日本混凝土橋墩的抗震補強設計與加固方法

摘要：簡要介紹日本鋼筋混凝土橋墩抗震補強設計流程方法和補強加固方法，并對補強加固方法特點做了歸納總結。最后對我國現有的橋梁進行抗震補強的重要性進行了闡述。

關鍵詞：日本；混凝土橋墩；抗震補強設計；補強加固方法

地震因其發生的突然性和巨大破壞力被列為各種自然災害之首。橋梁作為抗震救災生命線之一的公路的咽喉要道，在保障公路通暢中起著至關重要的作用。日本是地震頻發的國家，從1995年兵庫縣南部大地震受災以來，日本于1996，2002年兩次對抗震設計規范進行了大幅度修改和完善，提高橋梁的抗震性能。同時根據新的設計要求，對未受地震毀害的既有橋梁也制定抗震設計方法和加固補強方法。按此方法對日本既有橋梁展開抗震性能診斷并對危險橋梁采取了加固補強措施。

1、設計流程

首先進行設計前準備工作。包括收集設計計算書，竣工圖等相關資料以及橋梁補強維修等記錄報告，進行實地勘察，確定實地的施工等制約條件，根據現有資料整理設計條件。之后按照既有橋墩的補強設計流程圖(圖1)進行設計.

2、既有橋墩現況驗算

根據耐震性能的要求，對既有橋墩采用地震時保有水平耐力法進行驗算。地震時保有水平耐力法是考慮構造物塑性域的水平耐力和變形性能，按照能量一定準則推算出等效的彈性強度的靜力計算方法。

2.1設計地震加速度

既有橋墩的驗算時，不使用概率較大強度的level1地震，而使用概率較小的大強度level2地震。其中level2地震又分成兩類：板塊邊界型TypeⅠ地震(如1923年關東大地震)；內陸直下型TypeⅡ地震(如阪神地震)。

2.2橋墩耐力

受彎水平耐力在上部構造慣性力作用位置加載水平力，考慮箍筋橫拘束效果的混凝土和鋼筋的應力應變曲線關系，計算出受彎引起的開裂，初降伏，終局時的彎矩和曲率，推算出水平耐力以及相對應的水平位移。開裂是受彎側混凝土斷面最外側達到混凝土抗彎強度時。初降伏是受彎側混凝土斷面最外側鋼筋達到屈服強度時。終局時是受壓側最外側鋼筋位置的混凝土達到混凝土抗壓極限強度時。橋墩剪切耐力是考慮到諸方面的影響因素由混凝土和鋼筋剪切耐力共同承擔。

2.3破壞型態的判定

2.3.1段落部破壞的判定

段落部是指橋墩的基部到墩帽之間主筋量發生變化的位置。按照以下公式判定。

(MTy0/ht)/(MBy0/hb)＜1.2時：段落部破壞

(MTy0/ht)/(MBy0/hb)≧1.2時：基部破壞

式中，MTy0：段落部斷面的初降伏彎矩

ht：段落部斷面到上部構造慣性力作用位置的高度

MBy0：橋墩基部斷面橋墩初降伏彎矩

hb：橋墩基部斷面到上部構造慣性力作用位置的高度

2.3.2基部破壞的判定與地震保有水平耐力

由2.2計算得到橋墩終局時水平耐力與剪切耐力按照以下公式比較判定破壞型態。

(1)Pu≦Ps彎曲破壞型：Pa＝Pu（且Pc＜Pu）

(2)Ps＜Pu≦Ps0受彎到剪切破壞的漸變型：Pa＝Pu

(3)Ps0＜Pu剪切破壞型：Pa＝Ps0

式中，Pa：地震保有水平耐力；Pu：終局時水平耐力；

Pc：開裂時的水平耐力；Ps：剪切耐力；Ps0：地震正負交互影響相關輔正系數Cc＝1.0時的橋墩的剪切耐力

2.4安全性的判定

橋墩安全性按照以下公式的要求進行判定。

(1)Pa≧khc#8226;Ｗ

(2)δR≦δRa

式中，Ｗ：橋墩等價重量Ｗ＝Ｗu+Cp#8226;Ｗp

Ｗu：橋墩支持上部構造重量

Cp：等價重量算出系數（彎曲破壞型或受彎到剪切破壞的漸變型：Cp＝0.5;剪切破壞型：Cp＝1.0）

Ｗp：橋墩軀體重量

δR：橋墩殘留變位δR＝CR(μr-1)(1-r)δy

CR：殘留變位輔正系數(鋼筋混凝土橋墩CR＝0.6)

r：橋墩降伏剛性與降伏后2次剛性比(鋼筋混凝土橋墩r＝0)

