了桥梁抗震加固方面的研究，并进行了大量桥梁构件抗震加固试验和数值分析研究，特别是在防落梁装置和桥墩加固技术方面的研究，已取得很好的成果，并编制了相应的桥梁抗震加固手册或指南，用于指导既有桥梁的抗震加固。在抗震评估的优先研究阶段，美国和日本等国主要从以下几个主要方面着手：桥梁结构的重要性；结构本身的特点及结构的易损性；基础及场地的特征，主要包括砂土液化的可能性、场地土的类型等；桥梁所在地区的设防烈度及近断裂基岩对桥址的影响。
3.2我国抗震评估研究现状
近年来，随着地震对桥梁造成灾害损失的增多，我国学者也开始对桥梁的抗震加固技术和理论进行研究，杨新宝对桥墩的抗震加固技术进行了试验研究，同时对桥梁抗震性能评价方法进行讨论； 国内其他一些学者也对国内外桥梁抗震加固技术进行了介绍和讨论。
然而，必须承认的是，我国目前在桥梁抗震评估方面的研究工作处在起步阶段， 在桥梁抗震加固技术的研究和实践上，我国与国际水平相比仍有相当的距离。公路桥梁的抗震评估和加固至今仍没有相应的标准，对哪些桥梁可能会在地震中损坏甚至倒塌尚不清楚。在确定需要加固的桥梁后，须对其现有的抗震性能进行详细的评估，这是选择加固方法和措施的基础，而我国面临的最大问题恰恰是如何进行既有桥梁抗震能力的评价，特别是对有缺陷构件的抗震能力如何进行评价，需要相关的指南以及分析方法等，按照这些指南或规范提供的方法对其进行分析，进而按照所得的详细地震分析结果来判定失效或损伤的危险程度，以及是否需要进行加固设计。
3.3桥梁抗震加固现有具体措施
针对桥梁在地震中的震害类型，目前，国内外桥梁抗震加固主要采取以下技术措施： 在伸缩缝、铰和梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块或者增加支承面宽度等措施，以防止落梁震害的发生； 增加钢筋混凝土桥墩的横向约束，提高其抗弯延性和抗剪强度，防止桥墩弯曲和剪切震害； 采用减隔震技术及专门的耗能装置，提高桥梁的抗震性能。例如采用铅芯橡胶耗能支座等。
以美国为例，桥梁抗震加固分三个阶段：第一个阶段包括在伸缩缝和铰处安装阻尼装置，以防止落梁震害。这一阶段的主要目的是加强上部结构和下部结构的联系，以抵抗竖向加速度，以防止上部结构构件从支承上滑落。第二阶段是加固独柱式桥墩，第三阶段是加固多柱式桥墩。这两个阶段几乎是同时进行的，主要方法是提高墩柱的抗弯延性和抗剪强度、提高盖梁、上部结构基础与桥台的承载能力，提高结点的抗剪强度。
4.桥梁抗震加固技术发展趋势
从桥梁震害调查中发现，遭受严重破坏和倒塌的桥梁结构，绝大部分是源于落梁和抗弯延性不足。因此，强调桥梁结构整体的延性能力，或是在原有规范的基础上，相应地对保证桥梁结构整体的延性能力，并通过设计和构造保证桥梁结构的整体延性能力，这已成为世界主要的多震国家地震工程界的共识。从加固的对象上来看，美国、日本等桥梁抗震加固水平最高的国家，已经把加固的重点从以前单一的防落梁构造措施，转移到重视桥墩整体延性上来，以保证加固后的桥梁与新建桥梁的抗震能力相当。
另外，过去单纯“强度抗震”设计的指导思想在今天也被提出改进。国内外地震工程研究人员总结了近年来国内外的震害资料，研究考虑基于性能的抗震设计原则。这将会成为未来结构抗震设计规范的基本思想。抗震设计的性能指标，可以是单一指标，也可以是多指标或组合指标。
在研究手段方面，整个抗震工程学都出现了越来越重视和依靠地震模拟试验的发展趋势。应该注意到现在的试验已经不再是传统意义上的简单试验，而是和现代科技融为一体的高科技试验，譬如大比例尺甚至足尺结构和构件的地震模拟试验等。
5.结语
桥梁的抗震加固并不是一时的工作，恰恰相反，桥梁加固耗时良久并需要不断进行检查纠正。在相关桥梁抗震加固的领域中，国外技术研究已经打下了坚实的基础，有利于我国技术人员参考吸收相关经验，并结合本地桥梁特有的结构，在经过反复试验后总结出有着鲜明中国特点的桥梁抗震加固技术，大面积进行推广应用，为提高我国公路桥梁的抗震性能和抵御地震灾害的能力提供可靠的技术保证。
