地震易損性簡支梁橋抗震加固方案探析
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【摘要】為評估既有簡支梁橋的抗震性能，提出既有簡支梁橋的抗震加固處置策略，文章依據(jù)云南國省干線公路中簡支梁橋的統(tǒng)計資料，利用OpenSees軟件建立了相應的三維有限元分析模型。依據(jù)抗震性能評估結果，針對不同的橋梁震害確定了不同的加固方案，并對組合加固后的樣本橋梁進行了抗震性能評估，評價了組合加固方案對既有簡支梁橋抗震性能的提升效果。
我國既有簡支梁橋的設計主要有三個時期:1990年以前按照1978年實施的《公路工程抗震設計規(guī)范(試行)》［1］進行抗震設計的及未進行抗震設計的橋梁;1990～2008年期間按照JTJ004－89《公路工程抗震設計規(guī)范》［2］進行抗震設計的橋梁;2009年至今按照現(xiàn)行JTJ/TB02－01－2008《公路橋梁抗震設計細則》［3］進行抗震設計的橋梁。由于對抗震設計理念認識的不足，以及經(jīng)驗和技術等因素的限制，我國早期的橋梁抗震設計規(guī)范與現(xiàn)行抗震設計規(guī)范相比，存在明顯缺陷［4］。而我國既有簡支梁橋中大多數(shù)設計于JTJ/TB02－01－2008《橋梁抗震設計細則》頒布以前，存在著不同程度的抗震能力不足的問題，因此有必要對既有簡支梁橋進行抗震性能評估，并有針對性地開展抗震加固處置策略研究［5］。
1既有簡支梁橋抗震加固方案
1．1FRP纖維復合材料加固方案
碳纖維加固法是指利用粘結劑按照設計要求將碳纖維布包裹在混凝土橋墩外側(圖1)，使橋墩和纖維復合材料形成一個受力整體，提升橋墩核心混凝土抗壓性能，進而改善橋墩的抗震延性［6］。纖維復合材料(簡稱FRP)在加固過程中可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢［7］:①碳纖維材料抗拉強度高，耐腐蝕性能好;②碳纖維材料質(zhì)量輕，在改善橋墩抗震性能的同時幾乎不增加其重量，同時也不會增加截面的尺寸;③纖維材料相對柔韌，易于成型，現(xiàn)場施工方便，且工期短。
1．2拉索鏈接式加固方案
目前，拉索限位裝置是防落梁加固中比較常用的抗震措施。將拉索的一端錨固在主梁腹板的托架上，另一端纏繞在墩臺或者錨固在墩臺的托架上，也可以將相鄰兩跨主梁連接起來。該類限位裝置具有緩沖性能好、柔度大、耐久性強以及可控的設計位移量等優(yōu)點，且技術相對比較成熟，在舊橋的抗震加固中應用廣泛［8］。為避免簡支梁橋在地震作用下發(fā)生縱橋向落梁震害和支座的嚴重損傷，本文選用拉索限位裝置對樣本橋梁進行抗震加固研究。拉索限位裝置的布置形式為沿主梁縱橋向布置，用拉索將主梁與橋墩蓋梁、主梁與橋臺連接起來，具體布置形式如圖2所示。
2工程實例
2．1工程概況
根據(jù)云南國省干線公路簡支梁橋統(tǒng)計資料顯示:云南國省干線公路中簡支梁多為跨徑20m的中小跨徑簡支梁橋，下部結構多為圓形截面雙柱墩，上部結構多為空心板梁和T梁。為研究既有簡支梁橋的抗震性能及抗震組合加固方法，以三跨規(guī)則簡支梁橋(20m+20m+20m)為研究對象進行地震易損性分析。樣本橋梁上部結構均為單跨20m的鋼筋混凝土T梁，由左、右分離的5片小T梁組成，小T梁截面梁高1．5m，翼板厚度0．2m，跨中處腹板厚度0．2m，梁端腹板厚度0．4m，采用C40混凝土;樣本橋梁下部結構均為鋼筋混凝土圓形截面雙柱墩，8m墩高簡支梁橋墩身直徑取1．4m，采用C30混凝土，縱筋及箍筋均采用HRB335鋼筋，在橋臺處采用單向四氟乙烯滑板支座，在橋墩處采用板式橡膠支座。本文采用OpenSees建立該橋的有限元模型［9］。對于在地震荷載作用下，基本保持線彈性狀態(tài)主梁，采用彈性三維梁單元模擬;支座采用板式橡膠支座，選用線彈性彈簧單元模擬;最容易發(fā)生損傷的橋墩，選取基于柔度法的非線性梁柱單元進行模擬;本文樣本橋梁有限元計算模型見圖3。
2．2組合加固方案對簡支梁橋地震易損性分析
傳統(tǒng)FRP加固方案雖然可以在一定程度上降低橋墩的彎曲破壞損傷，但也略微增大了支座的損傷概率;拉索限位裝置雖然在降低縱橋向地震作用下的支座損傷概率方面具有顯著的成效，但同時也增加了橋墩彎曲破壞的損傷概率。換言之，單純針對橋墩進行加固時需保證支座有充足的抗震性能，單純對支座進行加固時需保證橋墩有充足的抗震性能，當橋墩和支座的抗震性能均不足時，可以適當考慮采用組合加固方案。圖4和圖5分別給出了組合加固方案加固前后縱橋向地震作用下橋墩支座和橋臺支座的地震易損性曲線。由圖可知，使用組合加固方案后，縱橋向地震作用下橋墩支座和橋臺支座的各損傷狀態(tài)的損傷概率均得到不同程度的降低，同僅使用拉索限位裝置類似，除輕微損傷的損傷概率降低效果較弱，其余損傷狀態(tài)的損傷概率降低較為顯著。圖6給出了各加固方案加固后縱橋向地震作用下橋墩彎曲破壞地震易損性曲線，其中BR表示加固前;FRP表示FRP加固;LS表示拉索限位裝置加固;FRP+LS表示組合加固方案加固。由圖可知，使用組合加固方案后，縱橋向地震作用下橋墩彎曲破壞的輕微損傷和中等損傷的損傷概率較加固前模型有所增加，但較僅使用拉索限位裝置明顯降低;嚴重損傷和完全破壞的損傷概率較未加固模型明顯降低，但較僅使用FRP加固稍有增加。
3結論
依據(jù)既有簡支梁橋抗震性能評估結果，結合多方面的考慮，對比分析了組合加固對樣本橋梁的地震易損性及易損構件損傷程度改善情況，主要結論如下:(1)使用組合加固方案可以在顯著降低縱橋向地震作用下支座地震易損性的同時，降低橋墩彎曲破壞的嚴重損傷和完全破壞的損傷概率。(2)與僅使用FRP或拉索限位裝置相比，在降低支座變形破壞方面基本可以達到僅使用拉索限位裝置的加固效果，可以更好的兼顧了支座和橋墩的地震易損性。(3)在設計簡支梁橋抗震加固時，可結合橋梁各構件的地震需求，合理選取組合加固方案，以得到較好的加固效果。
作者:瞿發(fā)憲 韓璐璐 鄧旭東 單位:云南省公路科學技術研究院 西南交通大學土木工程學院橋梁工程系
