目前，根据“强梁弱柱”的比例原则进行桥梁设计。而作为抗震延性设计理论的关键元素——塑性铰，应将其设置在最可能出现地震破坏的位置。例如墩柱的端部及底部等，以形成一种柔性体系，允许在地震作用下，主梁与墩柱组成的框架结构可以进行横向及纵向移动。每座桥梁的设计都应包含抗震系统，即延性构件、能力保护构件（CPM）、减隔震系统、牺牲构件，以确保结构重力的传力路径，并提供足够的强度和延性，以达到规定的性能标准。塑性铰的延性或其他耗能/减震的方法应满足“抗震危害设计”中的变形要求，同时将桥梁倒塌的可能性降至最低。重要桥梁的两级设防准则对于新桥的抗震设计和旧桥的加宽改造，应符合美国AASHTOLRFD桥梁抗震设计规范。对于非常规桥梁，即被视为“关键”和“重要”的桥梁，或由于某些原因超出上述规范所要求的桥梁，需要根据项目的特定设计要求进行审批。华盛顿州所有公路桥梁的重要性分类均为“普通”，特殊的大型桥梁除外。符合“关键”或“重要”分类的特殊大型桥梁将由桥梁所有者指定。如表1所示，按照桥梁的重要程度，普通桥梁对应的地震危险性评价等级为地震安全性评估（SEE），而重要和关键桥梁需要进行地震安全性评估（SEE）和地震功能性评估（FEE）。不同桥梁加宽项目的抗震设计要求桥梁加宽改造的抗震设计要求：1.对于普通桥梁的改建或加宽项目被归类为“轻度改建或加宽”，不需要进行抗震评估或结构翻新。如果满足“轻度改建或加宽”的条件，改建或加宽的结构不应引发额外的抗震需求，从而不会对现有的下部结构造成显著影响。2.根据桥梁设计手册第4.1节的规定，在项目范围内的所有重大改建和加宽项目都应进行抗震分析。对于如下所述的重大改建和加宽项目，针对抗震设计类别（SDC）为B、C、D类的普通桥梁，需要进行完整的抗震分析。工程地勘报告（包括任何不稳定的土壤或液化问题）可提供给结构工程师用于抗震分析。对既有和加宽结构需要进行抗震分析，而且承载力/需求（C/D）比，必须包含基础在内的现有桥梁构件。3.结构的加宽部分也应符合AASHTO抗震设计的土壤液化条件。4.对现有普通桥梁的立柱和横梁进行抗震加固，使C/D比大于1。用于抗震修缮的费用来自扩大的项目资金，而不是来自改造方案。现有的常规结构的抗震改造应符合桥梁抗震手册，而桥梁新加宽的部分则应符合AASHTO抗震规范。除了平衡刚度标准（刚度标准可能因现有桥梁配置而难以满足），设计人员应为整个加宽结构选择最佳的平衡框架刚度，以达到成本效益。5.根据重大改建和加宽项目要求，设计人员应确定最终加宽条件下的现有桥梁构件的抗震C/D比。如果现有结构的立柱和横梁的C/D比小于1，则必须对存在地震缺陷的位置进行改进，并将C/D比提高到1以上。C/D比的要求为1，以防止桥梁在地震中倒塌，确保生命安全。对现有基础构件（地基、桩帽、桩及它们的C/D比）的抗震性能改进，可推迟安排到桥梁抗震改造方案中。6.对于重要/关键桥梁，初始的目标是进行抗震设计使复合结构（既有桥梁和加宽部分）满足桥梁设计手册4.1节中规定的两级抗震设计（FEE和SEE）要求，包括复合结构的上部结构、下部结构和基础构件。为此，对现有结构进行改造加固是十分必要的。根据桥梁建成的时间、地基类型和地震时的土壤承载能力，要实现这一目标可能需要较高的成本。如果工程师认为满足两级抗震设计准则的成本过高，桥梁设计工程师可以考虑允许偏差。潜在偏差的例子包括：满足加宽部分的两级设计准则，但仅符合现有桥梁的“普通”级别标准；复合结构的地上部分满足两级设计准则，但地下部分（基础）没有达到这一标准；执行两级设计，但需根据桥梁设计手册第4.1节中的位移延性限值确定偏差；复合结构仅达到“普通”（无倒塌）标准。探索桥梁抗震加固新方案现有桥梁的抗震加固是根据美国联邦公路署出版的《公路结构的抗震加固手册》（FHWA-HRT-06-）进行的。当对两个或三个正交方向的地震响应进行组合时，可以按照AASHTO规范中所述的%~30%组合规则得到位移、弯矩、剪力、轴力任意方向分量的设计值。