法國南部馬蒂格市的地標性橋梁，A55高速公路上的卡隆特高架橋，由於橋面結構和部分構件受溫度梯度作用而出現了嚴重的病害，法國當局決定對高架橋進行大修加固，並在此基礎上對該橋進行抗震評估和改造。
在對比了多個抗震加固方案後，最終選定的方案包括更換和柔化橋梁的支承體系，在每個橋臺和橋墩上增加橫向剪力鍵，並在每個橋臺縱向安裝高承載力預應力減震器。方案還涵蓋了特定的巖土技術試驗，有效規避了該地土壤液化的風險。根據法國現行的抗震規範，該方案已接近新建橋梁所需抗震性能的70%，預期成本約為全部橋梁平均維修成本的15%，維修比重建的僅略高於1%。
初始設計
A55高速公路穿過運河，延伸至貝爾灣（Berre Bay）和南法境內的地中海流域。卡隆特高架橋是由一座全長300m的剛構橋和4座各長300m的預應力混凝土引橋組成。
該橋設計於1967年至1968年，並於1972年竣工通車。這一時期的抗震措施遵循的是法國早年頒布的抗震規則PS69，與現行的Eurocode 8和法國新制定的國家抗震規範相比，其抗震性能明顯偏低。此外，最初安裝在該橋不同構件之間的地震動力隔震器，在多年的車輛荷載作用下，早已受到損壞。
圖1 卡隆特高架橋位置圖與法國地震帶分布
整體設計
卡隆特高架橋中跨長130m，邊跨長85m，主橋採用正交異性箱梁，橋墩底部鉸接，預應力混凝土引橋採用T形梁，北向為6跨，跨徑259.5m；南向為7跨，跨徑314.5m。橋墩高度為23.85m至45m不等。根據基礎土體的特性，橋墩建在淺層地基和深樁地基上。地基土體由深度可變、性能良好的泥灰巖和潛在的液化粉砂組成。
抗震防護
卡隆特高架橋的設計符合法國早年制定的PS69抗震規範，採用了約0.1g(=1m/s2)的靜態等效橫向加速度。然而, 法國近年頒布的抗震規範對於同等規模的新橋，需採用的靜態橫向加速度約為0.53g，其所產生的峰值地面加速度agr=1.1m/s2，土壤係數S=1.6，重要性因素I=1.2，反應譜最大動力放大係數最低為2.5，該數值取決於橋梁結構的振動模態周期。
圖2 嚴重損壞的抗衝擊傳遞裝置
從縱橋向來看，抗震防護最初是基於主橋和4座鋼-混凝土高架橋之間安裝的抗衝擊傳遞裝置，該裝置在向橋臺傳遞地震動力荷載的同時，允許自由地伸長與收縮。然而，由於細部結構和剛性連接不允許任何局部轉動，這些抗震裝置在車輛荷載作用下受到嚴重損壞，已無法再使用。
從橫橋向來看，只有在主橋與引橋之間的最高墩上設置混凝土擋塊（剪力鍵），以及在每個橋臺上設置從橋面到基礎底部的摩擦力假設，才能實現抗震。其他任何支座上都沒有再安裝額外的減震裝置。
抗震評估
結構方面
圖3 卡隆特高架橋的三維有限元模型（由PCP軟體生成）
卡隆特高架橋自通車以來，由於混凝土老化嚴重，已被多次進行現場檢查。這些自2003年啟動的檢查使該橋進入修復階段，修復內容包括填補裂縫，增加體外預應力鋼束，以及附屬設備和支座的改裝或更換。此外，由於原有的衝擊傳遞裝置已無法正常使用，因此，重新進行抗震評估和改造也被納入到修復工程中。
抗震評估利用該橋梁結構的三維有限元模型，並結合縱向時程分析和橫向反應譜模態分析進行地震評估；抗震分析使用了由Cerema集團開發的PCP結構軟體。
抗震評估很快得出結論，即已建結構無法承受新規範中的縱向、橫向地震荷載。縱向破壞預計與結構受到的衝擊力有關，有可能導致落梁或體外預應力錨固破壞，以及橋臺基礎不穩定，而橫向破壞最有可能導致因側向阻尼器能力不足而發生落梁現象，而橋臺被破壞的風險則尤為令人擔憂。
圖4 根據場地頻譜特性校正的加速度圖
土壤液化方面
由於橋位所處的場地條件和淤泥、砂層的土壤特性較差，現場巖土工程勘察(標準貫入試驗和壓電錐) 自2006年以來便開始進行，以確定規範抗震作用下的土壤液化潛力。
