外包混凝土法在裝配式梁橋抗震加固中的應(yīng)用研究

李學(xué)華 鄧俊雷 熊 飛

1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650000

2.云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司 云南 昆明 650000

0 引言

我國(guó)位于環(huán)太平洋和亞歐地震帶之間，共有23個(gè)地震帶，我國(guó)地震具有分布范圍廣，強(qiáng)度大且頻次多的特點(diǎn)。目前，在20～50m跨徑的橋梁中其上部結(jié)構(gòu)大多采用裝配式結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)直到2011年，我過的橋梁總數(shù)共計(jì)有68.9萬座，按照建造年代考慮，1990年之前建造的橋梁大約有16.8萬座占了總數(shù)的24%，這些橋梁根本未考慮抗震設(shè)計(jì)，在1990-2008期間我國(guó)修建的橋梁有42.4萬座，占總數(shù)的61%。這些橋梁大多數(shù)是采用1989年頒布的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用單一設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在抗震能力不足的問題。綜上所述，按照舊規(guī)范設(shè)計(jì)的大部分橋梁均存在不同程度的抗震能力不足的問題。

在上世紀(jì)七八十年年代美國(guó)、日本就對(duì)橋梁抗震加固開展了大量的研究，并且頒布了相應(yīng)的橋梁抗震加固設(shè)計(jì)規(guī)范。近年來，我國(guó)學(xué)者楊新寶提出了橋墩抗震加固的設(shè)計(jì)方法并且進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。焦馳宇等將粘滯阻尼器運(yùn)用到市政橋梁上，揭示了該方法在橋梁抗震加固中的優(yōu)越性。從我國(guó)的規(guī)范上看，僅在《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22-2008）中提到了少量關(guān)于抗震性能評(píng)估的內(nèi)容，可操作性差?？傊?，目前我國(guó)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范和指南供實(shí)際工程參考。鑒于此，本文以云南某裝配式梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，采用了外包混凝土法對(duì)墩柱進(jìn)行抗震加固，以期為同類橋梁的抗震加固設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程實(shí)例

某二級(jí)路上一座5孔19m簡(jiǎn)支梁橋，橋梁全長(zhǎng)101.83m，上部結(jié)構(gòu)采用5片19米跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工形組合梁，采用C50混凝土，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支，橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩，C30混凝土，直徑為180cm，橋臺(tái)采用重力式U形橋臺(tái)，圬工擴(kuò)大基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)。本橋抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，峰值加速度為0.2g，計(jì)荷載等級(jí)為：汽車-20級(jí)、掛車-100，于2006年1月通車。

本橋在一次6.6級(jí)的地震之后，墩柱出現(xiàn)了一系列的震害，其中3-2#墩柱于樁頂往上1.2-2.2m高度范圍有3條水平裂縫，δmax=0.8mm，4-2#墩柱從墩柱頂以下0.08～0.65m高度范圍一共有4條水平裂縫，δmax=0.7～1.4mm，如圖1和圖2所示，這些震害給橋梁的運(yùn)營(yíng)安全帶來了極大隱患。針對(duì)這些震害，本橋采用包混凝土的加固方案來增強(qiáng)原有橋墩的抗震能力，以期能夠滿足抗震設(shè)防要求。3-2#墩柱、4-2#墩柱采用外包混凝土進(jìn)行加固，其加固構(gòu)造圖如圖3所示，采用C35混凝土沿著原墩柱外包一層20cm厚的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)比原墩柱C30高一個(gè)等級(jí)，外包范圍大于裂縫范圍1m。加固主筋采用直徑為Φ28mm的鋼筋，間距為14.6 cm。箍筋采用B10mm，其鋼筋間距為15cm，植筋的鋼筋間距為45cm，N2鋼筋為加強(qiáng)鋼筋，并與主筋焊接。

圖1 3-2#墩柱水平裂縫

圖2 4-2#柱水平裂縫

圖3 2-2#、3-2#墩柱外包混凝土方案構(gòu)造圖

2 有限元模型的建立與地震波的輸入

2.1 有限元模型

取全橋?yàn)榉治瞿Ｐ?，采用有限元軟件ANSYS對(duì)主橋進(jìn)行抗震分析，上部結(jié)構(gòu)采用梁格法進(jìn)行建模。全橋離散為1641個(gè)單元，1100個(gè)節(jié)點(diǎn)，本橋采用板式橡膠制作型號(hào)為GYZ400×52(NR)，在軟件中支座按照彈性連接的形式進(jìn)行模擬。橋墩滯回模型采用武田三折線模型，采用正交阻尼模型Rayleigh阻尼，橋墩塑性鉸區(qū)鉸類型選擇P-M-M耦合絞?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅷ度，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

