突发灾害后的钢筋混凝土桥墩修复意义

突发灾害后的钢筋混凝土桥墩修复意义
[摘要] 简要介绍目前针对突发性灾害后破坏钢筋混凝土桥墩修复采用的FRP、钢套管、狗骨式杆等新型建筑材料;重点介绍目前国内几个对突发灾害后破坏桥墩修复的实例和试验,表明采用合适的修复方案,可以使突发灾害后破坏的桥墩得到较好的恢复,具有重要的经济意义和实用价值。

[关键词] 突发性灾害钢筋混凝土桥墩修复实用价值
0 引言及研究意义
“自然灾害”是人类依赖的自然界中所发生的异常现象,自然灾害对人类社会所造成的危害往往是触目惊心的。

它们之中既有地震、火山爆发、泥石流、海啸、台风、洪水等突发性灾害,以及人为因素引发的突发性灾害。

如1976年中国唐山大地震[1]、1999年台湾Chi-Chi大地震[2]、2008年中国汶川大地震、2010年青海玉树大地震。

同时,还有许多人为造成的城市桥梁灾害,如2007年广东九江大桥被运砂船撞倒[3]、2010年广州市同德围上埗桥被超载的汽车撞断[4]。

破坏性自然灾害对相当多的经过抗震设计的城市立交桥和高架桥造成了严重破坏。

作为生命线工程的重要组成部分,桥梁灾害将会带来巨大的经济损失和人员伤亡,破坏的桥墩进行快速修复对于迅速恢复交通网络、保证抗震救灾工作的及时开展。

本文主要是针对几个不同突发性灾害后破坏形态的桥墩修复加固实例进行了简要评述,表明开展突发性灾害后钢筋混凝土桥墩的修复研究工作,具有重要的经济意义和实用价值。

1 突发性灾害后破坏钢筋混凝土桥墩修复使用的新型建筑材料
(1)FRP材料
由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料,以其高强、轻质、耐腐蚀等有点,在土木工程中得到广泛应用。

目前常用的FRP主要是碳纤维增强塑料(简称为CFRP)、玻璃纤维增强塑料(简称为GFRP)、芳纶纤维增强塑料(简称为AFRP)和玄武岩纤维增强塑料(简称BFRP)。

在钢筋混凝土桥墩的修复加固中,可以用FRP材料缠绕桥墩,其纤维丝的方向分为两种:桥墩圆周方向和桥墩轴线方向,沿圆周方向的FRP材料可起到与箍筋相似的作用,可以对核心混凝土形成有效约束,提高了桥墩的抗剪强度和延性;沿桥墩轴线方向的FRP材料主要是提高桥墩的抗弯能力[5]。

(2)钢套管
1985年由Tomii,Sakino和肖岩等[6-7]提出
的一种结构形式,即在钢筋混凝土柱中采用钢管作为横向约束,与钢管混凝土柱的不同在于,套管柱仅承受横向力。

纵向上,在钢管与梁或柱墩之间预留缝隙,避免反复荷载下局部的应力集中。

由于能够对核心混凝土进行有效约束,使用套管柱修复加固可以大大提高桥墩的抗剪强度、延性和轴向承载力。

(3)狗骨式杆
台湾学者Cheng等人[8]提出的一种新型的钢筋拉杆,用于替代震后拉断或严重屈曲的纵向钢筋,使用“狗骨式”杆的设计原则是其截面抗拉强度约为原来纵筋强度的95%,以防止强度过高而使破坏区域转向桥墩底座或杆与纵筋的连接处发生破坏。

同时,狗骨式杆的有效长度按Priestley等[9]建议的桥墩塑性铰区长度计算。

试验结果表明,以“狗骨式”杆钢筋较好地替换了严重屈服或断裂钢筋,修复后的桥墩承载力能够达到原始柱水平,甚至比原始柱有进一步的提高,变形能力也较原始柱好。

2 突发性灾害后破坏钢筋混凝土桥墩修复主要方法
修复的主要目的在于恢复桥墩的承载力和延性,对于破坏较轻的桥墩,如保护层混凝土轻微脱落,纵筋仅屈服但没有屈曲的桥墩,可以通过外包FRP材料修复;对于发生严重破坏,纵筋已屈曲甚至拉断、核心混凝土压碎破坏的桥墩,一般可以通过外包钢套管、植筋并浇筑混凝土形成扩大截面等方法修复。

对于特别严重破坏的桥墩,采用新建桥墩的方法进行修复。

唐山大地震后,铁道部大桥工程局对京山铁路上严重破坏的桥梁迅速开展了修复工作,对其中的滦河大桥、蓟运河大桥桥墩均采用钢筋混凝土套箍修复加固,为迅速恢复交通大动脉发挥了重要作用[1]。

汶川大地震后,地震造成横穿紫坪库的庙子坪大桥5号桥墩出现剪切裂缝,呈现明显的剪切破坏。

由于庙子坪大桥是西部开发省级大通道兰州至磨憨公路的重要组成部分,也是连接地震中心区汶川的交通干线。

针对庙子坪大桥的震后破坏程度,国内专家提出对汶川地震庙子坪大桥5号桥墩进行修复加固[10]。

修复过程中,通过高流动性的混凝土填充破坏面,外包钢板等方法,修复加固后,经过动荷载试验检测,检测结果表明5号桥墩完全达到使用要求。

通车至今,针对5号桥墩的监测一直存在,监测结果表明采用外包钢板的修复方法较好地恢复了桥墩的承载力,同时提高了桥墩的延性。

大连理工大学司炳君等[11]采用不同的修复方案对3根严重破坏的钢筋混凝土桥墩进行了震后快速修复技术试验研究,试件首先在固定轴力和侧向反复荷载下进行拟静力试验使之发生弯曲延性破坏,然后分别采用植入纵筋筋、浇筑套箍、缠绕CFRP等对试件进行修复并重新进行模拟地震试验。

