外包混凝土法在裝配式梁橋抗震加固中的應用研究

李學華 鄧俊雷 熊 飛

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0 引言

我國位于環太平洋和亞歐地震帶之間，共有23個地震帶，我國地震具有分布范圍廣，強度大且頻次多的特點。目前，在20～50m跨徑的橋梁中其上部結構大多采用裝配式結構。據統計直到2011年，我過的橋梁總數共計有68.9萬座，按照建造年代考慮，1990年之前建造的橋梁大約有16.8萬座占了總數的24%，這些橋梁根本未考慮抗震設計，在1990-2008期間我國修建的橋梁有42.4萬座，占總數的61%。這些橋梁大多數是采用1989年頒布的《公路工程抗震設計規范》采用單一設防標準進行設計，存在抗震能力不足的問題。綜上所述，按照舊規范設計的大部分橋梁均存在不同程度的抗震能力不足的問題。

在上世紀七八十年年代美國、日本就對橋梁抗震加固開展了大量的研究，并且頒布了相應的橋梁抗震加固設計規范。近年來，我國學者楊新寶提出了橋墩抗震加固的設計方法并且進行了相關試驗研究。焦馳宇等將粘滯阻尼器運用到市政橋梁上，揭示了該方法在橋梁抗震加固中的優越性。從我國的規范上看，僅在《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22-2008）中提到了少量關于抗震性能評估的內容，可操作性差。總之，目前我國還沒有統一的規范和指南供實際工程參考。鑒于此，本文以云南某裝配式梁橋為工程實例，采用了外包混凝土法對墩柱進行抗震加固，以期為同類橋梁的抗震加固設計提供參考。

1 工程實例

某二級路上一座5孔19m簡支梁橋，橋梁全長101.83m，上部結構采用5片19米跨預應力鋼筋混凝土工形組合梁，采用C50混凝土，結構簡支，橋面連續。下部結構為雙柱墩，C30混凝土，直徑為180cm，橋臺采用重力式U形橋臺，圬工擴大基礎，樁基礎。本橋抗震設防烈度為Ⅷ度，峰值加速度為0.2g，計荷載等級為：汽車-20級、掛車-100，于2006年1月通車。

本橋在一次6.6級的地震之后，墩柱出現了一系列的震害，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營安全帶來了極大隱患。針對這些震害，本橋采用包混凝土的加固方案來增強原有橋墩的抗震能力，以期能夠滿足抗震設防要求。3-2#墩柱、4-2#墩柱采用外包混凝土進行加固，其加固構造圖如圖3所示，采用C35混凝土沿著原墩柱外包一層20cm厚的混凝土，強度等級比原墩柱C30高一個等級，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

取全橋為分析模型，采用有限元軟件ANSYS對主橋進行抗震分析，上部結構采用梁格法進行建模。全橋離散為1641個單元，1100個節點，本橋采用板式橡膠制作型號為GYZ400×52(NR)，在軟件中支座按照彈性連接的形式進行模擬。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，橋墩塑性鉸區鉸類型選擇P-M-M耦合絞。抗震設防烈度為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

由于本橋未進行場地地震安全性評價，本文選取可一條由反應譜轉人工波程序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構有限元的地震動輸入，三條波的頻譜特性、有效峰值和持續時間均能滿足規范要求。輸入方式為一致激勵，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，使外包混凝土達到設計強度后，橋墩的新舊混凝土共同承擔橋墩的承載能力，按照加固后的聯合截面計算橋段的承載能力，應用有限軟軟件中截面特性計算器里的Composite Sestion將加固前墩柱的C30混凝土和C35外包混凝土進行聯合計算。

3.2 加固后橋墩地震響應內力響應分析

考慮到墩柱新舊混凝土的連接問題，外包混凝土的強度采用C35比原結構混凝土強度C30提高一個強度，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為部分關鍵截面的彎矩、剪力時程曲線。

圖6 San Fernando-291波激勵下墩柱的彎矩時程曲線

采用外包混凝土法加固3-2#、4-2#橋墩各個控制截面塑性鉸的發展狀態、轉角、變形系數D/D1（時程分析時間內的最大變形除于第一屈服變形），統計如表2。

表2 各墩地震波激勵下的塑性鉸狀態分析

根據圖6可知，針對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橋墩的剛度，在地震波的激勵下各個橋墩所分擔的地震力有所增大。由表6可知，加固后橋墩均處于彈性狀態。

4 結論

通過以上相關調查研究及有限元分析，可得到如下結論：

1、據關數據調查，我國1990-2008之間建造的橋梁與現行的抗震設計規范設計的橋梁相比大多數均存在不同程度的抗震能力不足問題。

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

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，采用外包混凝土加固墩柱后各墩柱在罕遇地震下關鍵截面均處于彈性狀態，加固效果較好。