公路混凝土梁式桥抗震性能鉴定

何燕清,危　艳(.福州大学至诚学院,福建福州　350000;.厦门工学院,福建厦门　360)

公路混凝土梁式桥抗震性能鉴定

何燕清1,危艳2
(1.福州大学至诚学院,福建福州350000;2.厦门工学院,福建厦门361021)

摘要:基于公路桥梁抗震设计细则,借鉴国内外现有建筑和铁路抗震鉴定规范,将基于模糊层次分析法的公路梁式桥震害预测方法引入初步筛选的工作中,分初步筛选、一级鉴定和二级鉴定3个步骤,提出适用于抗震设防加速度为0.05g、0.10g、0.15g、0. 20g、0.30g和0.40g地区公路混凝土梁式桥抗震性能鉴定的流程建议,并给出桥梁抗震鉴定记录的报告格式,对鉴定过程及结果进行记录。

关键词:桥梁工程;抗震性能鉴定;模糊层次分析法;公路梁式桥

国内在役公路梁式桥数量庞大、地震风险极高,对其抗震性能的准确鉴定,应建立在规范化的方法上。针对公路桥梁,国外如美国和日本都制定了相应的指南来指导抗震性能鉴定工作。文献［1－2]在制订加固方案时采用多因素分级鉴定,更加注重加固设计的经济分析,从而有效减少了加固项目的费用。日本公路结构物抗震鉴定利用已有桥梁震害数据,用统计学原理得出实用的易损性鉴定方法,用于桥梁抗震性能鉴定的初步筛选中,对研究公路桥梁抗震鉴定有一定的参考价值［3－6]。

然而,国内在建筑行业和铁路行业有结构抗震鉴定规范［7－8],公路桥梁仍无相应的抗震鉴定规范。为此,本文在文献［9]的基础上,参考国内外建筑、公路和铁路行业相关的抗震鉴定规范及文献［10],将基于模糊层次分析法的公路梁式桥震害预测方法引入初步筛选的工作中［11－13],分初步筛选、一级鉴定和二级鉴定等3个步骤,提出适用于中国在役公路混凝土梁式桥的抗震性能鉴定流程。

1　桥抗震性能鉴定概述

文献［9－10]给出了不同重要性桥梁对应的设计基准期。对于使用时间较长甚至接近设计基准期的桥梁,若仍按新建桥梁的设防标准作为桥梁设防目标,会存在施工困难、费用昂贵等问题。故以剩余使用寿命为设计寿命的20%为标准,建议当桥梁使用年限接近设计基准期时,可降低一级重要性等级［2],如表1所示。

按照文献［9]规定的设防目标及“三水准”要求进行相应等级的鉴定,本文所建议的鉴定流程图适用于抗震设防加速度为0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g和0.40g(g为重力加速度,g =9.8 m/s2)地区的公路混凝土梁式桥(包括有抗震设计和无抗震设计,若按文献［14]设计的桥梁,由于其部分设计研究理论不完善,所以也应列入鉴定范围)。

当既有公路混凝土梁式桥所在地区抗震设防标准提高、运营过程中各种原因(包括地震、洪水等)造成影响抗震性能的病害时,也应按该鉴定流程进行鉴定,采用文献［9]设计建造桥梁,无需鉴定。鉴定流程如图1所示。

表1　桥梁重要性调整方法

2　抗震性能鉴定级别确定

2.1公路混凝土梁式桥资料调查

公路混凝土梁式桥基本情况调查分为基本资料调查和桥梁现状详细调查,其中基本资料调查是确定鉴定类别和初步筛选的基础,基本资料越详实则鉴定工作效率越高。

1)桥梁基本资料调查。指对桥梁设计、施工、监理、养护及维修加固、桥址水文地质状况及其他历史资料进行全面了解,还可包括桥梁的动力测试等有关资料。同时为了方便数据查找,必须建立桥梁鉴定数据库,可按表2填写桥梁抗震调查表,将相应图纸、文字资料统一归类。

2)桥梁现状详细调查。当确定桥梁需要进行二级鉴定时,需要现场对桥梁现状进行详细调查,主要包括:桥墩、台基础冲刷深度及河床变化情况;桥梁、台基础及地质情况不明时,可进行必要的勘探和试验,查明地基岩(土)的物理力学性质;采用回弹仪、拉拔仪、超声波无损检测设备等对桥墩、台混凝土强度进行评定,必要时现场取芯实测;对石砌桥墩、台,应检查灰缝及石料强度是否满足设计要求;在桥梁基本资料的基础上,结合现场实测,掌握结构几何参数的现状。

