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  • 快速恢復“功力”讓橋梁震后不再脆弱

    隨著我國城鎮化進程的不斷發展,高度集約各類要素資源和經濟社會活動的現代城市對地震等強災害的脆弱性也在不斷展現,導致的經濟損失也在呈幾何級增長。為此,一些學者提出了可恢復性城市的概念,以提高現代城市應對極端災害事件的能力,并在最短的時間內恢復城市的正常功能。

    當前橋梁抗震的基本理念正由抗震、減震向震后功能可恢復轉變。本文綜述了自復位橋墩體系、基于震后橋梁功能快速恢復的橋梁減震耗能技術、基于震后功能可恢復的抗震設計理論等發展現狀,對震后可恢復橋梁結構的發展趨勢進行了展望。

    震后可恢復橋梁結構定義與形式

    震后功能可恢復橋梁是指地震后不需修復或在部分使用狀態下稍許修復即可恢復其使用功能的橋梁結構。目前主要有三種途徑實現橋梁結構的震后可恢復性:1.利用地震中結構的搖擺(rocking),通過結構自重來提供自復位力,控制橋梁震后殘余位移(如圖1a);2.利用在橋墩中合理配置體外預應力,形成自恢復體系(接縫搖擺),減小震后殘余變形(如圖1b);3.通過設置可犧牲消能減震裝置(Energy dissipation device),保護主體承重結構,震后稍許修復或不需修復即可使用。

    實現橋梁結構的可恢復性設計必須首先解決兩個關鍵性問題:一是建立具有震后功能可恢復性的新型結構抗震體系;二是建立面向可恢復性的設計理論體系。

    新型抗震體系與設計理論

    自復位橋墩體系

    在搖擺結構方面,地震工程創始人喬治·豪斯納指出,搖擺結構的穩定性主要隨界面壓力和支撐寬度的增加而增加。當下部結構具有較大的底部支撐,寬度足以保證其整體穩定性時,結構的回復力主要依賴結構自身重力。目前,這方面應用較多的是剛性擴大基礎。美國學者Michael等,還對采用格構式墩柱的搖擺減震體系橋梁,開展了結構地震響應分析和振動臺模型試驗研究。管仲國等提出提離式樁基礎減震體系,并進行了擬靜力和震動臺試驗研究,初步探討了提離式樁基礎橋梁的自復位特點。

    Priestley等首先提出應用無粘結預應力節段預制拼裝體系,來減小殘余位移和結構損傷。Mander等較早開展了無粘結預應力混凝土柱的抗震性能試驗研究。結果顯示,無粘結預應力筋的引入,可以顯著提高墩柱結構的自復位能力,減小殘余位移,滯回曲線呈明顯的旗幟形特征(如圖2)。Makris的研究表明,滯回性質表現為非線性彈性的純搖擺橋墩,由于耗能能力不足,導致位移需求較大。

    為了提高自復位橋墩的耗能能力,Palermo研究了耗能鋼筋以及采用不同耗能鋼筋的預應力混凝土墩柱抗震性能。結果顯示,內置耗能鋼筋可以明顯提高墩柱的阻尼耗能,但也會加重混凝土的破壞,同時增大墩柱的殘余位移。Roh研究了采用形狀記憶合金作為耗能鋼筋的無粘結預應力柱的抗震性能。結果表明,形狀記憶合金作為耗能鋼筋可以增加預應力柱的耗能能力,同時形狀記憶合金提供的恢復力還可以減小殘余位移。Guo進行了外置耗能桿件的影響研究。結果顯示,適當設置外置耗能桿件的數量,可將無粘結預應力節段柱的等效阻尼比提高至10%~15%。

    在橋墩搖擺過程中,搖擺界面的局部承壓可能會造成保護層混凝土的剝落和腳點混凝土的壓碎,以及無粘結預應力筋的預應力損失。為了減小接縫處的損傷,已形成以下解決方案:

    1.通過約束來提高混凝土的抗壓承載能力。約束混凝土最常用的方法是使用箍筋。其他研究者也使用鋼套筒或雙層鋼殼來提供更優良的約束性能。此外,由于FRP或CFRP重量輕、強度高、耐腐蝕性好、安裝方便,是一種很好的約束材料。

    2.用低損傷材料代替塑性區的混凝土。Motaref等人研究了使用彈性橡膠墊和ECC作為塑性鉸的抗震性能。王震等人在塑性鉸區,采用超高性能混凝土作為外置可更換板,只需在震后更換耗能器及外置UHPC板。其他低損傷材料包括纖維增強混凝土、聚氨酯等。

    3.采用特殊的連接裝置分散壓應力和減輕沖擊。Mitoulis和Rodriguez提出了一種新型可恢復性鉸。該鉸使用鋼柱支撐,弧形凹槽提供相對轉動能力,四周設置預應力鋼筋提供恢復力。值得注意的是,這種鉸將產生很大的傾覆力矩,需要強大的恢復力矩來克服傾覆力矩。

