快速恢复“功力”让桥梁震后不再脆弱

随着我国城镇化进程的不断发展,高度集约各类要素资源和经济社会活动的现代城市对地震等强灾害的脆弱性也在不断展现,导致的经济损失也在呈几何级增长。为此,一些学者提出了可恢复性城市的概念,以提高现代城市应对极端灾害事件的能力,并在最短的时间内恢复城市的正常功能。

当前桥梁抗震的基本理念正由抗震、减震向震后功能可恢复转变。本文综述了自复位桥墩体系、基于震后桥梁功能快速恢复的桥梁减震耗能技术、基于震后功能可恢复的抗震设计理论等发展现状,对震后可恢复桥梁结构的发展趋势进行了展望。

震后可恢复桥梁结构定义与形式

震后功能可恢复桥梁是指地震后不需修复或在部分使用状态下稍许修复即可恢复其使用功能的桥梁结构。目前主要有三种途径实现桥梁结构的震后可恢复性:1.利用地震中结构的摇摆(rocking),通过结构自重来提供自复位力,控制桥梁震后残余位移(如图1a);2.利用在桥墩中合理配置体外预应力,形成自恢复体系(接缝摇摆),减小震后残余变形(如图1b);3.通过设置可牺牲消能减震装置(Energy dissipation device),保护主体承重结构,震后稍许修复或不需修复即可使用。

实现桥梁结构的可恢复性设计必须首先解决两个关键性问题:一是建立具有震后功能可恢复性的新型结构抗震体系;二是建立面向可恢复性的设计理论体系。

新型抗震体系与设计理论

自复位桥墩体系

在摇摆结构方面,地震工程创始人乔治·豪斯纳指出,摇摆结构的稳定性主要随界面压力和支撑宽度的增加而增加。当下部结构具有较大的底部支撑,宽度足以保证其整体稳定性时,结构的回复力主要依赖结构自身重力。目前,这方面应用较多的是刚性扩大基础。美国学者Michael等,还对采用格构式墩柱的摇摆减震体系桥梁,开展了结构地震响应分析和振动台模型试验研究。管仲国等提出提离式桩基础减震体系,并进行了拟静力和震动台试验研究,初步探讨了提离式桩基础桥梁的自复位特点。

Priestley等首先提出应用无粘结预应力节段预制拼装体系,来减小残余位移和结构损伤。Mander等较早开展了无粘结预应力混凝土柱的抗震性能试验研究。结果显示,无粘结预应力筋的引入,可以显著提高墩柱结构的自复位能力,减小残余位移,滞回曲线呈明显的旗帜形特征(如图2)。Makris的研究表明,滞回性质表现为非线性弹性的纯摇摆桥墩,由于耗能能力不足,导致位移需求较大。

为了提高自复位桥墩的耗能能力,Palermo研究了耗能钢筋以及采用不同耗能钢筋的预应力混凝土墩柱抗震性能。结果显示,内置耗能钢筋可以明显提高墩柱的阻尼耗能,但也会加重混凝土的破坏,同时增大墩柱的残余位移。Roh研究了采用形状记忆合金作为耗能钢筋的无粘结预应力柱的抗震性能。结果表明,形状记忆合金作为耗能钢筋可以增加预应力柱的耗能能力,同时形状记忆合金提供的恢复力还可以减小残余位移。Guo进行了外置耗能杆件的影响研究。结果显示,适当设置外置耗能杆件的数量,可将无粘结预应力节段柱的等效阻尼比提高至10%~15%。

在桥墩摇摆过程中,摇摆界面的局部承压可能会造成保护层混凝土的剥落和脚点混凝土的压碎,以及无粘结预应力筋的预应力损失。为了减小接缝处的损伤,已形成以下解决方案:

1.通过约束来提高混凝土的抗压承载能力。约束混凝土最常用的方法是使用箍筋。其他研究者也使用钢套筒或双层钢壳来提供更优良的约束性能。此外,由于FRP或CFRP重量轻、强度高、耐腐蚀性好、安装方便,是一种很好的约束材料。

2.用低损伤材料代替塑性区的混凝土。Motaref等人研究了使用弹性橡胶垫和ECC作为塑性铰的抗震性能。王震等人在塑性铰区,采用超高性能混凝土作为外置可更换板,只需在震后更换耗能器及外置UHPC板。其他低损伤材料包括纤维增强混凝土、聚氨酯等。

3.采用特殊的连接装置分散压应力和减轻冲击。Mitoulis和Rodriguez提出了一种新型可恢复性铰。该铰使用钢柱支撑,弧形凹槽提供相对转动能力,四周设置预应力钢筋提供恢复力。值得注意的是,这种铰将产生很大的倾覆力矩,需要强大的恢复力矩来克服倾覆力矩。

