淺談簡(jiǎn)支梁橋的抗震加固設(shè)計(jì)
2015-07-09
簡(jiǎn)支梁橋震害的破壞形式及震害原因分析
（一）簡(jiǎn)支梁橋震害的破壞形式
1、上部結(jié)構(gòu)破壞
對(duì)于梁式結(jié)構(gòu)由于地震效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)本身的破壞在報(bào)道中見(jiàn)的不多。梁式結(jié)構(gòu)破壞多是在地震作用下支撐連接構(gòu)件破壞或下部結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的落梁。而落梁對(duì)墩臺(tái)側(cè)壁的撞擊又對(duì)下部結(jié)構(gòu)造成破壞。
2、下部結(jié)構(gòu)破壞圬工
下部一般出現(xiàn)傾斜、倒塌、開裂破壞。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)輕微開裂、保護(hù)層混凝土剝落、縱向受力主筋壓曲，截面變化處核心混凝土壓碎等。
3、基礎(chǔ)破壞
擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基的承臺(tái)因本身剛度比較大，自身震害極少見(jiàn)。多是地基發(fā)生沉降、滑移造成基礎(chǔ)變位。樁基礎(chǔ)卻有發(fā)生剪斷、傾斜的破壞。
?。ǘ┱鸷υ?br />
1、地基土的影響
由于地基土(如飽和粉細(xì)紗和飽和粘沙土)的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響，進(jìn)而放大了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時(shí)，則使樁基的承載力降低，從而造成與地震反應(yīng)無(wú)關(guān)的過(guò)大的豎向和橫向位移，而簡(jiǎn)支梁橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外，由于地基軟弱，地震時(shí)當(dāng)部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜，下沉等嚴(yán)重變形，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞，震害較重。
2、支座破壞
在地震力的作用下，由于支座設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮抗震要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過(guò)大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。
下部結(jié)構(gòu)缺陷
由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部的開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。
簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)的思想
?。ㄒ唬┛拐鸶拍钤O(shè)計(jì)
由于地震的發(fā)生存在不確定因素和復(fù)雜因素，同時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型需要假定結(jié)果且與實(shí)際情況存在較大差異，以致“計(jì)算設(shè)計(jì)”在一定程度上較難控制結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不能完全依賴計(jì)算，“概念設(shè)計(jì)”其實(shí)比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更加重要。而良好的“概念設(shè)計(jì)”將直接影響著結(jié)構(gòu)抗震性能。良好的“概念設(shè)計(jì)”必須是，在設(shè)計(jì)橋梁方案階段應(yīng)根據(jù)功能要求、靜力分析和橋梁的抗震性能等取舍抗震結(jié)構(gòu)體系。
在抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視上、下部結(jié)構(gòu)連接部位和過(guò)渡孔處連接部位的設(shè)計(jì)及塑性鉸預(yù)期部位和橋墩形式的選?。粦?yīng)對(duì)動(dòng)力特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析、對(duì)地震反應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，接著結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位、構(gòu)造設(shè)計(jì)及是否能通過(guò)配筋等進(jìn)行進(jìn)一步地分析。以分別保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、抗震安全性和在橋址處的場(chǎng)地條件下所選擇的結(jié)構(gòu)體系是良好的結(jié)構(gòu)體系。最后，應(yīng)根據(jù)分析結(jié)果對(duì)抗震性能的優(yōu)劣進(jìn)行綜合性評(píng)判，再?zèng)Q定是否對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。
?。ǘ┭有钥拐鹪O(shè)計(jì)
簡(jiǎn)支梁橋的抗震延性設(shè)計(jì)主要是反復(fù)進(jìn)行以下兩項(xiàng)工作：
仔細(xì)地對(duì)預(yù)期會(huì)出現(xiàn)的塑性鉸部位進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)；
為保證抗震安全性應(yīng)分析并驗(yàn)算整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力這兩個(gè)階段，直到通過(guò)抗震能力驗(yàn)算。
?。ㄈ蛄簻p、隔震設(shè)計(jì)
此設(shè)計(jì)可以較好地提高橋梁抗震能力，并且具有簡(jiǎn)便、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。此種設(shè)計(jì)的裝置主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的能量耗散能力的增大或者增大結(jié)構(gòu)主要振型周期使其落在能量較少的范圍內(nèi)兩種措施使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減少。在進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地地震波頻率特性，選用適合的設(shè)置方案、相應(yīng)參數(shù)、及減隔震裝置，并對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行合理地分配。
簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)及加固的要點(diǎn)
（一）抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1、利用橋墩延性減震
利用橋墩的延性減震是當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計(jì)中常用的方法。橋墩延性減震是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性，以便在強(qiáng)震作用下使這些部位形成穩(wěn)定的延性塑性鉸產(chǎn)生彈塑性變形來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。
