橋梁震害分析及加固維修措施
2015-07-13
1 引言
近年來地震災害頻發(fā)，不斷危害人民的生命財產安全。地震中由于山體滑坡、橋梁倒塌和公路損毀，使得震中區(qū)交通完全中斷，救援人員及物資受阻，給地震應急救援工作帶來了極大困難。地震中保障交通運輸生命線工程的安全十分重要。
2008年的汶川大地震（M8.0），2009年的青海玉樹大地震（M7.1）都造成了大量橋梁的嚴重破壞。本文通過對上述橋梁震害的研究分析，揭示其在設計和施工方面的缺陷，結合現有的抗震設計理論及方法，提出了相關改進的措施和加固維修方法。
2 橋梁震害的特征及其分析
橋梁工程結構物的破壞與其所處的環(huán)境、地基和基礎密切相關。汶川地區(qū)地形復雜，屬于典型的高山峽谷地形，地形大落差大，地震作用突出；玉樹地區(qū)位于青藏高原凍土地區(qū)，地基受溫度作用影響大，同等級烈度的地震對該地區(qū)的橋梁建筑物作用更明顯。
汶川地區(qū)和玉樹地區(qū)的橋梁結構形式包括：簡支梁橋、連續(xù)梁橋、曲線梁橋和連續(xù)剛構橋、斜拉橋和拱橋
等。通過統(tǒng)計發(fā)現[1-3]，梁式橋整體抗震性能較拱橋和斜拉橋差，在地震作
用下，主要發(fā)生以下破壞形式：1、上部結構梁板偏移、落梁（圖1）。這主要是由于主梁和橋墩之間的連接比較薄弱造成。早期的橋梁板自重大，地震作用下剪力也大，并且很多只是簡單的搭接在橋墩上，沒有固定錨固，地震中容易偏位；后期的橋梁在主梁和橋墩之間一般設置板式橡膠支座，地震中穩(wěn)定性能較差，導致主梁易發(fā)生橫、縱向位移，乃至發(fā)生落梁。2、連續(xù)梁橋的震害主要集中在支座與下部結構中。連續(xù)梁橋的墩柱主要震害有彎曲型、剪切型及彎剪混合型破壞。比如，高橋墩連續(xù)梁橋易發(fā)生彎曲型破壞，固定墩底出現塑性鉸（圖2），保護層混凝土的開裂、剝落，隨后受拉鋼筋屈服。若塑性鉸區(qū)約束箍筋配置或者縱向鋼筋搭接、焊接技術有缺陷，極易產生由于墩柱的延性能力不足導致的墩柱的倒塌。盡管現階段橋梁抗震規(guī)范多采用依靠連續(xù)梁橋固定墩損傷耗能的延性設計的抗震設計思想，但從震后橋梁破壞的形態(tài)來看，隨著橋梁抗震技術的發(fā)展，靠固定墩延性抗震設計的連續(xù)梁橋體系也不再是最理想的橋梁抗震體系。3 連續(xù)剛構橋雖然整體性較好，但在震害中橋墩容易受損裂開，對橋梁的耐久性影響很大，且產生的裂縫需要維修。連續(xù)剛構橋總體的震害明顯輕于相近的簡支梁橋和連續(xù)梁橋。4 拱橋震害在這些地區(qū)不太常見，除了斜腿剛構橋和剛架拱橋，一般石拱橋、鋼管混凝土拱橋、卵石實腹式拱橋等顯示除了良好的抗震性能。
3 橋梁抗震設計理念及加固措施
針對不同形式的橋梁，有關學者提出了不同的抗震設計理念。
關于梁式橋防落梁的設計理念，主要有以下幾種。臺灣學者張國鎮(zhèn)在集地震橋梁震害經驗基礎上，提出了“功能性支承”的設計概念。王東升等[4]也提出了相似的理念，比如允許主梁在橡膠支座頂部滑移，底部與橋墩錨栓連接采用“浮放”模式，以提供相對穩(wěn)定的滑動面；加大蓋梁的支承寬度，以消耗地震能量，同時防止落梁；通過一些輔助設備，比如蓋梁邊緣設置擋塊或墩梁間設置拉索限位器等防止落梁。
地震區(qū)的橋梁應根據橋址地震烈度和場地地質條件合理的選擇抗震體系。若橋址處于高烈度地震區(qū)，應優(yōu)先選擇采用減、隔震措施的連續(xù)梁橋。即使采用了減、隔震裝置的簡支梁，由于整體性不強，發(fā)生落梁及梁端碰撞等震害的機率仍較高。由于現有的減、隔震技術的局限性，將其應用在拱橋、連續(xù)剛構橋的技術尚不成熟，并且關于連續(xù)剛構橋的抗震性能還沒有明確的研究結果。若橋址處于良好的地址條件，應優(yōu)先選擇連續(xù)剛構橋和拱橋橋型。
對于產生震害的橋梁，首先應對橋梁受損程度進行評估鑒定。若破壞情況不是特別嚴重，基于經濟性的考慮，應對其進行加固修護。常見的修護加固技術包括橋梁裂縫的修復和橋梁結構的加固。
對于橋梁裂縫的修復，主要采用以下方式：（1）)表面噴涂：在處理后的裂縫表面噴射一層粘度極高且密度極大的水泥砂漿保護層，進行裂縫的修補。（2）粘貼鋼板法：對于已經產生主裂縫的鋼筋混凝土構件，先對裂縫進行處理，在此基礎上再在裂縫處粘結鋼板并對鋼板進行有效加壓。（3）粘貼碳纖維布加固法：碳纖維布自重輕，施工方便，且不增加結構荷載。其加固施工的原理類似粘鋼加固法，施工程序為：表面處理-涂刷底膠-修補找平-膠料配制-粘貼碳纖維布-修護檢驗。
若震后橋梁橋墩出現輕微破壞，比如墩柱頂部開裂或者墩底出現損壞，可以考慮在墩頂采用粘貼碳纖維布進行結構的加固補強；墩底部位采用外包混凝土的方法進行結構的加固補強或者加大墩底截面面積進行加固補強。
4實例介紹
下面以玉樹地震中禪古寺一號橋的震害及加固措施為例，說明震害橋梁的實際加固處理辦法。該橋主要出現了以下破壞形式：1、抗震擋塊出現斷裂；2、墩頂、墩底出現環(huán)向裂縫；3、支座出現移位、脫空、開裂現象。對其的維修及加固措施如下：對于工況1，首先對梁板頂升進行糾偏，恢復至原位； 然后對抗震錨栓進行復位；用C40細石混凝土修復破損擋塊 ，內側增設橡膠墊塊。對于工況2，墩柱頂部裂縫采用粘結碳纖維板的加固處理辦法；墩柱底部，封閉處理后外包20cm的C40細石混凝土（參入了適量纖維和膨脹劑）進行修復。對于工況3，在梁板頂升糾偏復位之后，落梁之前，更換全橋支座；利用環(huán)氧砂漿修復開裂、破損的支座墊石。
5結束語
本文對汶川地震和玉樹地震中的橋梁震害進行了分析，討論了不同形式橋梁的震害特征，并提出了相關的抗震設計理念和加固維修措施，希望對實際工程有一定的幫助作用。