δy：橋墩降伏變位

μr：橋墩應答塑性率μr＝1/2{(Khc#8226;Ｗ/Pa)sup2;+1}

δRa：橋墩殘留變位的容許值（橋墩基部到上部構造慣性力作用位置的高度1/100）

3、補強方法的選定

根據橋墩現況驗算結果，和對經濟性，施工性和外界制約等進行綜合評價，最終選定一種補強方法。最主要有以下3種補強方法。

3.1鋼筋混凝土補強

在既有橋墩的外側配置主筋和箍筋后澆注混凝土。一般混凝土厚度250mm～500mm。在承臺中嵌入錨固鋼筋大幅度提高橋墩受彎耐力。增加箍筋的鋼筋徑提高橋墩剪切耐力。增加橫向箍筋的體積比提高橋墩整體延性。施工造價比較低，實際工程案例多。

3.2鋼板補強

在既有橋墩的外側包裹鋼板，在鋼板和混凝土之間加水泥砂漿或樹脂等填充材粘結密實。一般厚度在30mm以下。在承臺上嵌入錨固鋼筋提高橋墩受彎耐力。增加鋼板厚度提高橋墩剪切耐力和整體延性。不增加橋墩自重。施工造價相對高，實際工程案例比較多。

3.3碳素纖維膜補強

在既有橋墩的外側包裹碳素纖維膜，提高橫向拘束效果的同時，代替了主鋼筋的作用。一般厚度在10mm以下。主要用于提高段落部的受彎耐力。可以和前2種方法組合使用提高橋墩受彎耐力。增加碳素纖維的包裹層數提高橋墩剪切耐力。不增加橋墩自重。施工造價相對高，實際工程案例少。

4補強后橋墩的驗算

通過補強方法加固設計，對橋墩既有和新設的復合斷面進行計算。得到橋墩的受彎耐力，剪切耐力，再按照地震時保有水平耐力法進行安全性的判定。有段落部時，還應滿足基部破壞的判定條件。如果判定不滿足，就需要分析原因，重新調整補強方法，最終達到安全性判定要求。在特殊的條件下，使用地震時保有水平耐力法總是不能滿足驗算要求時，可直接使用動力反應分析法進行安全性的判定。

5、結語

我國從改革開放以來大力發展公路鐵路等基礎設施建設，今后十幾年將面臨大量危舊橋的局面。在2008年8月發布，10月1日實施《公路橋梁抗震設計細則》以前，建成的橋梁都采用單一的設防標準，沒有采取足夠的構造措施來保證橋梁結構的整體延性，也沒有采用能力設計的思想來防止橋墩等構件的剪切破壞。因此對已修建橋梁，按照更為先進的設計思想進行抗震性能評價，根據評價的結果采取相應的抗震加固措施，就顯得十分必要。以上表明日本的鋼筋混凝土橋墩補強設計充分考慮設計地震力的設防等級和橋墩的延性特點之后進行抗震性能評價的設計方法，并大量應用于阪神地震后的實際橋梁補強的工程中。值得國內橋梁工作者學習和借鑒。

參考文獻：

[1]日本道路協會.道路橋示方書·同解說Ⅳ下部構造篇[M].東京：日本道路協會，2002

[2]日本道路協會.道路橋示方書·同解說V耐震設計篇[M].東京：日本道路協會，2002

[3]日本道路協會.有關既設道路橋抗震補強設計的參考資料[M].東京：日本道路協會，1997

[4]海洋架橋·橋梁調查會.既設橋梁抗震補強工法事例集[M].東京：海洋架橋·橋梁調查會，2005

作者簡介

張春軼（1973-），男，大連人，工程師，主要從事日本橋梁設計，本科，大連渤海檢測有限公司

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