除現場調查之外，Cerema集團位於法國普羅旺斯艾克斯的實驗室於2009年，進行了室內循環三軸試驗。最後，這些互為補充的巖土技術調查結果和具體分析報告，使我們能夠得出結論，在現場地震條件下可以排除土壤液化危害。
抗震改造
圖5 基本模態形狀與周期（橫向平面圖）
該抗震改造項目以研究和比較不同的抗震改造方案為目的，通過迭代過程確定抗震改造方案，縱向方向已經測試了四種不同的結構配置，以生成可減少地震力(每個橋臺的基礎抵抗能力限定為16 MN)和位移(現有橋面與橋臺背牆之間的裂縫限制在3cm以內)的優化設計。這四種方案分別為：
1.在主橋與引橋之間使用剛性連接裝置（即減隔震裝置），並在每個橋臺安裝滑動支座（類似於最初的設計方案)；
2.在每一跨的端部使用地震黏滯阻尼器；
3.在主橋與引橋之間使用剛性連接裝置(即減隔震裝置)，並在每個橋臺安裝黏滯阻尼器；
4.在主橋與引橋之間使用滑動裝置，並在每個橋臺安裝黏滯阻尼器。
圖6 每個橋臺所安裝的黏滯阻尼器
縱橋向方面，迭代過程使上述的第四種配置成為改造方案，每個橋臺都安裝了性能較強的黏滯阻尼器，滑動裝置使得主橋在地震力作用下可以「單獨」移動。這一最優配置使每個橋臺的地震荷載達到12mn，每個混凝土橋面的地震位移減小到2cm以下。在這種結構中，橋墩和地基的阻力也起到了作用，且無須對這些構件進行額外的結構幹預。
由於黏滯阻尼器的性能取決於速度，因此改造過程採用時程分析對結構進行了驗證。為此，團隊使用了五種不同的加速度，並根據場地頻譜特性進行了校正。
橫橋向來看，用柔性支座替換現有的彈性支座，並在每個跨端，即橋臺和較高的橋墩位置處添加一些橫向混凝土；同時，每個中間支座上都安裝了額外的安全防護裝置，以防止落梁；足夠的間隙使彈性支座的變形能力得到發揮，並有力地增加了基本模態的振動周期。
圖7 縱向局部安全裝置在預應力錨固區的防護應用
為達到令人滿意的縱向抗震防護效果，改造措施主要包括，在引橋的預應力混凝土T梁和支座之間安裝黏滯阻尼器。事實上，為了在橋臺的固定位置嘗試適應不同的荷載條件，例如熱膨脹、車輛載荷量超標等，改造項目最終選擇了帶有液壓保險絲約束的流體彈簧阻尼器。
此外，為防止預應力錨固與橋臺背牆的相互衝擊，在一些位置上還額外安裝了安全塞。
在橫向方面，根據前述的改造原理，還對橋面進行了提升、更換彈性支承，並使用墩帽處的預應力鋼束，為混凝土側擋塊(剪力鍵)進行剛性連接。這些擋塊也被用作附加預應力鋼束的錨固塊。
最後，對該橋的抗震改造成本進行了評估，改造成本約佔全部橋梁平均修復成本的15%，略高於結構更換成本的1%(即修復重建比)。根據法國現行的抗震規範，根據已使用的地震加速度，該橋的抗震性能可以達到新建橋梁所需的抗震性能的70%至100%。
圖8 提升橋面後更換的彈性支承
卡隆特高架橋的抗震評估與改造，是法國首次對此類規模的結構進行幹預。由於該橋老化狀況嚴重，因此該抗震評估及改造對該橋進行了全面的修復，且對Cerema集團新制定的《現有橋梁的抗震評估和改造指南》進行了理論指導。
在通過迭代過程對不同的改造方案進行研究與對比後，選擇了較為溫和的幹預方式，幹預內容包括將現有彈性支承替換為柔性支座，在每跨端部的承重帽梁上安裝橫向混凝土擋塊，以及在中間墩上安裝安全擋塊，以防止橫向橋面脫位，並在每個橋臺上安裝高強度的黏滯阻尼器，將縱向力和位移降低到可接受的數值。
由於土壤液化的危害已通過現場調查和特定的實驗室試驗(循環三軸試驗)得出結論，土壤液化在現有地震作用下發生的可能為零，因此可從分析中排除。
本文刊載 /《橋梁》雜誌 2019年 第4期 總第90期
作者 / Denis Davi
作者單位 / 法國Cerema集團地中海大區分公司
文章來源 / IABSE SYMPOSIUM NANTES 2018 Proceedings