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案例研究

钢筋混凝土多列桥排抗震加固策略的案例研究

Chris P.Pantelides,Ph.D.,S.E.,M.ASCE¹;Gavin Fitzsimmons,S.E.²

摘要:这篇论文做了一份对比了四个没有按照现行抗震标准规范设计的老式桥梁的典型的钢筋混凝土多列桥排架的抗震加固方法的案例研究。试验的干预类型包括：用高强度预应力钢筋连接桩和承台，加宽现有的连接承台的支撑梁，用一种新的钢筋混凝土级梁连接承台，以及用碳纤维高聚复合材料夹套来加强柱和帽梁——柱的接头。这篇论文包括一个在帽梁加横向拟静态的循环荷载实验的滞回曲线以及对pushover曲线的分析和比较。我们做了一个关于包括传统的和NEHRP规范的数个地震记录的四个排架的容量的比较。在这个实验中四个桥梁抗震加固的成本已经根据最高侧向荷载和最高位移被提出，他依据每个桥的桥排的表现得出。那些最低等级干预的桥梁足够满足50年内NEHRP规范地震基本剪力和位移的10%的要求的最低成本；那些最高等级的足够满足50年内的2%以内的NEHRP规范地震。DOI:10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000203.copy;2012 American Society of Civil Engineers.

土木工程数据库主题标签：地震荷载；抗震设计；结构性能；修复；桥梁；约束；纤维复合材料；性能特点；钢筋混凝土。

作者关键词：桥梁；约束；地震荷载；纤维复合材料；性能特点；修复；抗震设计；结构性能；钢筋混凝土。

1 简介

在大地震中以前的钢筋混凝土桥梁的性能不理想是因为他们没有考虑地震影响，设计细节并不符合现有的抗震设计标准，因此容易在地震中变形。1994年北岭地震，造成桥梁结构框架崩溃和重大破坏的主要原因被概括为桥梁结构的延展性不足（Zelinski 1999）。Yashinsky(1998)报道称，在1994年北岭地震的时候，只要钢和纤维复合材料（FRP）复合壳能约束混凝土和纵筋，那么改建桥梁的柱就能承受超过预期值的大位移同时承受静载。1995年兵库县南部地震，柱出现剪切破坏，因为系杆的钢的体积比太低，系杆的抗剪强度和约束没能有效的应用，而塑性铰不能形成（Taylor 1999）。Sexsmith等人(1997)测试了后张梁和玻璃纤维复合材料包裹的梁柱相连接的钢筋混凝土桥墩，它的表现令人满意。Zhang等人(1999)分析了采用钢夹套改建修复单柱墩桥梁到多柱墩桥梁的可行性和优势。很显然，地震修复是一个满足当前抗震性能指标的经济上和技术上的有效实用的手段。

盐湖城15号州际公路上的南座大桥建造于1963年，这座桥并没有足够的细节加固来满足延性要求。作为重建工程的一部分，这座桥将被替换；这也提供了一个原位四桥排测试的机会。在准静态循环荷载作用下，在北界的南殿桥进行了现场试验。

这组测试包括一个修复钢销连接桩和承台来加强薄弱处荷载路径的桥排（Bent#5N），以及一个钢销被碳纤维复合材料夹套修复的桥排(Bent#6N)。随后，第二组试验在南向车道上进行，包括Bent#5S被钢销连接桩和承台，以及钢筋混凝土级梁连接三个承台来修复，Bent#6S的修复措施被实施在Bent#5S和碳纤维复合材料夹套上。

图二 典型下部结构桥排构造图

图一 15号州际公路南庙桥北向线（英制单位；1＇=305mm，1＂＝25.4mm）

一个使用常规材料和碳纤维复合材料夹套来比较四桥排抗震加固的方法被提出。它包括一个对四桥排从需求上根据三个预测到的地震现场的历史记录的容量的比较，NEHRP文件规定（USGS2002）五十年内超过概率达到10%的，以及五十年内超过概率达到2%的地震，四桥排的修复花销被提出和最大侧向荷载、最大位移和耗散能有关。

