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1、公路结构物抗震加固改造 桥 梁,长安大学公路学院桥梁系 胡兆同 2008.09.,五、桥梁抗震加固概述,地震可能导致桥梁倒塌，造成交通中断，使救援和重建工作受阻。为了防止这种情况的发生，需要对已有的、抗震能力不足的桥梁结构进行加固或更换。 哪些桥梁需要加固，可通过对桥梁风险性识别、评估它们的倒塌或严重震害的易损性以及启动降低这种风险的研究项目来实现。,5.1 需要加固桥梁的确定,加固是减轻风险的最普遍的方法，然而，从加固的造价方面考虑，对一些桥梁放弃加固（全部或部分限制通行）或者更换为新结构更可取。另一个可能的选择是不采取任何加固措施并接受桥梁损坏的后果。 可根据桥梁的重要性和结构易损性的详细
2、评估结果，对桥梁是否加固、弃用、更换、或不采取任何措施进行决策。由于资源有限，因此，桥梁抗震加固应采用优先加固的原则，位于高地震危险性区域的重要桥梁应为最优先加固的桥梁。,公路桥梁加固过程流程图,两个地震动水平的抗震加固过程 P9,在地震动 水平II下的加固流程 P16,5.2 桥梁抗震加固的措施,横隔梁的加固; l 能量耗散延性横撑; l 在简支梁桥中的纵向连接; l 支座更换; l 隔震支座; l 能量耗散装置; l 在梁支承处支座支承面的加宽和挡块;,5.2 桥梁抗震加固的措施（续）,l 在梁支撑和连接铰处的减震装置； l 墩柱的更换； l 墩柱加固的混凝土壳、钢和纤维复合外壳； l 在
3、排架中填充剪力墙； l 用预应力对盖梁补强； l 副梁 （Supergirders）； l 在桥台后面设置锚板； l 土层锚杆和重力式锚杆；,5.2 桥梁抗震加固的措施（续）,l 桥台剪力键； l 更换承台； l 承台加厚； l 增加桩的抗拔能力； l 补桩； l 针对横跨断层的连接； l 针对不稳定斜坡和液化的场地改良； l 振冲土柱和碎石桩。,六、上部结构与支座加固,桥梁上部结构必须能够在不影响梁体稳定性的前提下，将惯性力传递到下部结构中。还有几种上部结构的加固措施可以用于减小或重新分配下部结构的荷载，包括：使用特殊的耗能装置或隔震支座、减小上部结构的静荷载以及保证桥梁上部结构的连续性。
4、桥梁的支座与支座垫石存在的抗震缺陷是最常见。这些缺陷有可能导致桥梁失去支承，甚至落梁、倒塌。其加固措施包括：约束装置、扩大支座垫石、加强支座以及更新支座。,6.1 桥面系与梁,隔板的加强与加固 P157,钢梁桥延性端隔板 P159,钢梁桥隔板的加固,混凝土梁隔板的加固1,混凝土梁隔板的加固2,简支梁改变为连续梁1,将原两跨及两跨以上简支梁的梁端连接起来，使受力体系由原来的简支转换为连续，减小跨中正弯矩，提高结构的承载能力，同时减小了伸缩缝数量，提高了行车舒适性。这种方法主要适用于多跨简支梁桥,简支梁改变为连续梁2 P160,混凝土箱形梁抗弯加固1 P161,混凝土箱形梁抗弯加固2,混凝土箱形梁
5、抗弯加固3,刚架拱桥的加固,肋拱桥的加固,6.2 支座加固与更换,由于支座的养护较难，因此,一般不会加固钢制摆动支座，而是采取更换支座的措施。但有些情况下加固也可能成为最佳选择，此时应重点加固最有可能破坏的支座构件。 需要注意的是加固支座后，可能发生的破坏或屈服也许会转移至结构的其他部位通常是桥墩。设计师应验证这个新部位的塑性变形可以接受，并有足够的强度和延性来满足桥梁性能。,支座的加固,支座底板与梁的连接加固 P163,提高锚板承载能力的加固方法 P165,通过钢套对支座进行加固 P166,支座的更换,由于地震中容易损坏的支座，在日常维护过程中都存在问题，所以，在过去地震中性能比较差的支座，
6、可采用更换的方式进行加固。 但是，通常新支座的竖向尺寸要比原有支座小一些，所以，在更换过程中，需要弥补由此产生的高差。为此，可以采用一个钢基座或混凝土基座。若使用后者，可以在梁间设置一个较高的基座，从而提供一个横向剪力键，而竖向限位器可以固定在基座上。,采用混凝土基座对支座进行置换 P167,整体顶升后更换支座,支承水平加固,钢支座换为橡胶支座,更换为隔震支座,采用隔震支座进行加固，在替换易损支座的同时可保护其它构件免受损坏。在美国，采用这种方法对150多座桥梁成功进行了加固。 采用隔震支座可延长桥梁的基本振动周期，从而减小桥梁的地震反应。隔震支座可减少桥梁上部结构的加速度以及传递至下部结构的