在无粘结预应力预制拼装桥墩分析、计算方面,Dawood、Megally等采用三维有限元模型,结合拟静力试验,对体外预应力节段拼装桥墩的受力性能,特别是预制拼装桥梁接缝开展、闭合和接触滑移等模拟以及对柱抗震性能的影响行为进行了研究。Kwan等采用数值分析方法,研究了普通钢筋配筋率和无粘结预应力筋配筋率,对无粘结预制拼装桥墩抗震性能的影响。在无粘结预应力预制拼装桥墩计算、分析方面,如何模拟墩柱摇摆裂缝的开展和闭合(接触)是一项新的挑战。Marriott、Trono等在接缝面采用仅受压不受拉的多弹簧,模拟接缝面的开展和闭合,并与拟静力试验结果进行了对比。近年来,我国一些学者也对预制拼装桥墩各种连接类型构造,开展了力学行为研究。葛继平等开展了预应力筋连接方式预制拼装桥墩抗震性能试验和数值分析研究。布占宇等学者开展了节段拼装混凝土桥墩抗震性能数值分析研究。他们利用纤维模型方法对无粘结预应力节段拼装桥墩进行拟静力试验仿真分析,并通过与试验结果比较,验证了计算方法的正确。但这些研究主要侧重的是预制拼装桥墩抗震性能,而不是自复位性能。

减震耗能技术

桥梁的减隔震设计是通过隔震装置来延长结构周期、耗能装置来耗散地震能量。自上世纪70年代以来,减隔震技术在世界范围内引起广泛关注,在理论研究和工程应用中取得了巨大进展。经过近40年的研究,发展了橡胶类减隔震产品和摩擦类减隔震产品等。这些减、隔震支座和耗能装置已被广泛应用到建筑和桥梁结构中,取得了较好的效果。

然而,橡胶类减隔震支座的竖向承载力受其水平变形状态影响,可能发生大剪应变下的压溃问题。美国AASHTO减隔震设计规范明确规定,橡胶类减隔震支座的受力状态检算应同时考虑竖向力和水平地震力的应力作用。Oh和Caner等也指出,橡胶类减隔震支座性能对环境温度具有敏感性。摩擦摆式支座主要依赖支座的摩擦幅进行耗能减震,相比橡胶支座其地震位移响应一般更大,且受地震波频谱特性的影响较大。此外,Shen、Yang、江辉等国内外学者的大量研究表明,近断层地震会明显增大减隔震桥梁的减隔震位移需求,并可能超出连接装置的极限变形而导致连接失效。Park对1999年土耳其Bolu桥的震害调查显示,由于断层滑冲效应大大增加了隔震支座位移需求,造成减隔震装置破坏。汶川震后震害调查发现,板式橡胶支座梁桥典型震害形式为,支座滑动后产生过大墩梁相对位移导致的落梁震害、梁体移位、支座和挡块破坏等。墩柱和基础损伤一般较轻,由于震后梁体位移过大,给震后桥梁功能恢复带来很大障碍。

近年来,一些学者提出将桥梁的竖向承载系统(自重和活载)与水平承载系统(地震作用)分离的设计理念。即竖向承载系统仅主要承载竖向荷载作用,地震作用下的水平力由独立的水平承载系统承担。在正常使用条件下,水平承载系统即可视为非结构性构件,其损伤不会影响结构的竖向承载性能,因此可以最大限度保证震后桥梁的通行功能。此外,震后对水平承载系统的修复或者更换也不会影响结构的竖向承载性能,进而达到对既有交通免干扰或者微干扰的目标。Iemura提出一种滑动支座和橡胶支座组合的可复位式减隔震系统,利用普通滑动支座提供竖向支撑和水平摩擦耗能、分层弹性橡胶提供弹性回复力。这种方式可以采用耐久性较好的钢支座,根据地震风险的大小灵活设置分层弹性橡胶回复力参数。同时,更换分层弹性橡胶装置不影响结构的竖向承载力,不影响既有交通。李建中针对汶川地震梁体位移过大的情况,提出采用X形弹塑性阻尼器控制梁体位移。El-Bahey建议采用防屈曲约束斜支撑(BRB)用于加固既有桥梁的抗震性能,可有效保护主体结构,同时易于震后更换。此外,将竖向承载系统和水平承载系统进行分离的设计,也在一些大跨度桥梁得到了应用。例如奥克兰海湾桥依靠四个分离的塔柱承担竖向荷载,塔柱间的剪切耗能构件主要用于结构减震,易于更换。

