橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)淺析
2015-05-08
隨著我國城市化進(jìn)程加快，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施之一的公路交通其重要性越來越突出。同時(shí)，我國處于地震多發(fā)地帶，尤其是近幾年不斷發(fā)生各種等級的地震。在地震發(fā)生時(shí)，不僅會有大量的地面建筑物及各種設(shè)施遭到破壞或倒塌，大量人員傷亡，而且還會嚴(yán)重造成交通中斷。若作為抗震救災(zāi)生命線工程之一的公路交通（尤其是鐵路橋梁、城市高架、公路橋梁等公路工程的咽喉要道）受到較大損壞，將會給后續(xù)救助工作造成極大的困難。
此外，目前我國公路行業(yè)現(xiàn)采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(jtg/t b02-01-2008)，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(jtg/t b02-01-2008)較《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(jtj 004-89)在設(shè)計(jì)思想、安全設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序和構(gòu)造細(xì)節(jié)等諸多方面均有很大的變化和深入。
1 橋梁與抗震我國處于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間,是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國家,汶川、玉樹地震表明強(qiáng)烈地震將引發(fā)長期的社會政治、經(jīng)濟(jì)問題，并帶來難以慰籍的感情創(chuàng)傷。在抗震救災(zāi)中，公路交通運(yùn)輸網(wǎng)更是搶救人民生命財(cái)產(chǎn)和盡快恢復(fù)生產(chǎn)、重建家園、減輕次生災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)，所以公路橋梁是生命系統(tǒng)工程中的重要組成部分，公路橋梁抵抗震害的能力是橋梁設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。橋梁震害中獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識是推動(dòng)橋梁抗震設(shè)計(jì)的原動(dòng)力，1971年美國san fernand地震(6.6級)、1989年美國北加州的lonm pfieta地震(7.1級)、1995年日本阪神大地震(7.2級)、2008年汶川大地震(8.0級)等影響巨大的地震引起了工程界的重視和廣泛探討。隨著建筑物與地震反應(yīng)關(guān)系的研究深入，橋梁抗震設(shè)計(jì)理論得到了提高與拓展，2008年我國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(jtg/tb02-01-2008)替代原來的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范)(jtj004-89)，是我國橋梁設(shè)計(jì)的一大進(jìn)步，根據(jù)歷次大地震的調(diào)查研究，公路橋梁的地震破壞主要形式總結(jié)歸納如下：
(1)橋梁上部結(jié)構(gòu)受水平力作用滑落(汶川百花大橋落梁)；
(2)橋墩塑性鉸的抗彎、抗剪強(qiáng)度不足，導(dǎo)致橋墩破壞(日本阪神大量墩柱破壞)；
(3)橋墩、樁基礎(chǔ)鋼筋的連接及錨固性能不足，導(dǎo)致橋墩破壞(最為常見)；
(4)橋梁支座等連接部位破壞(最為常見)。常規(guī)橋梁抗震設(shè)計(jì)首先應(yīng)是抗震構(gòu)造措施，根據(jù)汶川地震相關(guān)調(diào)查表明干線公路橋梁由于采用了合理的抗震構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)安全富裕較多，震后其破壞遠(yuǎn)小于地方道路橋梁?？拐饦?gòu)造措施是總結(jié)橋梁震害經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的設(shè)計(jì)原則，事實(shí)表明抗震構(gòu)造措施可以起到有效減輕震害作用，而所耗費(fèi)的工程代價(jià)往往較低。
2 橋梁設(shè)計(jì)與抗震措施