7、惯性力。 但采用隔震支座会使桥梁上部结构与下部结构之间的相对位移增加。利用支座的耗能特性，可以将相对位移限制在可接受的范围内。,铅芯橡胶隔震支座,摩擦摆动隔震支座 P168,铅芯橡胶隔震支座实物,摩擦摆动隔震支座,Eradiquake隔震支座 P168,6.3 加强上部结构与下部结构的连接,钢管剪力键 （锚栓） P170,防止落梁的方法,桥台支座支承面的拓宽 P171(2),套管延伸器,设置连梁装置或限位器1,设置连梁装置或限位器2 P176,耗能型连梁装置示意图,防止落梁装置拉杆 （梁梁）,防止落梁装置拉杆 （梁墩）,有效支承宽度 P181,加宽墩帽设连梁装置,钢绞线拉杆,横向剪力键 （挡块
8、） P187,纵向防震挡块,七、下部结构加固,除了对上部结构进行加固外，还应对桥梁下部结构进行加固。桥梁墩（柱）可采用不同加固措施来提高弯曲强度、剪切强度、弯曲延性；并且通过圆形或椭圆形钢套管约束混凝土或采用纤维复合材料缠绕混凝土来实现。 桥梁下部结构抗震加固内容包括桥墩（柱）、盖梁和梁-柱节点等，这是近年来破坏性地震中的易损构件。需要注意的是，加固一座桥梁的最优措施很可能是两种及以上措施的组合。,7.1 桥墩（柱）的加固,许多情况下，如果能够保证或提高墩（柱）的延性，就不需要提高桥墩（柱）的弯曲强度。如果需要提高墩（柱）的抗弯强度，则同时需要提高墩（柱）的抗剪能力和基础的强度。因为它会在墩（
9、柱）内导致较大的塑性剪力和基础上出现较大的力。 墙式墩的抗震性能通常要优于多柱式桥墩或独柱式桥墩。因此，与常规的钢筋混凝土墩（柱）相比，很少对墙式墩进行加固。,加固钢筋混凝土墩（柱）的方法,包括： l 完全或部分替换； l 附加墩（柱）； l 抗剪或抗弯强度； l 改善墩（柱）的延性。 l 钢套管； l 用预应力施加主动约束； l 用复合纤维/环氧套管施加主动或被动约束； l 钢筋混凝土外壳。,美国加州抗震加固方法,7.1.1 完全或部分替换墩柱,1989年旧金山塞普里斯桥坍塌,San Francisco高架桥墩（柱）的更换 P201,采用原有墩（柱）钢筋进行墩（柱）更换 P201,采用辅助支
10、墩（柱）进行加固1 P205,采用辅助支墩（柱）进行加固2,7.1.2 增加桥墩的强度和延性,在已有桥墩（柱）表层沿墩（柱）全高或部分高度范围内增大混凝土截面可以提高墩（柱）的弯曲强度。在新增混凝土内需增设纵向钢筋，附加钢筋必须与既有结构构件锚固连接。 如果在钢套管与灌浆区之间可以传递足够的剪力，采用钢套管也可以提高桥墩的弯曲强度。 在桥墩（柱）表层沿墩（柱）全高或部分高度范围内粘贴碳纤维也可以提高墩（柱）的弯曲强度。,增大混凝土截面提高墩（柱）强度 P206,增大混凝土截面提高桥墩强度-1,增大混凝土截面提高桥墩强度-2,钢套加固方法,典型圆形墩（柱）的钢套加固方法 P209,采用在钢套中
11、加设钢筋的方法加固墩（柱） P207,椭圆钢套加固方法,钢套与基础的连接,预应力钢绞线加固 P220,预应力钢绞线加喷射混凝土,碳纤维加固桥墩1,碳纤维加固桥墩2,多柱式桥墩上的填充剪力墙 P224,桥墩加固的部位,7.1.3 钢桥墩（柱）的加固 P228,Richmond-San Rafael 桥墩（柱）加固 P228,空心钢桥墩填充混凝土,7.2 盖梁的加固,盖梁的加固需要同时考虑桥梁纵向和横向的反应，而这些反应又与桥墩的构造有关。一般来说盖梁与混凝土墩（柱）是整体浇筑的，故在荷载作用下盖梁要承担弯矩和剪力的共同作用。 当盖梁可能失效时，桥梁结构就会有发生倒塌的危险，此时盖梁的加固就显得尤
12、为重要。,盖梁加固增大截面 1 P231,盖梁加固增大截面 2 P235,盖梁加固施加预应力1,盖梁加固施加预应力2,盖梁粘碳纤维板(布)加固1,盖梁粘碳纤维板(布)加固2,降低盖梁内力的水平连梁 P233,7.3 桥台的加固,有支座桥台是最常见的桥台型式。尽管使用这种桥台时，上部结构会产生较大的纵向位移，当桥台的支座支承面很窄或其他临近的墩柱支承构件发生失效时，会造成桥台支承失效 。 地震发生时，整体式桥台或肋式桥台的稳定性相对较好。当遭遇罕遇地震时，桥台肋墙的抗弯和抗剪强度可能出现问题，有可能需要加固。,桥头锚定板 P239,加州沉降板,新泽西沉降板,安装桥头沉降板,带有钻孔灌注桩的锚定板
