基于地震易损性的既有简支梁桥抗震加固方案

瞿发宪 韩璐璐 邓旭东

为评估既有简支梁桥的抗震性能，提出既有简支梁桥的抗震加固处置策略，文章依据云南国省干线公路中简支梁桥的统计资料，利用OpenSees软件建立了相应的三维有限元分析模型。依据抗震性能评估结果，针对不同的桥梁震害确定了不同的加固方案，并对组合加固后的样本桥梁进行了抗震性能评估，评价了组合加固方案对既有简支梁桥抗震性能的提升效果。

公路; 简支梁桥; 抗震加固; 地震易损性分析

U445.7+2   A

[定稿日期]2021-06-07

[作者简介]瞿发宪（1988～），男，硕士，工程师，研究方向为桥梁工程。

我国既有简支梁桥的设计主要有三个时期：1990年以前按照1978年实施的《公路工程抗震设计规范（试行）》[1]进行抗震设计的及未进行抗震设计的桥梁;1990～2008年期间按照JTJ004-89《公路工程抗震设计规范》[2]进行抗震设计的桥梁;2009年至今按照现行JTJ/TB02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》[3]进行抗震设计的桥梁。由于对抗震设计理念认识的不足，以及经验和技术等因素的限制，我国早期的桥梁抗震设计规范与现行抗震设计规范相比，存在明显缺陷[4]。而我国既有简支梁桥中大多数设计于JTJ/TB02-01-2008《桥梁抗震设计细则》颁布以前，存在着不同程度的抗震能力不足的问题，因此有必要对既有简支梁桥进行抗震性能评估，并有针对性地开展抗震加固处置策略研究[5]。

1 既有简支梁桥抗震加固方案

1.1 FRP纤维复合材料加固方案

碳纤维加固法是指利用粘结剂按照设计要求将碳纤维布包裹在混凝土桥墩外侧（图1），使桥墩和纤维复合材料形成一个受力整体，提升桥墩核心混凝土抗压性能，进而改善桥墩的抗震延性[6]。纤维复合材料（简称FRP）在加固过程中可以充分发挥其优势[7]：①碳纤维材料抗拉强度高，耐腐蚀性能好;②碳纤维材料质量轻，在改善桥墩抗震性能的同时几乎不增加其重量，同时也不会增加截面的尺寸;③纤维材料相对柔韧，易于成型，现场施工方便，且工期短。

1.2 拉索链接式加固方案

目前，拉索限位装置是防落梁加固中比较常用的抗震措施。将拉索的一端锚固在主梁腹板的托架上，另一端缠绕在墩台或者锚固在墩台的托架上，也可以将相邻两跨主梁连接起来。该类限位装置具有缓冲性能好、柔度大、耐久性强以及可控的设计位移量等优点，且技术相对比较成熟，在旧桥的抗震加固中应用广泛[8]。为避免简支梁桥在地震作用下发生纵桥向落梁震害和支座的严重损伤，本文选用拉索限位装置对样本桥梁进行抗震加固研究。拉索限位装置的布置形式为沿主梁纵桥向布置，用拉索将主梁与桥墩盖梁、主梁与桥台连接起来，具体布置形式如图2所示。

2 工程实例

2.1 工程概况

根据云南国省干线公路简支梁桥统计资料显示：云南国省干线公路中简支梁多为跨径20 m的中小跨径简支梁桥，下部结构多为圆形截面双柱墩，上部结构多为空心板梁和T梁。为研究既有简支梁桥的抗震性能及抗震组合加固方法，以三跨规则简支梁桥（20 m+20 m+20 m）为研究对象进行地震易损性分析。样本桥梁上部结构均为单跨20 m的钢筋混凝土T梁，由左、右分离的5片小T梁组成，小T梁截面梁高1.5 m，翼板厚度0.2 m，跨中处腹板厚度0.2 m，梁端腹板厚度0.4 m，采用C40混凝土;样本桥梁下部结构均为钢筋混凝土圆形截面双柱墩，8 m墩高简支梁桥墩身直径取1.4 m，采用C30混凝土，纵筋及箍筋均采用HRB335钢筋，在桥台处采用单向四氟乙烯滑板支座，在桥墩处采用板式橡胶支座。