在進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按彈性反應(yīng)譜計(jì)算塑性反應(yīng)的地震荷載需要修正。橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用了綜合影響系數(shù)來(lái)反映塑性變形的影響，其理論依據(jù)是，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段時(shí)，地震荷載可以比彈性結(jié)構(gòu)的地震荷載折。結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)主要考慮了這一因素。
對(duì)常規(guī)的簡(jiǎn)支橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)橋面的連續(xù)構(gòu)造，以及需提供足夠的加固寬度以防止主梁發(fā)生位移落梁，另外還應(yīng)適當(dāng)?shù)募訉挾张_(tái)頂蓋梁及支座的寬度，并增設(shè)防止位移的隔擋裝置。
在地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)以采用跨度相等、每聯(lián)連續(xù)跨內(nèi)下部墩身剛度相等為宜?？缍炔痪丈韯偠炔坏葮O易發(fā)生震害，這已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外許多震害所證實(shí)。對(duì)各墩高度相差較大的情況可采用調(diào)整墩頂支座尺寸和樁頂設(shè)允許墩身位移的套筒來(lái)調(diào)整各墩的剛度，以便使之剛度盡量保持一致。
對(duì)高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)在縱向設(shè)置一定的消能裝置，如采用減、隔震支座(如聚四氟乙烯支座、迭層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等)以及在梁體和墩臺(tái)的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以便共同受力和減小水平橋梁荷載。
墩柱設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的使用螺旋形箍筋，以便為墩柱提供足夠的約束。另外墩身及基礎(chǔ)的縱向鋼盤伸入蓋梁和承臺(tái)應(yīng)有一定的錨固長(zhǎng)度以增強(qiáng)連接點(diǎn)的延性，并且，橋墩基腳處應(yīng)有足夠的抵抗墩柱彎矩與剪切力的能力，不允許有塑性鉸接。
6、橋梁位置應(yīng)選在良好和穩(wěn)定的河段，如果必須在穩(wěn)定性差的軟弱場(chǎng)地上河段通過(guò)時(shí)，應(yīng)盡量采用橋梁中線與河流正交，這樣即使地震產(chǎn)生河岸滑移，影響也較小；若采用斜交，地震時(shí)極易產(chǎn)生河岸向河心滑移，會(huì)使橋梁隨之發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)破壞。
另外，應(yīng)注意在主河槽與河灘分界的地形突變處，應(yīng)盡量避免設(shè)墩，否則應(yīng)予以加強(qiáng)措施以減免滑移。
（二）加固設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
1、維護(hù)結(jié)構(gòu)連接件
當(dāng)支承連接件不能承受橋梁上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相對(duì)位移時(shí)可能會(huì)失去相應(yīng)的作用，并導(dǎo)致梁體墜毀。而這種情況往往都是由施工單位和養(yǎng)護(hù)單位在橋梁支承連接件的性能質(zhì)量的重視度不夠所引起的。因此，我們應(yīng)定期對(duì)橋梁支座、伸縮縫等連接構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)。在國(guó)內(nèi)目前采用較多的維護(hù)方法有采用擋塊、連梁裝置等安裝于伸縮縫等上部接縫處；安裝限位裝置于簡(jiǎn)支的相鄰梁間；為耗散作用于機(jī)構(gòu)的地震能量增加耗能裝置及減隔震支座；增加支承面的寬度等措施。此外，在橋梁使用期間定期檢查并維護(hù)支座時(shí)應(yīng)隨時(shí)清除伸縮縫內(nèi)的雜物。
2、加固上部結(jié)構(gòu)
加固上部結(jié)構(gòu)主要有粘貼鋼板加固法、增大截面加固法和結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法。粘貼鋼板加固法主要在梁板橋的主梁底部出現(xiàn)嚴(yán)重橫向裂縫時(shí)使用。在粘貼鋼板、鋼筋或纖維時(shí)應(yīng)特別注意粘貼位置，即粘貼位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離中性軸加固區(qū)。同時(shí)還應(yīng)注意黏結(jié)劑的性能以保證錨固的可靠性；增加截面加固法主要是增設(shè)鋼筋在橋梁下部以提高主梁的抗彎能力。同時(shí)，如果增設(shè)的鋼筋較多可考慮將主梁下部的截面面積增大以避免超筋構(gòu)件的出現(xiàn)。
另外，應(yīng)設(shè)置錨固筋、傳力銷、剪力鍵等可靠的連接物在新老結(jié)構(gòu)材料之間以避免增加的重量破壞原截面；結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法主要指將可承受負(fù)彎矩的鋼筋設(shè)置在簡(jiǎn)支梁的梁端，使相鄰兩主梁連起來(lái)就可形成多跨連續(xù)梁，進(jìn)而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。
3、加固下部結(jié)構(gòu)
下部結(jié)構(gòu)的加固主要有柱罩、填充墻、連梁、加固支座、加固帽梁、橋臺(tái)和加固基礎(chǔ)等措施。填充墻具有提高柱的橫向能力和限制柱的橫向位移等特點(diǎn)，可用于多柱橋梁；連梁可提高混凝土排架的橫向能力。連梁可置于排架底部標(biāo)高處替代墩帽，也可置于地面標(biāo)高和排架底部標(biāo)高之間的某個(gè)位置以調(diào)整特定排架的橫向剛度；一直以來(lái)支座都是地震中受損最容易的部位，而為加固支座現(xiàn)在一般都采用隔震支座加固橋梁的方式，此外還有用鉛芯橡膠支座或者纜索與彈性支座配套使用代替彈性支座的方法。
結(jié)語(yǔ)
綜上，簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)有效的抗震和加固措施還有許多,因此我們?cè)跇蛄涸O(shè)計(jì)過(guò)程中只要認(rèn)真分析和了解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和特性,精心設(shè)計(jì)并采取一系列有效的抗震措施,我們不但可以很好地達(dá)到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果,同時(shí)對(duì)提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)功能性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)性同樣是有益的。