13、 P240,混凝土剪力键 （挡块） P242,预应力锚索钢或钢筋混凝土框架,桥台预应力锚杆加固,八、基础的加固,桥梁基础将桥梁结构与地基联系起来，同时也将地震作用传递给桥梁结构。地震中基础的破坏主要是由于地基失稳，而且地基液化、侧向滑移、断层移动或滑坡等是造成地基失稳的主要因素。 因基础、桩基或承台破坏而倒塌的桥梁并不常见，但却经常发生由于地基失效致使桥梁倒塌的情况，若基础发生地基液化、滑移或沉陷，则有必要对基础进行加固。,8.1 扩大基础加固法,桥梁基础扩大底面积的加固方法，称为扩大基础加固法。此法适应于基础承载力不足或埋置太浅，而墩台又是砖石或混凝土刚性实体时的情况。 当构造物基础具有较大
14、的不均匀沉降，并且地基土质比较坚实时，可以采用扩大基础法进行加固。在刚性实体式基础周围加石砌圬工或混凝土，以扩大基础的承载面积。,新增基础加固,需要对基础所在位置进行开挖，开挖需要采取得力措施，确保墩台基础的稳定。,混凝土承台的新旧连接,为使上部荷载由墩身很好地传递给新建承台，可在新建承台与既有承台接触范围内，将原承台凿成锯齿状剪力键，采用设置钎钉或植筋法连接新老承台，使新旧混凝土形成有机整体，以达到扩大原承台尺寸的目的。,新增基础加固示例,混凝土覆盖层加固基础 P249,扩大基础加固示例,8.2 增补桩基加固法,当地基承载力不够，为提高地基承载力，在基础的周围补加钻孔桩或打入钢筋混凝土预制桩
15、,扩大原承台，并将承台与桩顶连接在一起，以此提高基础承载力，增加基础稳定性。,增补桩基的加固方法适用于以下情形：,（1）当桥梁采用桩基础改造拓宽方法，通过增加桩的数量，扩大承台面积，提高基础承载力； （2）桥梁墩台基底下有软弱层，墩台发生沉陷，而桩的深度不足； （3）由于风蚀、水蚀或冲刷等原因使桩基外露或发生倾斜时。 这种加固方法的优点是不需要抽水筑坝等水下施工作业，且加固效果显著。,底部钢筋搭接构造 P249,水平预应力钢筋加固基础,增补桩基加固示例1,增补桩基加固示例2,增补桩基加固示例3,墩台基础整体加固 P248,墩台基础整体加固示例1,墩台基础整体加固示例2,8.3 危险场地桥梁加固
16、,危险场地是指在地震中可能产生极大的永久位移的场地，这种永久位移将使结构构件内力和（或）相对位移显著增加。危险场地包括： 1） 横跨或靠近活动断层的场地； 2） 位于或靠近陡峭、不稳定边坡的场地； 3） 位于或附近有液化砂土或粉砂的场地。,场地液化的危害,断层造成的危害,地质灾害的破坏模式,每一种地质灾害都会对桥梁结构造成严重破坏，所以在制定桥梁加固方案时应该考虑地质灾害的影响，破坏模式包括： 1) 由土壤液化引起的下陷或滑移使桥梁墩台发生的侧向变形，可能导致桩的破坏和落梁； 2) 相邻桥墩的地面沉降差可能造成落梁； 3) 基础、桥台的不均匀沉降使连续的上部结构和桩受到向下的拉力作用，并发生破
17、坏。,位于液化土层的桥梁 P259,降低灾害的措施,1）将桥梁移到稍微安全的地方； 2）通过场地改良提高土体稳定性，防止或限制液化的发生； 3）灰土深层搅拌，这样可以在土体中形成与密实法一样的稳定区域； 4）排水、设置砾石排水沟或渗透灌浆，或采取其它类似的措施。 原位密实法是新建、已建桥梁场地改良方法中应用最广的一种方法，原位密实可以用振捣置换，也可以用压密灌浆的方法。,已建桥梁场地可液化土壤改良方法,1）压密灌浆法 2）颗粒灌浆法 3）化学灌浆法 4）喷射灌浆法 5）振捣探头 6）振动密实 7）振捣置换法/石柱 8）附加荷载/扶壁式填土 9）排水：砾石、砂土、排水管 10）小型桩,设计流程图 P264,墩（柱）周围的振动系统（碎石桩）处理 P267,振动置换设备和过程 P266,水泥浆球状物的压密注浆法 P267,高压旋喷注浆加固法,高压旋喷注浆，就是先利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入土层的预定位置，旋转并以一定的速度提升，同时将浆液或水以高压的形式从喷嘴里射出，冲击破坏土体，高压流切割并搅碎土层，使其成颗粒状分散，一部分被浆液和水带出钻孔，另一部分则与浆液搅拌混合，随着浆液的凝固，组成具有一定强度和抗渗能力的固结体，从而对地基进行加固的一种加固方法。,旋喷施工的工序,钻机就位；钻孔；插管；喷射作业；冲洗。,（第二部分完）,