公路橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)研究
2015-09-14
前言
近些年來(lái)，在我國(guó)乃至世界地震災(zāi)害頻頻發(fā)生，公路橋梁等交通工程在地震中遭到嚴(yán)重的破壞，為了在災(zāi)害中減輕公路橋梁的損害程度，我們都覺得有必要增強(qiáng)橋梁的抗震能力，加強(qiáng)橋梁工程抗震的研究。在橋梁的設(shè)計(jì)與施工當(dāng)中對(duì)橋梁的抗震能力有著特殊的要求，要做到預(yù)防為主兼顧治理，對(duì)現(xiàn)有的橋梁做好全面的調(diào)查，建立檔案，做好抗震設(shè)計(jì)工作，開展橋梁的抗震設(shè)計(jì)理論研究和試驗(yàn)，做好抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定的設(shè)計(jì)工作，滿足抗震要求。
一、橋梁的震害原因分析
現(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外以往的地震，大部分橋梁都會(huì)受到不同程度的破壞，分析其震害原因，主要有以下幾點(diǎn)：
1.橋臺(tái)震害其主要表現(xiàn)為橋臺(tái)與路基一起滑動(dòng)并移向河心，以致橋頭、重力式橋臺(tái)的胸腔及樁柱式橋臺(tái)的樁柱不同程度沉降、開裂、傾斜和折斷等。另外，橋頭的沉降會(huì)導(dǎo)致翼墻損壞并開裂，而重力式橋臺(tái)胸腔開裂會(huì)引起整個(gè)臺(tái)體被移動(dòng)并下沉。
2.橋墩震害在地震力作用下橋墩會(huì)不同程度的傾斜、沉降、滑移、開裂、剪斷和鋼筋裸露扭曲。
3.支座震害根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)某些橋梁的支座設(shè)計(jì)并未充分考慮抗震的需求，如某些支座形式和材料上存在缺陷、在構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足等，以致支座在地震力作用下會(huì)發(fā)生較大的變形和位移。
4.地基與基礎(chǔ)震害在地震力作用下地基中的砂土?xí)灰夯?，以致地基失效，基礎(chǔ)沉降或不均勻沉降，從而導(dǎo)致地面較大變形，地層發(fā)生水平滑移、下層、斷裂等。地基與基礎(chǔ)震害會(huì)使橋梁發(fā)生坍塌，給震后修復(fù)工作帶來(lái)困難。
5.梁的震害梁的震害主要是有橋臺(tái)震害、橋墩震害、支座震害等引起的，其主要表現(xiàn)為主梁墜落，這也是最嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。
二、關(guān)于橋梁的抗震設(shè)計(jì)
1.體系的整體性和規(guī)則性
橋梁的整體結(jié)構(gòu)要協(xié)調(diào)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的。較好的整體性結(jié)構(gòu)可有效防止構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)被震散掉落，同時(shí)它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。不管是在平面還是在立體上，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都要力求使橋梁在質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等方面協(xié)調(diào)勻稱，避免突然變化。
2．提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和延性
橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞源于地震動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此抗震設(shè)計(jì)要力圖使從地基傳入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量為最小，并使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和延性，以防止不能容忍的破壞。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強(qiáng)度和延性是兩個(gè)有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結(jié)構(gòu)變形；強(qiáng)度與延性則是決定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個(gè)重要參數(shù)。由于地震動(dòng)可造成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件周期反復(fù)變形，使其剛度與強(qiáng)度逐漸退化，因此，只重視強(qiáng)度而忽視延性絕對(duì)不是良好的抗震設(shè)計(jì)。
3.強(qiáng)度安全度差異適中
能力設(shè)計(jì)思想強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度安全度差異，即在不同構(gòu)件與不同破壞模式之間建立不同的強(qiáng)度安全度。通過(guò)強(qiáng)度安全度差異，確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，不發(fā)生脆性的破壞模式。在我國(guó)以前的建筑工程抗震設(shè)計(jì)中，普遍采用“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想。
4.設(shè)置多道防線
盡量使橋梁設(shè)計(jì)成具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，在高強(qiáng)度的地震中，一道防線遭到破壞后，則有另一道防線可以支撐著橋梁，不至于使橋梁出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。
5.多階段設(shè)計(jì)方法