2.2评定桥梁鉴定分类

根据收集到的桥梁初步资料,按文献［9]确定抗震设防类别和设防措施等级,按照待鉴定桥梁的位置、规模、抗震设防水平及重要程度等条件将工作级别划分为I级(专门研究)、Ⅱ级(需要鉴定)、Ⅲ级(无需鉴定),抗震性能评价工作级别的界定按照文献［10]规定的项目进行。桥梁设防类别与震害等级关系如表3所示。

对需要进行抗震评估的桥梁,按第一级鉴定内容进行桥梁抗震性能鉴定,对需要进行第二级鉴定的桥梁,按鉴定的评估结果和线路重要性,确定抗震鉴定的优先顺序。

2.3桥梁的初步筛选

尽管经过工作类别的鉴定排除了一部分待鉴定的桥梁,但是剩余桥梁的数量仍十分庞大,所以必须对桥梁进行初步筛选,以确定需要进行一级鉴定的桥梁。初步筛选采用基于模糊层次分析的评估法,依据文献［9]关于各设防类别桥梁的抗震设防目标的规定,确定评估标准。相应震害等级如表3所示,根据该表可以制定桥梁初步筛选的界定表,如表4～7所示。

根据基于模糊层次分析的评估法预测桥梁在不同烈度下的震害等级,当评估结果低于表4的震害等级时,认定桥梁抗震性能满足要求,不需要进行第一级鉴定,否则应进一步验算桥梁的抗震性能。

图1　公路混凝土梁式桥抗震鉴定流程

3　抗震性能鉴定

3.1第一级鉴定

第一级鉴定,以宏观控制和构造鉴定为主进行综合评价。参照文献［9],对6～9度区公路混凝土梁式桥抗震措施进行检查,限于篇幅,此处不做赘述。

一级评价的结果类别划分为: a级(各项目评价结果都为良好)、b级(各项目评价结果都为较好以上)、c级(关键项目,如设防标准、场地情况等评价结果为较好以上,其余项目定性评价结果为较差以上)、d级(除以上情况外)4类［10]。

表2　桥梁抗震调查表

表3　桥梁设防类别与震害等级关系

公路混凝土梁式桥按表8进行鉴定,若桥梁评估结果为a级,则通过鉴定,其余评估结果需要进行第二级鉴定。对于需要进行第二级鉴定的桥梁,由于数量多、鉴定工作量大,必须确定桥梁鉴定优先顺序。排列顺序主要考虑桥梁设防类别和一级鉴定结果,桥梁设防类别A～D分别取值4、3、2、1,一级评估结果d～b级分别取值2.5、1.5、1,按两项乘积的值由大到小排列,数值越大则需优先加固。

表4　A类设防桥梁初步筛选标准

表5　B类设防桥梁初步筛选标准

表6　C类设防桥梁初步筛选标准

表7　D类设防桥梁初步筛选标准

表8　第一级鉴定项目划分及评价结果分类表

3.2第二级鉴定

第二级鉴定主要是对桥梁结构各部位的抗震性能进行鉴定,评价内容包括:场地液化可能性评价,地基、基础抗震性能评价,桥台抗震性能评价,桥墩抗震性能评价,梁部抗震性能评价,支座、伸缩缝抗震性能评价等6部分。各项目评价的结果分四级:甲级(不低于现行规范要求)、乙级(略低于现行规范要求)、丙级(不符合现行规范要求)、丁级(严重不符合现行规范要求)。基于以上评价结果,二级评价的结果类别划分为a级(各项目评价结果都为甲级)、b级(各项目评价结果都为乙级以上)、c级(关键项目评价结果为乙级以上,其余项目评价结果为丙级以上)、d级(除以上情况外)四级。

桥梁结构抗震性能鉴定主要参照文献［9－10],计算既有桥梁的各个构件在对应评价地震水平下的抗震能力与地震需求的比K,K≥1表明该构件在该水准地震作用下不会发生破坏,K＜1表明该构件在该水准地震作用下,可能发生破坏。从结构中最小的K开始,调查每一个K＜1的构件,评价该构件的破坏对整个结构抗震性能的影响,从而确定评价结果类别。

如果某构件的破坏导致不可接受的后果,经加固后的构件满足了抗震性能,这时仍需对整个桥梁结构的抗震性能进行重新评价。当加固好的构件改变了结构其他构件的响应,也必须对其进行重新评价,重新计算各构件的K值,重新评价各构件的抗震性能。