抗震设计理论

自美国学者于20世纪90年代初提出了基于性能的抗震设计思想(Performance-based Seismic Design,PBSD)以来,世界各国对基于性能的桥梁抗震设计进行了大量研究。对于桥梁结构,一般桥梁墩柱设计为延性构件,地震作用下发生弹塑性变形,耗散地震能量;而桥梁基础、结点和梁体设计为能力保护构件,地震时基本不发生损伤。为此,国内外学者对桥梁墩柱的性能指标、损伤水平,进行了大量研究。研究重点为:不同设防水准地震下,桥梁墩柱性能目标的定量描述;桥梁墩柱性能指标(延性、位移、能量耗散)与结构损伤之间的定量关系;基于性能的桥梁抗震设计方法等。对于梁式桥,大量研究表明,墩顶的位移或延性是表示桥墩损伤水平的重要指标,确定桥墩目标位移和目标延性是桥梁基于性能抗震设计关键的一步。Kowalsky等在对大量的圆形、矩形钢筋混凝土截面弯矩-曲率分析的基础上,系统地提出了墩柱以损伤为基础的目标位移确定方法,从而建立了桥梁结构单墩体系基于性能抗震设计方法的框架。对于比较规则的梁桥结构,国外大多数的研究是采用基于位移设计方法来实现基于性能的抗震。基于性能的抗震设计思想考虑投资和效益平衡,对不同发生概率的地震采用不同的结构性能等级。震后功能可恢复桥梁设计理论,在理论框架上是基于性能设计的一部分,侧重点在震后功能恢复方面。

现行国内外桥梁抗震规范,如美国AASHTO和欧洲桥梁规范还是基于不倒塌的结构抗震设计,关注的重点是结构的极限变形能力。中国桥梁抗震设计规范尽管是按两级设防标准进行抗震设防的,但实际都是重点验算了罕遇地震下的结构性能。如何从基于不倒塌的抗震设计,过渡到基于震后可恢复功能桥梁抗震设计,是目前各国学者所关注的抗震热点问题之一。

结构的损伤程度一般与结构的最大响应相关,但从结构震后使用功能和震后修复需要的角度,更关注结构的残余裂缝和残余位移等。如日本道路协会明确规定,桥梁结构满足可修复的性能标准,其墩柱残余位移不应超过1%。Priestley指出,当钢筋混凝土结构残余裂缝宽度超过1mm时,必须进行加固。事实上,桥梁结构的震后修复不仅与结构自身的损伤有关,还与损伤的发生部位、桥址区域的环境、交通等息息相关。例如2008年,汶川地震中庙子坪大桥5号主墩发生开裂损伤,残余裂缝宽度约0.8mm,但由于发生损伤的部位位于水下70m深处,最终采用外加钢套箱和水下混凝土加固方式,聘请专业潜水员进行水下检查、表面凿毛和钢套箱安放等作业。整个检查、设计、论证与施工历时1年,耗资2000余万元。

新材料、新结构的机遇

震后可恢复桥梁结构研究,为新材料的应用、新结构体系的创新提供了新的机遇。利用UHPC、ECC、SMA等新材料提高震后可恢复桥梁结构抗震性能的研究,已经成为近年来的热点。在分析和总结无粘结预应力预制节段桥墩特点的基础上,研究构造简单、具有残余位移小,墩身损伤低、耗能能力强的新型自复位预制拼装桥墩的合理构造,发展适合工业化建造的震后可恢复桥梁结构,是国内外学者关注的热点问题。此外,目前的预应力预制节段拼装自复位桥墩体系,主要是采用拟静力试验方法,研究采用不同接缝构造和设置不同耗能装置下单墩的自复特性,但对地震(动力)作用下,桥墩接缝处的摇摆机理和接缝力学行为等,缺乏基础性研究。

当下,桥梁减、隔震设计的主要关注点还是减少桥梁下部结构所受到的地震力,较少关注震后减、隔震装置和梁体的残余位移,也很少考虑减、隔震装置发生地震损伤后的快速修复以及更换问题。从满足震后桥梁功能快速恢复和避免对既有交通影响的目标出发,开展对现有桥梁减、隔震体系与装置的震后使用功能进行评估,研究新型竖向承载系统与水平承载系统分离的桥梁减震、耗能体系势在必行。

在性能评价指标及设计理论方面,既有的桥梁抗震设计理论,在结构的性能目标上偏重结构的损伤与安全,并不能直接反映震后功能快速恢复的需要。未来,多层次损伤控制指标体系有待建立;基于结构整体响应形态、残余变形、材料应变性态的多层次震后可恢复桥梁结构抗震设计理论有待提出。

同时,震后可恢复桥梁结构应具有经济性、耐久性,符合绿色环保理念,建造和维修过程对公共和环境影响最小。

开展震后可恢复性桥梁结构新体系与设计理论研究,不仅有助于引领国际桥梁结构抗震的新发展,占领理论和技术的高地,同时也符合我国当前和未来发展的实际需要。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年 第1期 总第99期

作者 / 李建中 钟学琦

作者单位 / 同济大学桥梁工程系

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