    在無粘結預應力預制拼裝橋墩分析、計算方面,Dawood、Megally等采用三維有限元模型,結合擬靜力試驗,對體外預應力節段拼裝橋墩的受力性能,特別是預制拼裝橋梁接縫開展、閉合和接觸滑移等模擬以及對柱抗震性能的影響行為進行了研究。Kwan等采用數值分析方法,研究了普通鋼筋配筋率和無粘結預應力筋配筋率,對無粘結預制拼裝橋墩抗震性能的影響。在無粘結預應力預制拼裝橋墩計算、分析方面,如何模擬墩柱搖擺裂縫的開展和閉合(接觸)是一項新的挑戰。Marriott、Trono等在接縫面采用僅受壓不受拉的多彈簧,模擬接縫面的開展和閉合,并與擬靜力試驗結果進行了對比。近年來,我國一些學者也對預制拼裝橋墩各種連接類型構造,開展了力學行為研究。葛繼平等開展了預應力筋連接方式預制拼裝橋墩抗震性能試驗和數值分析研究。布占宇等學者開展了節段拼裝混凝土橋墩抗震性能數值分析研究。他們利用纖維模型方法對無粘結預應力節段拼裝橋墩進行擬靜力試驗仿真分析,并通過與試驗結果比較,驗證了計算方法的正確。但這些研究主要側重的是預制拼裝橋墩抗震性能,而不是自復位性能。

    減震耗能技術

    橋梁的減隔震設計是通過隔震裝置來延長結構周期、耗能裝置來耗散地震能量。自上世紀70年代以來,減隔震技術在世界范圍內引起廣泛關注,在理論研究和工程應用中取得了巨大進展。經過近40年的研究,發展了橡膠類減隔震產品和摩擦類減隔震產品等。這些減、隔震支座和耗能裝置已被廣泛應用到建筑和橋梁結構中,取得了較好的效果。

    然而,橡膠類減隔震支座的豎向承載力受其水平變形狀態影響,可能發生大剪應變下的壓潰問題。美國AASHTO減隔震設計規范明確規定,橡膠類減隔震支座的受力狀態檢算應同時考慮豎向力和水平地震力的應力作用。Oh和Caner等也指出,橡膠類減隔震支座性能對環境溫度具有敏感性。摩擦擺式支座主要依賴支座的摩擦幅進行耗能減震,相比橡膠支座其地震位移響應一般更大,且受地震波頻譜特性的影響較大。此外,Shen、Yang、江輝等國內外學者的大量研究表明,近斷層地震會明顯增大減隔震橋梁的減隔震位移需求,并可能超出連接裝置的極限變形而導致連接失效。Park對1999年土耳其Bolu橋的震害調查顯示,由于斷層滑沖效應大大增加了隔震支座位移需求,造成減隔震裝置破壞。汶川震后震害調查發現,板式橡膠支座梁橋典型震害形式為,支座滑動后產生過大墩梁相對位移導致的落梁震害、梁體移位、支座和擋塊破壞等。墩柱和基礎損傷一般較輕,由于震后梁體位移過大,給震后橋梁功能恢復帶來很大障礙。

    近年來,一些學者提出將橋梁的豎向承載系統(自重和活載)與水平承載系統(地震作用)分離的設計理念。即豎向承載系統僅主要承載豎向荷載作用,地震作用下的水平力由獨立的水平承載系統承擔。在正常使用條件下,水平承載系統即可視為非結構性構件,其損傷不會影響結構的豎向承載性能,因此可以最大限度保證震后橋梁的通行功能。此外,震后對水平承載系統的修復或者更換也不會影響結構的豎向承載性能,進而達到對既有交通免干擾或者微干擾的目標。Iemura提出一種滑動支座和橡膠支座組合的可復位式減隔震系統,利用普通滑動支座提供豎向支撐和水平摩擦耗能、分層彈性橡膠提供彈性回復力。這種方式可以采用耐久性較好的鋼支座,根據地震風險的大小靈活設置分層彈性橡膠回復力參數。同時,更換分層彈性橡膠裝置不影響結構的豎向承載力,不影響既有交通。李建中針對汶川地震梁體位移過大的情況,提出采用X形彈塑性阻尼器控制梁體位移。El-Bahey建議采用防屈曲約束斜支撐(BRB)用于加固既有橋梁的抗震性能,可有效保護主體結構,同時易于震后更換。此外,將豎向承載系統和水平承載系統進行分離的設計,也在一些大跨度橋梁得到了應用。例如奧克蘭海灣橋依靠四個分離的塔柱承擔豎向荷載,塔柱間的剪切耗能構件主要用于結構減震,易于更換。

