橋梁抗震措施研究若干進展

陳相宇

(南昌大學(xué),江西 南昌 330031)

橋梁作為道路重要組成部分,在交通及其發(fā)展中發(fā)揮不可替代的作用。近年來,隨著國家經(jīng)濟與科技進步,我國橋梁工程建設(shè)發(fā)展迅速。部分在建或建成橋梁位于地震高發(fā)區(qū),面臨地震破壞威脅。諸如1976年唐山大地震、2008年汶川地震等震害中,橋梁損壞導(dǎo)致交通中斷直接影響救援工作的進度,擴大次生災(zāi)害的影響。橋梁工程建設(shè)成本高,其結(jié)構(gòu)一旦遭受破壞,震后修復(fù)困難[1]。為實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi),橋梁抗震研究工作受到重視,通過深入研究橋梁抗震工作,旨在提出更合理的抗震措施以提升橋梁抗震性能,推動其結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化,為橋梁建設(shè)提供技術(shù)保障。

1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論

結(jié)合國內(nèi)外多次地震記錄分析整理后,橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論得以不斷發(fā)展。在結(jié)構(gòu)抗震分析早期階段采用靜力理論,其局限性是忽略了地震動特性與結(jié)構(gòu)動力特性,不能考慮慣性力。隨后同時考慮地面動力特性與結(jié)構(gòu)動力特性的反應(yīng)譜理論被提出,由于強震下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大塑性變形,故使用反應(yīng)譜理論計算需引入強度折減系數(shù)R。盡管反應(yīng)譜理論形式為靜力計算,但普適性較前者更優(yōu),長時間內(nèi)反應(yīng)譜理論陸續(xù)應(yīng)用于各國抗震規(guī)范[2]。1971年,新西蘭學(xué)者提出結(jié)構(gòu)延性與能力保護設(shè)計相結(jié)合的能力設(shè)計原理,即基于強度的抗震設(shè)計方法。

二十世紀(jì)末取得新發(fā)現(xiàn)：震害中人員傷亡較以往大幅減少但經(jīng)濟損失較大。基于性能的抗震設(shè)計方法在此背景下被提出并形成抗震設(shè)計新思路：對結(jié)構(gòu)采取合理設(shè)計和適宜抗震措施,達到安全經(jīng)濟的平衡優(yōu)化[3]。我國現(xiàn)行規(guī)范要求“小震不壞,中震可修,大震不倒”,屬于該設(shè)計理論新思路的價值體現(xiàn)。

2 橋梁防落梁裝置及減隔震裝置

橋梁上、下部結(jié)構(gòu)在地震中相對錯動較大易出現(xiàn)落梁現(xiàn)象,防落梁裝置限制上部結(jié)構(gòu)位移能有效防范。1964年,日本的抗震設(shè)計規(guī)范中首次引入防落梁構(gòu)造方法,由于防落梁裝置設(shè)計采用靜力方法故存在忽略結(jié)構(gòu)動力特性與裝置阻尼特性的不足。美國AASHTO規(guī)范規(guī)定從合適有效擱置長度的確定與限位裝置的設(shè)計來考慮橋梁防落梁裝置的設(shè)計[4]。基于橫縱向防落梁裝置、限位裝置功能構(gòu)造設(shè)計等要求外,我國《中國橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》主要通過規(guī)定限制梁擱置長度保證裝置安全可靠。

設(shè)置性能穩(wěn)定、效果優(yōu)良的減隔震裝置是橋梁抗震減災(zāi)的有效措施,能夠保證墩臺均勻受力、為上部結(jié)構(gòu)提供柔性支撐。隨著研究深入現(xiàn)已研發(fā)出多種減隔震裝置,部分被廣泛應(yīng)用于橋梁。在減隔震裝置中,阻尼器能夠增加結(jié)構(gòu)阻尼同時耗散能量,又稱耗能裝置；隔震消能裝置具有隔震和耗能功能,能夠耗散地震能量和延長結(jié)構(gòu)周期。

3 橋梁抗震加固技術(shù)

橋梁在地震作用后結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能會下降甚至低于規(guī)范要求,如果拆除、重建將帶來經(jīng)濟消耗與資源浪費。美國在1971年經(jīng)歷圣費爾南多地震后,提出并實施了橋梁抗震加固計劃以修復(fù)受損橋梁,該計劃第一階段為橋梁安裝防落梁裝置并于1989年基本完成。日本受此啟發(fā)先后進行五次全國范圍的橋梁調(diào)查并對國內(nèi)多座橋梁設(shè)置防落梁裝置進行抗震加固。之后美國1989年洛馬·普里塔地震和1994年北嶺大地震對橋梁墩柱造成嚴(yán)重?fù)p壞,美國加州實行了第二階段的獨柱式橋墩加固和第三階段的多柱式橋墩加固[5]。

合理運用抗震加固技術(shù)能有效合理提高橋梁抗震能力。對于上部結(jié)構(gòu),通常采用增設(shè)擋塊或擴大支撐面寬度；對于橋墩抗震加固則通過增大截面面積、外包鋼加固或采用體外預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)；對于基礎(chǔ)加固可利用增加基礎(chǔ)高度或設(shè)立撐桿防止地基土液化。我國現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)有較高的可靠度與安全儲備,由于部分在役橋梁是按以往設(shè)計規(guī)范設(shè)計甚至未考慮抗震設(shè)計,加上長期使用的構(gòu)件老化,存在不同程度的安全隱患[6]。

4 結(jié)語和展望

橋梁是經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其穩(wěn)定可靠同國民經(jīng)濟與生命安全息息相關(guān)。抗震設(shè)計是橋梁防災(zāi)減災(zāi)中的重要一環(huán),結(jié)合國內(nèi)外橋梁抗震措施若干研究現(xiàn)狀與進展,本文從四個方面進行闡述觀點及認(rèn)識：

(1)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論日趨完善,采用基于性能的抗震設(shè)計方法和安全經(jīng)濟平衡的新思想,與新材料、新工藝相匹配的設(shè)計基礎(chǔ)繼續(xù)深化細(xì)化,明確橋梁抗震性能評估；

(2)防落梁裝置能有效防止落梁,現(xiàn)行規(guī)范要求仍較為粗糙,未來抗震設(shè)計規(guī)范對防落梁裝置的構(gòu)造細(xì)節(jié)將深入完善,各結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用獨立量化指標(biāo)；減隔震支座現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各國橋梁,研發(fā)出減隔震效果好、缺陷少、適用性強的新型支座是未來的關(guān)鍵技術(shù)問題。

(3)橋梁抗震加固技術(shù)滿足經(jīng)濟性與功能性要求,能夠提高老舊在役橋梁抗震性能,值得提倡推廣。