试验结果表明,采用缠
绕CFRP修复的桥墩承载力和延性指标均能得到较好恢复甚至提高,初始刚度较低,刚度退化速度减慢。

2007年被运沙船撞塌的325国道九江大桥[3],根据大桥的破坏形态以及对其余桥体的检测,检测结构表明桥体整体完好,再经过多方研究讨论,提出对撞塌的九江大桥进行修复加固。

由于九江大桥的修复方案选择采用斜拉索桥方式,即在24号墩位设置斜拉桥墩,同时拆除23号和25号两个桥墩,并对26号和27墩拆除后再重建。

该项修复工程的进行得到了交通部的大力支持,表明我国对修复加固工程的非常重视。

九江大桥的修复加固,相比在该地区新建一座新桥,旧桥的修复加固的方案节省了大量的资金,同时缩短了建筑工期,方便了两岸的市民出行,这表明了对复加固的方案快速带来社会经济效益。

2010年1月18日广州市同德围上埗桥的一处三根连续式桥墩中的一个桥墩墩被超载的挂车撞断,整座桥梁成为危桥,致使该地区的市民出行严重受阻。

针对该连续式桥墩破坏形态,抢修方先用10根临时钢管桥墩支撑整体桥体[4],并提出了对破坏桥墩快速修复方案,修复方案为利用临时钢管桥墩的支撑作用,修复时先拆除已经撞烂的桥墩和没有受撞击的另外两个桥墩以及三个桥墩上的桥体,然后在原来桥墩地座上新建一座薄壁墩的桥墩墙支撑,桥墩墙里面有5根桥墩支撑桥体。

修复后的薄壁墩通过相关部门的检测,其功能达到了桥墩正常使用状态。

对上埗桥的快速修复,迅速恢复交通网络,缓解了该区域的交通压力,节约了大量的资金。

3 结束语
开展突发性灾害后破坏形态的桥墩的修复工作,首先需要对整个桥墩的破坏程度进行分析,根据实际情况提出可行的修复方案,修复方案不仅要保证修复技术可靠,还要求施工简单、可行,修复后的桥墩能够快速使用。

本文中提到的修复加固方法,一部分修复方法仅限于在严重破坏的桥墩塑性铰区施工,采用高流动性早强混凝土、钢套管、FRP等材料进行修复,这些修复材料可以通过在工厂加工、现场安装,施工周期短的特性。

还有的修复方法需要拆除原有桥墩,再根据实际可行的方案选择重建新桥墩,该方案主要是针对严重破坏或倒塌的桥墩的修复。

由于我国的修复技术较为可靠,对突发性灾害后破坏形态的桥墩修复,具有很强的工程实用性。

对突发性灾害后破坏形态的桥墩进行修复,不仅出于经济上的考虑,更重要的是,对原状桥墩的修复增大了其刚度,会导致其承担的地震力增大。

同时,采用新建桥墩的修复方法同时需要考虑外部偶然荷载的影响。

因此,修复加固后桥墩的延性抗震水平与实际效果之间的最优关系自然成为修复设计时必须考虑的因素。

因此,突发性灾害后钢筋混凝土桥墩的修复,具有重要的经济意义和实用价值。

参考文献
[1] 刘恢先. 唐山大地震震害(第三册)[M]. 北京: 地震出版社, 1986.
[2] Yao T H, Chung C F. Seismic effect on highway bridges in Chi-Chi earthquake [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, ASCE, 2004, 18(1): 47-53
[3] Information on /z/bridgecollapse/index.shtml
[4] Information on /guangdong/guangzhou/2010/01/18/7273183.shtml
[5] 滕锦光, 陈建飞, S. T. 史密斯, 林力. FRP加固混凝土结构[M]. 李荣, 滕锦光, 顾磊译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005, pp: 3-4.
[6] 肖岩, 郭玉荣, 何文辉等. 局部加劲钢套管加固钢筋混凝土柱的研究[J]. 建筑结构学报, 2003, 24(6): 79-86.
[7] 肖岩. 套管钢筋混凝土柱结构的发展和展望[J]. 土木工程学报, 2004, 37(4): 8-12.
[8] Cheng C T, Yang J C, Yeh Y K, et al. Seismic performance of repaired hollow-bridge piers [J]. Construction and Building Materials, 2003, 17(5): 339-351.
[9] Priestley M J N, Seible F, Calvi G M. Seismic design and retrofit of bridges [M].New York: John Wiley and Sons, 1996.
[10] Information on/nsichuan/cddt/20081113/2008111363419.htm
[11] Bing Jun SI, Zhi Guo SUN, Qing Xiang WANG et al. Rapid Repair of Severely Earthquake-Damaged Bridge Piers [C]. The 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures. Greece, July 16-18, 2007.。