    抗震設計理論

    自美國學者于20世紀90年代初提出了基于性能的抗震設計思想(Performance-based Seismic Design,PBSD)以來,世界各國對基于性能的橋梁抗震設計進行了大量研究。對于橋梁結構,一般橋梁墩柱設計為延性構件,地震作用下發生彈塑性變形,耗散地震能量;而橋梁基礎、結點和梁體設計為能力保護構件,地震時基本不發生損傷。為此,國內外學者對橋梁墩柱的性能指標、損傷水平,進行了大量研究。研究重點為:不同設防水準地震下,橋梁墩柱性能目標的定量描述;橋梁墩柱性能指標(延性、位移、能量耗散)與結構損傷之間的定量關系;基于性能的橋梁抗震設計方法等。對于梁式橋,大量研究表明,墩頂的位移或延性是表示橋墩損傷水平的重要指標,確定橋墩目標位移和目標延性是橋梁基于性能抗震設計關鍵的一步。Kowalsky等在對大量的圓形、矩形鋼筋混凝土截面彎矩-曲率分析的基礎上,系統地提出了墩柱以損傷為基礎的目標位移確定方法,從而建立了橋梁結構單墩體系基于性能抗震設計方法的框架。對于比較規則的梁橋結構,國外大多數的研究是采用基于位移設計方法來實現基于性能的抗震?;谛阅艿目拐鹪O計思想考慮投資和效益平衡,對不同發生概率的地震采用不同的結構性能等級。震后功能可恢復橋梁設計理論,在理論框架上是基于性能設計的一部分,側重點在震后功能恢復方面。

    現行國內外橋梁抗震規范,如美國AASHTO和歐洲橋梁規范還是基于不倒塌的結構抗震設計,關注的重點是結構的極限變形能力。中國橋梁抗震設計規范盡管是按兩級設防標準進行抗震設防的,但實際都是重點驗算了罕遇地震下的結構性能。如何從基于不倒塌的抗震設計,過渡到基于震后可恢復功能橋梁抗震設計,是目前各國學者所關注的抗震熱點問題之一。

    結構的損傷程度一般與結構的最大響應相關,但從結構震后使用功能和震后修復需要的角度,更關注結構的殘余裂縫和殘余位移等。如日本道路協會明確規定,橋梁結構滿足可修復的性能標準,其墩柱殘余位移不應超過1%。Priestley指出,當鋼筋混凝土結構殘余裂縫寬度超過1mm時,必須進行加固。事實上,橋梁結構的震后修復不僅與結構自身的損傷有關,還與損傷的發生部位、橋址區域的環境、交通等息息相關。例如2008年,汶川地震中廟子坪大橋5號主墩發生開裂損傷,殘余裂縫寬度約0.8mm,但由于發生損傷的部位位于水下70m深處,最終采用外加鋼套箱和水下混凝土加固方式,聘請專業潛水員進行水下檢查、表面鑿毛和鋼套箱安放等作業。整個檢查、設計、論證與施工歷時1年,耗資2000余萬元。

    新材料、新結構的機遇

    震后可恢復橋梁結構研究,為新材料的應用、新結構體系的創新提供了新的機遇。利用UHPC、ECC、SMA等新材料提高震后可恢復橋梁結構抗震性能的研究,已經成為近年來的熱點。在分析和總結無粘結預應力預制節段橋墩特點的基礎上,研究構造簡單、具有殘余位移小,墩身損傷低、耗能能力強的新型自復位預制拼裝橋墩的合理構造,發展適合工業化建造的震后可恢復橋梁結構,是國內外學者關注的熱點問題。此外,目前的預應力預制節段拼裝自復位橋墩體系,主要是采用擬靜力試驗方法,研究采用不同接縫構造和設置不同耗能裝置下單墩的自復特性,但對地震(動力)作用下,橋墩接縫處的搖擺機理和接縫力學行為等,缺乏基礎性研究。

    當下,橋梁減、隔震設計的主要關注點還是減少橋梁下部結構所受到的地震力,較少關注震后減、隔震裝置和梁體的殘余位移,也很少考慮減、隔震裝置發生地震損傷后的快速修復以及更換問題。從滿足震后橋梁功能快速恢復和避免對既有交通影響的目標出發,開展對現有橋梁減、隔震體系與裝置的震后使用功能進行評估,研究新型豎向承載系統與水平承載系統分離的橋梁減震、耗能體系勢在必行。

    在性能評價指標及設計理論方面,既有的橋梁抗震設計理論,在結構的性能目標上偏重結構的損傷與安全,并不能直接反映震后功能快速恢復的需要。未來,多層次損傷控制指標體系有待建立;基于結構整體響應形態、殘余變形、材料應變性態的多層次震后可恢復橋梁結構抗震設計理論有待提出。

    同時,震后可恢復橋梁結構應具有經濟性、耐久性,符合綠色環保理念,建造和維修過程對公共和環境影響最小。

    開展震后可恢復性橋梁結構新體系與設計理論研究,不僅有助于引領國際橋梁結構抗震的新發展,占領理論和技術的高地,同時也符合我國當前和未來發展的實際需要。

    本文刊載 / 《橋梁》雜志 2021年 第1期 總第99期

    作者 / 李建中 鐘學琦

    作者單位 / 同濟大學橋梁工程系

    未經允許不得轉載:新美葉景觀橋梁服務商 » 快速恢復“功力”讓橋梁震后不再脆弱

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