桥梁抗震措施研究若干进展

陈相宇

(南昌大学,江西 南昌 330031)

桥梁作为道路重要组成部分,在交通及其发展中发挥不可替代的作用。近年来,随着国家经济与科技进步,我国桥梁工程建设发展迅速。部分在建或建成桥梁位于地震高发区,面临地震破坏威胁。诸如1976年唐山大地震、2008年汶川地震等震害中,桥梁损坏导致交通中断直接影响救援工作的进度,扩大次生灾害的影响。桥梁工程建设成本高,其结构一旦遭受破坏,震后修复困难[1]。为实现防灾减灾,桥梁抗震研究工作受到重视,通过深入研究桥梁抗震工作,旨在提出更合理的抗震措施以提升桥梁抗震性能,推动其结构体系优化,为桥梁建设提供技术保障。

1 桥梁结构抗震设计理论

结合国内外多次地震记录分析整理后,桥梁结构抗震设计理论得以不断发展。在结构抗震分析早期阶段采用静力理论,其局限性是忽略了地震动特性与结构动力特性,不能考虑惯性力。随后同时考虑地面动力特性与结构动力特性的反应谱理论被提出,由于强震下结构产生较大塑性变形,故使用反应谱理论计算需引入强度折减系数R。尽管反应谱理论形式为静力计算,但普适性较前者更优,长时间内反应谱理论陆续应用于各国抗震规范[2]。1971年,新西兰学者提出结构延性与能力保护设计相结合的能力设计原理,即基于强度的抗震设计方法。

二十世纪末取得新发现：震害中人员伤亡较以往大幅减少但经济损失较大。基于性能的抗震设计方法在此背景下被提出并形成抗震设计新思路：对结构采取合理设计和适宜抗震措施,达到安全经济的平衡优化[3]。我国现行规范要求“小震不坏,中震可修,大震不倒”,属于该设计理论新思路的价值体现。

2 桥梁防落梁装置及减隔震装置

桥梁上、下部结构在地震中相对错动较大易出现落梁现象,防落梁装置限制上部结构位移能有效防范。1964年,日本的抗震设计规范中首次引入防落梁构造方法,由于防落梁装置设计采用静力方法故存在忽略结构动力特性与装置阻尼特性的不足。美国AASHTO规范规定从合适有效搁置长度的确定与限位装置的设计来考虑桥梁防落梁装置的设计[4]。基于横纵向防落梁装置、限位装置功能构造设计等要求外,我国《中国桥梁抗震设计细则》主要通过规定限制梁搁置长度保证装置安全可靠。

设置性能稳定、效果优良的减隔震装置是桥梁抗震减灾的有效措施,能够保证墩台均匀受力、为上部结构提供柔性支撑。随着研究深入现已研发出多种减隔震装置,部分被广泛应用于桥梁。在减隔震装置中,阻尼器能够增加结构阻尼同时耗散能量,又称耗能装置；隔震消能装置具有隔震和耗能功能,能够耗散地震能量和延长结构周期。

3 桥梁抗震加固技术

桥梁在地震作用后结构构件性能会下降甚至低于规范要求,如果拆除、重建将带来经济消耗与资源浪费。美国在1971年经历圣费尔南多地震后,提出并实施了桥梁抗震加固计划以修复受损桥梁,该计划第一阶段为桥梁安装防落梁装置并于1989年基本完成。日本受此启发先后进行五次全国范围的桥梁调查并对国内多座桥梁设置防落梁装置进行抗震加固。之后美国1989年洛马·普里塔地震和1994年北岭大地震对桥梁墩柱造成严重损坏,美国加州实行了第二阶段的独柱式桥墩加固和第三阶段的多柱式桥墩加固[5]。

合理运用抗震加固技术能有效合理提高桥梁抗震能力。对于上部结构,通常采用增设挡块或扩大支撑面宽度；对于桥墩抗震加固则通过增大截面面积、外包钢加固或采用体外预应力实现；对于基础加固可利用增加基础高度或设立撑杆防止地基土液化。我国现行桥梁抗震设计规范设有较高的可靠度与安全储备,由于部分在役桥梁是按以往设计规范设计甚至未考虑抗震设计,加上长期使用的构件老化,存在不同程度的安全隐患[6]。

4 结语和展望

桥梁是经济发展的重要基础设施,其稳定可靠同国民经济与生命安全息息相关。抗震设计是桥梁防灾减灾中的重要一环,结合国内外桥梁抗震措施若干研究现状与进展,本文从四个方面进行阐述观点及认识：

(1)桥梁结构抗震设计理论日趋完善,采用基于性能的抗震设计方法和安全经济平衡的新思想,与新材料、新工艺相匹配的设计基础继续深化细化,明确桥梁抗震性能评估；

(2)防落梁装置能有效防止落梁,现行规范要求仍较为粗糙,未来抗震设计规范对防落梁装置的构造细节将深入完善,各结构构件采用独立量化指标；减隔震支座现广泛应用于各国桥梁,研发出减隔震效果好、缺陷少、适用性强的新型支座是未来的关键技术问题。

(3)桥梁抗震加固技术满足经济性与功能性要求,能够提高老旧在役桥梁抗震性能,值得提倡推广。