2 桥梁构架描述

图一给出了15号州际公路南庙桥北向线的设计规划。南向线的构造和北向线一样。典型桥梁下部结构桥排如图二所示。钢筋加固细节见图三。桩被支承在0.91m厚钢筋混凝土承台上。两个外部桩承台被支撑在四个0.3m直径，18.3m深的钢管混凝土桩上。内部桩承台支撑在五个桩上。一个0.46平方米的混凝土支柱内部是4x25mm钢筋和间隔457mm的13mm箍筋，正如图二和图3（a）。桩帽没有抗剪钢筋和顶部钢筋。

图三 桥排钢筋构造图 （a）整体细节图 （b）横截面细节图

我们将加固的细节和AASHTO（AASHTO 2002）规范进行了对比，规范要求横向受力钢筋可提供最大顶部100mm，底部1.22m的柱；然而，事实上13mm单箍间距305mm，并不符合AASHTO规范。横向钢筋的横截面积只达到要求的43%。规范要求搭接只能放到柱高的中间一半处，搭接的长度不小于60倍钢筋直径；事实上接头在底座的塑性铰区，长度也只有24倍钢筋直径。规范要求的在每一端封闭的135°弯钩构造箍筋都有76mm扩展线，但是并没有发现。此外，在节点上没有提供横向钢筋，这也不符合AASHTO规范。

3 桥梁桥排抗震设计说明

这一段对柱和节点的基础和碳纤维复合材料夹套的抗震结构设计做了一个简短的描述。Pantelides等人(1999,2001)对Bents#5N和#6N的钢销和混凝土支柱的设计做了详细的展示。碳纤维复合材料夹套的设计是由Pantelides和Gergely(2002)提出的。Bents#5S and#6S的钢销和钢筋混凝土级梁细节是由Pantelides提出的(2004b)。Bent#6S的碳纤维复合材料的设计理念和细节是由Pantelides等人提出的(2007)。地震修复的目标是将所建的桥梁桥排的位移延性加倍。对桥梁桥排缺陷和地震修复技术的描述见表一。

4 基础地震修复

为了达到加倍位移延性的修复的目的，提高现有的基础和桩帽系统的承载能力是很有必要的。有个在测试中对所有四桥都有用的修复措施是图四所示的B-B剖面桩帽连接。0.3m直径的钢管混凝土桩用四个19mm的延伸进承台0.3m的钢筋嵌入了0.91m厚的承台上。对于预期的最终横向荷载，现有的钢筋面积和锚固长度将不足以支撑桩的抗拔破坏。一个38mm的孔通过承台刺入桩中2.44m，桩采用了32mm高强度钢筋环氧成孔锚固进承台，正如图四B-B截面所示。四个胶装的桩帽实现了这个细节。

现有的图二所示连接三个桩承台的0.46times;0.46 m支柱被用四个25mm纵筋和间隔457mm的13mm箍筋加固，如图3（a）。在Bent#5S和#6S的南向线测试上，钢筋混凝土级梁是由用两个0.84times;0.46 m钢筋混凝土梁放在现有的0.46m方形钢筋混凝土支柱上，同时0.30m厚2.13m宽的钢筋混凝土被两端梁在外桩承台边上覆盖构建的，如图四。钢筋混凝土级量导致了三个桩承台均匀位移，提高了基础的剪切和弯曲能力。纵向钢筋的加固由两层覆盖0.30m的12x25mm钢筋，和两组沿桩承台之间的底部的3x25mm的钢筋组成。抗剪钢筋的加固是用在承台和端梁以上的间隔152mm的10mm箍筋组成，如图4中的A-A截面，桩承台间的箍筋间距加大到406mm。箍筋应用在两端的端梁，如图4的C-C截面，来锚固外桩承台顶端钢筋做成的拉杆。