隨著對(duì)地震產(chǎn)生機(jī)理、地震動(dòng)特性以及地震作用下各類結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、破壞機(jī)理、構(gòu)件能力研究認(rèn)識(shí)的加深以及對(duì)結(jié)構(gòu)在不同發(fā)生概率地震作用下預(yù)期性能目標(biāo)的不同，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)原則、設(shè)防水準(zhǔn)等各個(gè)方面進(jìn)行不斷改進(jìn)。由原來(lái)的單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段設(shè)計(jì)逐漸改進(jìn)為雙水準(zhǔn)或三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)、三階段設(shè)計(jì)，以及多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)準(zhǔn)則的基于結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)等。
三、橋梁抗震加固技術(shù)
地震波傳到地基，使橋梁因受地震的影響而引起垂直和水平運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致橋梁橋體也會(huì)因此產(chǎn)生垂直和水平運(yùn)動(dòng)。橋體結(jié)構(gòu)同時(shí)增加地震的荷載慣性力，加大他的變形和受力。豎直的慣性力只對(duì)不對(duì)稱的、雙懸臂結(jié)構(gòu)的橋產(chǎn)生較大的地震力。
1．1伸縮縫加固
設(shè)置拉桿是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移時(shí)的一種有效方式。其在限制結(jié)構(gòu)位移的同時(shí)，也可在相鄰框架間傳遞縱向地震力。他們之間的相互作用是復(fù)雜的，并不能用簡(jiǎn)單的彈性分析方法就能獲得結(jié)果，基于伸縮縫相對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行的非彈性動(dòng)力分析，表明他們的最大縱向位移可以通過(guò)一定的公式計(jì)算出來(lái)。另外，可使用的方式還有拓寬支撐面，螺旋連接等方式進(jìn)行加固。
1.2落梁抗震加固
落梁抗震加固可以從兩方面入手，一方面是縱向落梁的抗震加固，一方面是橫向落梁的抗震加固。橫向落梁加固方面通常采用鋼絲繩橫向連接加固，另外可用橫向擋板方式進(jìn)行加固。
1.3結(jié)構(gòu)抗彎能力加固
加固效果問(wèn)題，與橋梁上部結(jié)構(gòu)加固方法相類似，同時(shí)應(yīng)確定上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在發(fā)揮出來(lái)時(shí)所需要的變位程度是否會(huì)落在橋臺(tái)上，即地震是否被限制在縱向反應(yīng)范圍之內(nèi)；上部結(jié)構(gòu)是否有足夠的延性承受等。此種方式主要從以下兩個(gè)方面入手：提高強(qiáng)度問(wèn)題：減少作用力。
2.1拱橋上部結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)與方法一般來(lái)講，大跨徑拱橋比小跨徑拱橋更容易遭受地震破壞；高墩臺(tái)比低墩臺(tái)更容易遭受地震破壞；多孔連續(xù)拱橋比單孔橋更容易遭受地震破壞；雙曲拱橋比板式拱橋更容易遭受地震破壞，這些都要引起足夠的重視。拱橋的加固，主要以整體加固為主，并對(duì)薄弱部分進(jìn)行強(qiáng)化處理。
1）石拱橋的加固中，在拱圈跨中，1/4跨處增設(shè)三道鋼板、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土錨箍拱圈，對(duì)于拱上建筑的處理與梁式橋的處理方式相同。
2）雙曲拱橋的加固。在拱波個(gè)拱肋之間的裂縫，可以用環(huán)氧混凝土、混凝土進(jìn)行壓漿處理；拱板上增設(shè)鋼筋網(wǎng)并用混凝土填筑，厚度應(yīng)達(dá)10cm；鋼筋網(wǎng)的搭接應(yīng)保證了拱圈的整體性；拱肋之間采用加強(qiáng)筋或梁進(jìn)行連接；對(duì)橋墩、橋臺(tái)的放拱腳處采用加強(qiáng)鋼筋再澆筑混凝土進(jìn)行增強(qiáng)處理，此時(shí)要注意負(fù)彎矩作用的影響。
2.2橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)與方法
在橋梁抗震加固設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)加固可能是最昂貴的，所以，根據(jù)原來(lái)結(jié)構(gòu)的受損狀況，考慮到在受力狀態(tài)下地震對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，確定出加固方法。除了地基土液化及斜坡上土體體滑移所引起損害外，其他應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)專項(xiàng)性考慮。
1）加固蓋梁一柱節(jié)點(diǎn)區(qū)。其主要方法有減少蓋梁中的地震力作用；提高蓋梁的抗彎強(qiáng)度；提高蓋梁的抗剪強(qiáng)度；提高蓋梁的抗扭強(qiáng)度；修復(fù)的可行性處理；連接節(jié)點(diǎn)預(yù)加力應(yīng)力；用外套層加固結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)；更換節(jié)點(diǎn)；
2）提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性。在地震中，基礎(chǔ)搖擺可以認(rèn)為是隔震的一種措施，說(shuō)明這種隔震方式有效的削減了橋墩和上部結(jié)構(gòu)的地震影響。主要使用的加固方法有：錨桿法；增大基腳平面尺寸法；增設(shè)阻尼裝置法；連續(xù)梁法；
3）提高基礎(chǔ)抗剪能力。
四、結(jié)束語(yǔ)
總之，橋梁的抗震設(shè)計(jì)及抗震加固技術(shù)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工程，我們應(yīng)該充分吸收國(guó)外已有的研究成果，針對(duì)我國(guó)橋梁的實(shí)際情況，開展必要的試驗(yàn)研究和理論分析工作。以更好的實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的分級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，確保公路工程各結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震安全度，使公路交通成為安全、可靠的“生命線工程”。