限于篇幅,下文仅以桥墩为例,参照文献［10],详述其抗震性能鉴定过程。

1)桥墩弯曲强度的降低可能由于纵筋在承台或盖梁中锚固不足、纵筋搭接破坏、箍筋约束不足使混凝土被压碎或纵筋发生屈曲破坏所至。当评价桥梁时,应计算这些破坏模式对应的桥墩、柱的K,并应评价其对整个桥梁结构整体抗震性能的影响。桥墩弯曲强度计算可根据相关规范公式进行,宜根据现场获得的检测材料数据进行计算。

2)对桥墩的抗剪进行评价,计算桥墩、柱对应的抗剪能力与地震需求的比值,并应评价其对整个桥梁结构整体抗震性能的影响。参照文献［10]的公式(4－9)～(4－12),宜根据现场获得的检测材料数据进行计算。

3)对桥墩、柱的破坏对桥梁结构其他部位的累积影响进行评价,每一种破坏对结构整体抗震能力的影响应按其出现的先后顺序进行评价。桥墩构件延性能力计算参照文献［9]相关公式计算。

4)根据K及某项能力不满足地震需求时对桥梁结构整体抗震性能的影响,确定项目评价结果。分为:甲级(所有项目K≥1)、乙级(大多数项目K≥1,个别项目0.95≤K＜1,且项目能力不足对整体抗震性能影响较小)、丙级(多数项目K≥0.95,少数项目0.90≤K＜0.95,且项目能力不足对整体抗震性能造成一定影响)、丁级(出现项目K＜0.9)。

3.3鉴定报告

为详细记录桥梁的整个评估过程,方便了解其实际的抗震性能,鉴定报告应包括:桥梁的工程概况,评价目的、范围和内容,检查、分析、评定的过程和结果,结论与建议,附录包括图纸、计算等5部分的内容。详细的鉴定报告格式见表9。

4　结语

1)基于现有各行业的结构物抗震性能鉴定规范,根据不同设防类别桥梁的使用年限适当调整设防目标,并结合交通部西部交通建设科技项目的研究成果和美国抗震鉴定指南,引入基于模糊层次法的公路混凝土梁式桥震害预测方法,提出适用于公路混凝土梁式桥抗震性能三级鉴定的流程的建议。

2)利用基于模糊层次分析的震害预测法对待鉴定桥梁进行初步筛选,并对未能通过第一级鉴定的桥梁进行优先排序。第二级鉴定主要从场地液化、地基基础、桥台、桥墩、梁部、支座和伸缩缝等方面进行抗震性能鉴定。根据桥梁抗震鉴定情况,可依本文给出桥梁抗震鉴定记录的报告格式,对鉴定过程及结果进行记录。

3)本文对需要进行二级抗震鉴定的桥梁的优选排序,采用直接赋值法,以确定鉴定顺序,具有一定的主观性,更为科学的优先排序方法还有待进一步的深入研究。

4)国内应进一步重视和完善目前的桥梁震害资料数据库,包括桥梁的基本设计参数、震害现象描述和震害等级,才能更好地开展桥梁震害预测方法的研究。

表9　公路混凝土梁式桥抗震性能鉴定报告

参考文献:

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(责任编辑:郎伟锋)

Study on Seismic Performance Identification for In-Service Highway Concrete Beam Bridge

HE Yanqing1,WEI Yan2
(1.Zhicheng College,Fuzhou University,Fuzhou 350000,China;
2.Xiamen Institute of Technology,Xiamen 361021,China)

Abstract:Based on Highway Bridge Seismic Design Conditions,and existing buildings and railway seismic identification codes home and abroad and highway bridge seismic performance assessment and seismic strengthening technical guide used for reference,this paper introduces the highway girder bridge seismic damage prediction method which is built on the basis of fuzzy analytical hierarchy process into preliminary screening work,classifying three steps such as preliminary screening,identification I and identification II.Then,it puts forward some suggestions for the highway concrete beam bridge seismic performance identification,which is suitable for the area where seismic accelerations are 0. 05g / 0. 10g / 0. 15g / 0. 20g / 0. 30g and 0.40g.Finally,it provides the report format of the bridge seismic appraisal record,which is used to write down the identification processes and results.

Key words:bridge engineering; seismic performance identification; fuzzy analytical hierarchy process; highway beam bridge

作者简介:何燕清(1988—),女,福建宁德人,助教,主要研究方向为土工数值分析.

收稿日期:2015－05－12

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.010

文章编号:1672－0032(2015)03－0043－06

文献标志码:A

中图分类号:U448.210.3