图四 改良后的Bents #5S 和 #6S级梁系统

在Bents#5N 和#6N的实验中，为了减少横向移动和横向剪切，支柱用截面1.676m宽的两个无筋混凝土加宽，然而，没有为桥排提供这些级梁。

5 用复合材料对桥梁的抗震加固

Pier #6S用碳纤维复合材料修复通过两个因素来提高现有桥墩的位移延性，柱的复合材料设计遵守既定的规范(Seible et al. 1997)，如图五。剪切设计导致了一层要求塑性铰区域的碳纤维复合材料，但是在柱中承式没有哪一层是符合要求的。柱中的剩下的碳纤维复合材料层中设置塑性铰区域的约束以及搭接接头的约束。对T型节点的复合材料的设计遵循Gergely 等人 (2000)和Pantelides等人 (2007)的规范。四个碳纤维复合材料的线元组合被确定为T型节点的修复方式。

（1）在东边的帽梁轴线（每面一层）和中部加强弯曲和剪切的T型节点的两端的帽梁两侧应用了横向碳纤维复合材料层。

图五 六号桥排（南）的碳纤维复合材料夹套设计

（2）现有的斜拉T型节点（每面两层）的每一面都应用了斜向碳纤维复合材料角包裹；

（3）碳纤维复合材料箍层用于围住帽梁的每一个和T型节点的相邻边（四层减少到两层）；（4）用碳纤维复合材料U型带从梁的钢筋到帽梁顶端来锚定距帽梁顶端0.31,m的没有足够锚固的立柱钢筋（五层，如图五）。

Bent #6N和Bent #6S 修复方式相同除了以下几点：

（1）柱夹套在柱底部从十层厚减少到了一两层，在柱顶部从三层厚减少到了一两层；

（2）帽梁上没有应用横向碳纤维复合材料层；

（3）T型节点的每一面只有两个斜拉角包裹碳纤维复合材料层；

（4）只有两个碳纤维复合材料箍层用于围住帽梁两侧相邻的节点；

（5）只有六个152mm宽的碳纤维复合材料U型带层被采用。

6 实验装置和结果

实验设备包括两个用两个桥面板在中间连接的排架，如图6。图6展示了两个这样的设备：北向线的和南向线的。一段时间只测试一个排架，通过在帽梁上横向加载一个等级如图7（a）所示加给Bents#5N和#6N的准静态循环荷载。钢梁被钉死在一个排架(#5N)上，在另一个排架(#6N)上放一个滚子轴承。此外，桩承台被连接在用来连接钢筋混凝土梁和两个高强钢筋的承载框架基础上；支撑梁被放大，如图7（a）。对大桥南向线的实验装置是类似的，如图7（b），给Bents#5S和#6S。可以忽略不计的扭转效应被认为是对桥梁支架和钢框架的对称负荷实测应变的证据。底板的更进一步的细节能在其他的地方发现(Pantelides等人2001)。帽梁顶端的水平绝对位移被用来控制实验。

7 材料性能

现有的桥梁和用于抗震加固的材料的性能在表二中给出。对原有桥梁结构钢筋采用三钢筋样本检测，发现有一个达到设计值1.21倍的屈服应力。四个现有桥柱上的102x204mm的芯片用来获取混凝土抗压强度，发现承受了1.23倍的设计强度；对Bents#5N和#6N以及Bents#5S和#6S的基础支柱梁的新混凝土的抗压强度也在表二中给出。碳纤维复合材料的材料性能，由碳纤维和环氧树脂组成，是从生产现场(ASTM 1996)的拉伸取样片得到的。Bents#6S和#6N在湿上篮过程都应用碳纤维复合材料。

8 结构响应

准静态循环加载下的四个桥排的滞后反应如图8。对于位移延性均采用弹塑性理想化的计算，滞回耗能则通过磁滞回线的面积计算得到。每个桥排的峰值荷载、位移延性、滞回耗能和实际和相对成本在表三中给出。不含有任何碳纤维复合材料的bent#5N,有资料显示在图7（a）中，在峰值荷载1400kN

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