本文采用OpenSees建立该桥的有限元模型[9]。对于在地震荷载作用下，基本保持线弹性状态主梁，采用弹性三维梁单元模拟;支座采用板式橡胶支座，选用线弹性弹簧单元模拟;最容易发生损伤的桥墩，选取基于柔度法的非线性梁柱单元进行模拟;本文样本桥梁有限元计算模型见图3。

2.2 组合加固方案对简支梁桥地震易损性分析

传统FRP加固方案虽然可以在一定程度上降低桥墩的弯曲破坏损伤，但也略微增大了支座的损伤概率;拉索限位装置虽然在降低纵桥向地震作用下的支座损伤概率方面具有显著的成效，但同时也增加了桥墩弯曲破坏的损伤概率。换言之，单纯针对桥墩进行加固时需保证支座有充足的抗震性能，单纯对支座进行加固时需保证桥墩有充足的抗震性能，当桥墩和支座的抗震性能均不足时，可以适当考虑采用组合加固方案。图4和图5分别给出了组合加固方案加固前后纵桥向地震作用下桥墩支座和桥台支座的地震易损性曲线。由图可知，使用组合加固方案后，纵桥向地震作用下桥墩支座和桥台支座的各损伤状态的损伤概率均得到不同程度的降低，同仅使用拉索限位装置类似，除轻微损伤的损伤概率降低效果较弱，其余损伤状态的损伤概率降低较为显著。

图6给出了各加固方案加固后纵桥向地震作用下桥墩弯曲破坏地震易损性曲线，其中BR表示加固前;FRP表示FRP加固;LS表示拉索限位装置加固;FRP+LS表示组合加固方案加固。由图可知，使用组合加固方案后，纵桥向地震作用下桥墩弯曲破坏的轻微损伤和中等损伤的损伤概率较加固前模型有所增加，但较仅使用拉索限位装置明显降低;严重损伤和完全破坏的损伤概率较未加固模型明显降低，但较仅使用FRP加固稍有增加。

3 结论

依据既有简支梁桥抗震性能评估结果，结合多方面的考虑，对比分析了组合加固对样本桥梁的地震易损性及易损构件损伤程度改善情况，主要结论如下：

（1） 使用组合加固方案可以在显著降低纵桥向地震作用下支座地震易损性的同时，降低桥墩弯曲破坏的严重损伤和完全破坏的损伤概率。

（2） 与仅使用FRP或拉索限位装置相比，在降低支座变形破坏方面基本可以达到仅使用拉索限位装置的加固效果，可以更好的兼顾了支座和桥墩的地震易损性。

（3） 在设计简支梁桥抗震加固时，可结合桥梁各构件的地震需求，合理选取组合加固方案，以得到较好的加固效果。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通部. 公路工程抗震设计规范（试行） [S]. 人民交通出版社， 1978.

[2] JTJ 004-89 公路工程抗震设计规范[S].

[3] JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].

[4] 王光裕， 刘保东， 李鹏飞. 新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析[J]. 工程抗震与加固改造， 2010， 32（3）：68-70.

[5] 王志强， 殷雨财， 蒋仕持， 等. 既有桥梁体系抗震加固方法探讨[J]. 福州大学学报： 自然科学版， 2013（4）：162-167+186.

[6] 陈志红. 碳纤维加固混凝土柱数值模拟分析[D]. 合肥：合肥工业大学， 2014.

[7] 劉涛， 冯伟， 张智梅. 组合FRP技术加固混凝土矩形柱的抗震性能试验研究[J]. 工程力学， 2007， 24（6）：128-133.

[8] 罗进. 梁式桥地震碰撞响应与防落梁措施研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2014.

[9] http：//OPENSees.berkeley.edu/wiki/index.php/Parallel_Material.

3305501908248