抗震分析与要求桥梁加固的第一步是对现有结构进行分析，以识别存在地震缺陷的位置。初始分析包括所有相关桥梁构件的C/D比。以多模态反应谱分析结果作为确定地震位移-力的最低限值。位移-力由抗震加固手册第5.6节中的静力弹塑性分析法确定。在进行抗震分析时，只需要选取具有0年地震重现期的地震动即可。抗震加固设计一旦确定了具有地震缺陷的桥梁单元，就可以选择并采取适当的措施。根据《地震加固手册》中表1-11，第8、9、10、11章和附录D-F中的内容选择抗震加固措施。在加固设计的过程中，可以向华盛顿州交通厅桥梁和结构办公室的抗震专家咨询。重要和关键桥梁的抗震改造，应依照华盛顿州交通厅桥梁设计手册中的要求而定，并在实用性和成本方面参考桥梁设计工程师和岩土工程师的建议。创新的桥梁抗震加固方法为了鼓励工程师们思考如何提高桥梁性能、加快建设速度，以及如何能为行业增加效益，笔者抱着一种探索新思路的心态，在此处提出创新型桥梁建设的想法。而这种创新型桥梁建设并非一个或几个想法便可进行笼统概括或描述。创新可以体现在桥梁工程的任何方面，并促使工程建设超越目前标准化的桥梁建设方法。下面介绍一些近期的创新型桥梁抗震加固方法。1.自定心柱自定心柱是指在地震后能够恢复其原有形状的柱，目的是提高桥梁在地震后的使用寿命。自定心柱由预制混凝土柱节段构成，预制柱安装在基础上，柱的节段中沿轴向有管道贯穿，并依靠后张拉（PT）钢绞线固定在柱上方的横梁中，PT钢绞线未与柱段粘合。当柱受到横向冲击荷载时，PT钢绞线弹性拉伸吸收地震能量，并在地震后恢复到原始的受拉状态。我们的期望是，柱子会像刚体一样旋转，而PT钢绞线可以将柱拉回到原来的方向。自定心柱的概念描述见图1。图1自定心柱概念图2.形状记忆合金像自定心柱一样，形状记忆合金（SMA）和工程水泥基复合材料（ECC）被引入到桥梁设计中，作为一种提高桥梁延性、抗震恢复力以及震后的使用性能的方法。SMA是一种合金，由镍、钛或铜、镁、铝混合而成。这种合金被塑成圆形的棒状，其大小与传统的钢筋相似。应力作用下，SMA会发生较大的变形，并恢复到原始形状。在SR99阿拉斯加州级高架桥更换南向通道项目上的应用证明，初始弹性模量约为ksi时，屈服强度可达到55ksi。在正常使用极限状态和强度极限状态下，柱内SMA的设计与传统的钢筋类似，钢筋的最大应力达到屈服强度。在地震过程中，当超过屈服应力时，钢筋发生早期变形，并随着应力的消散而恢复到未变形状态。图2形状记忆合金应力-应变模型ECC属于一种高性能纤维增强胶凝复合材料，与传统的混凝土混合料类似，其不同之处在于，该混合料中含有聚乙烯醇纤维，并且省略了粗骨料。ECC取代了传统的柱内核芯混凝土，提供了中等的抗拉强度，并增加了延性，以适应SMA的大变形。ECC的使用，消除了塑性铰区常规混凝土易发生剥落的现象。图3ECC应力-应变模型当在墩柱的塑性铰区使用SMA和ECC材料时，这种设计可提供较高的应变和超弹性性能，允许大变形，同时可以忽略永久变形和最小损伤。两种材料的组合，使墩柱可以在地震中保持良好的延性及足够的弹性，比传统的混凝土和钢筋更能使桥梁最大程度地恢复原始的形状。用SMA制成的钢筋与位于塑性铰区以外的传统钢筋相结合，可以减少墩柱中SMA的使用量。工程胶凝材料可在塑性铰区与柱内核芯混凝土的其余部分分开浇筑。图4显示了在塑性铰区采用ECC和SMA加固墩柱的实例。图4使用SMA和ECC的墩柱（立面及横截面）一直以来，华盛顿州交通厅的目标便是，确保州高速公路将能够为应急响应人员提供快速进入社区受损部分的通道，以提供基本的救生服务。州级公路还需为华盛顿州的经济提供保障，使物流运输和货物储存得以正常运转。大家从未停止过为此而努力。本文刊载/《大桥养护与运营》杂志年第2期总第10期作者/W.PhillipYenBijanKhaleghi作者单位/华盛顿州交通厅桥梁与结构办公室
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