2.2 地震波輸入

由于本橋未進(jìn)行場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)，本文選取可一條由反應(yīng)譜轉(zhuǎn)人工波程序SIMQKE-GR合成的一條人工地震波以及San Fernando-291波和Artificial， sgs_00_w波兩條天然波作為結(jié)構(gòu)有限元的地震動(dòng)輸入，三條波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均能滿足規(guī)范要求。輸入方式為一致激勵(lì)，震波基本特征如表1，具體波形如圖5所示。分別考慮工況一：順橋向加豎向，工況二：橫橋向加豎向兩種工況輸入地震波。

表1 地震波基本特征表

圖5 地震波加速度時(shí)程曲線

3 外包混凝土加固橋梁的抗震分析

3.1 外包鋼筋混凝土加固法的有限元模擬

為了在有限元軟件中能有效的模擬新舊混凝土的連接，使外包混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，橋墩的新舊混凝土共同承擔(dān)橋墩的承載能力，按照加固后的聯(lián)合截面計(jì)算橋段的承載能力，應(yīng)用有限軟軟件中截面特性計(jì)算器里的Composite Sestion將加固前墩柱的C30混凝土和C35外包混凝土進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算。

3.2 加固后橋墩地震響應(yīng)內(nèi)力響應(yīng)分析

考慮到墩柱新舊混凝土的連接問題，外包混凝土的強(qiáng)度采用C35比原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度C30提高一個(gè)強(qiáng)度，加固后墩柱的抗剪能力Vs為加固后新舊混凝土的抗剪能力Vc，原有箍筋承擔(dān)的抗剪承載力Ss和新加混凝土的抗剪承載力Sv之和。分別考慮工況一：順橋向加豎向，工況二：橫橋向加豎向，兩種工況輸入地震波。其中圖6為部分關(guān)鍵截面的彎矩、剪力時(shí)程曲線。

圖6 San Fernando-291波激勵(lì)下墩柱的彎矩時(shí)程曲線

采用外包混凝土法加固3-2#、4-2#橋墩各個(gè)控制截面塑性鉸的發(fā)展?fàn)顟B(tài)、轉(zhuǎn)角、變形系數(shù)D/D1（時(shí)程分析時(shí)間內(nèi)的最大變形除于第一屈服變形），統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 各墩地震波激勵(lì)下的塑性鉸狀態(tài)分析

根據(jù)圖6可知，針對(duì)3-2#墩柱和4-2#墩柱的病害采用外包混凝土加固后，在San Fernando-291地震波的激勵(lì)下橫橋向和縱橋向的彎矩均增大，主要原因是外包混凝土增大了各個(gè)橋墩的剛度，在地震波的激勵(lì)下各個(gè)橋墩所分擔(dān)的地震力有所增大。由表6可知，加固后橋墩均處于彈性狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過以上相關(guān)調(diào)查研究及有限元分析，可得到如下結(jié)論：

1、據(jù)關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，我國(guó)1990-2008之間建造的橋梁與現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁相比大多數(shù)均存在不同程度的抗震能力不足問題。

2、通過動(dòng)力時(shí)程分析法的彎矩及剪力時(shí)程曲線分析可知，由于外包混凝土增加了墩柱的剛度，進(jìn)行外包混凝土加固后橋墩的彎矩及剪力響應(yīng)均有所增大。

3、通過能力需求比分析可知，在地震波縱橋向+豎向激勵(lì)下，2-2#墩柱及2-3#墩柱的能力需求比能力需求比均大于1，滿足Ⅶ度抗震設(shè)防烈度，峰值加速度為0.2g的抗震需求。

4、通過分析各墩柱控制截面的塑性鉸狀態(tài)，采用外包混凝土加固墩柱后各墩柱在罕遇地震下關(guān)鍵截面均處于彈性狀態(tài)，加固效果較好。