2.1 防止落梁的措施《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》指出上部結(jié)構(gòu)主梁的支承長度a≥70+0.5l(l為梁的計(jì)算跨徑，l單位為m，a單位為cm)，該取值沿用自日本抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，多數(shù)設(shè)計(jì)者認(rèn)為規(guī)范取值較為保守，比上一代規(guī)范《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(jtj004-89))有較大提高(a≥50+l)。這里需指出該種認(rèn)識屬于誤區(qū)，當(dāng)“長橋高墩”時(shí)應(yīng)在規(guī)范基礎(chǔ)上給予更多的安全富余。
例如：都汶高速公路廟子坪岷江大橋第10跨(跨徑50m、墩高70m)。雖然蓋梁寬度高達(dá)3.0m(根據(jù)《橋梁抗震細(xì)則》要求，含伸縮縫寬度取2.1m即可)，但該橋還是發(fā)生縱向落梁，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意“長橋高墩”,特別是設(shè)置有伸縮縫的相鄰聯(lián)橋墩，不僅要將主梁支承長度取值放大一些，還需要設(shè)置主梁限位裝置。根據(jù)國外規(guī)范以及《抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》精神，同時(shí)應(yīng)設(shè)置縱向防落梁構(gòu)造，同時(shí)應(yīng)注意限位裝置不得有礙于防落梁構(gòu)造的發(fā)揮。根據(jù)汶川地震后的調(diào)查表明橫橋向抗震擋塊的破壞非常普遍，2010年玉樹震區(qū)橋梁調(diào)查也存在同樣問題，說明當(dāng)前擋塊設(shè)計(jì)存在薄弱的問題，主要表現(xiàn)為構(gòu)造尺寸偏小，主筋配筋偏少，擋塊內(nèi)側(cè)缺少減震橡膠塊，特別是在斜彎橋設(shè)計(jì)中應(yīng)比直線橋具備更多的考慮。擋塊內(nèi)側(cè)不僅應(yīng)設(shè)置橡膠塊，還應(yīng)考慮留有不小于5cm的縫隙，多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)將橋墩擋塊設(shè)置為與蓋梁邊緣齊平的方法是欠考慮的，往往造成施工誤差調(diào)整困難以及上述5cm縫隙難以保證，故建議橋墩蓋梁端部懸出擋塊外1ocm為宜。
2.2 支座型式和布置方式支座選型長期以來被忽視，常規(guī)梁橋多采用普通橡膠支座，汶川地震后的調(diào)查表明普通橡膠支座破壞后加劇了橋梁損傷，建議根據(jù)橋梁設(shè)防要求，選用適用的支座類型?；镜卣饎?dòng)峰加速度峰值0.1g地區(qū)和以上地區(qū)應(yīng)選擇減震型橡膠支座。支座的布置是否合理至關(guān)重要，汶川百花大橋第5聯(lián)(5×20m)采用一個(gè)固定支座，其余墩為活動(dòng)支座，導(dǎo)致全聯(lián)上部結(jié)構(gòu)水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔(dān)，該橋墩迅速破壞后，造成全聯(lián)坍塌。對于連續(xù)梁橋在設(shè)置固定支座后，應(yīng)充分考慮固定支座設(shè)置對抗震的不利影響，慎用墩梁固結(jié)方案，應(yīng)注重考慮各墩水平受力的平均分擔(dān)。
2.3 柱式橋墩的合理設(shè)計(jì)柱式墩是橋梁設(shè)計(jì)中最為常見的結(jié)構(gòu)形式，日本阪神地震中顯示出大量圓形獨(dú)柱墩崩潰性破壞，汶川地震相關(guān)資料表明矩形墩要優(yōu)于圓形墩，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)首先盡量避免選用抗震性能差的圓形獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)先選擇矩形截面形式。其次應(yīng)重視橋墩中間的橫梁設(shè)置，橫梁剛度不宜過大，避免導(dǎo)致“強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)”的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在墩柱之上，而不是橫梁上，致使結(jié)構(gòu)失效。結(jié)構(gòu)剛度的均衡是總的設(shè)計(jì)原則，一般指縱橋向相鄰高度不宜相差過大，同時(shí)注意當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡時(shí)，橫橋向也會出現(xiàn)墩柱高度差異，條件容許時(shí)可以考慮進(jìn)行開挖，以保證橫橋向墩柱剛度的均衡。
3 橋梁的抗震加固技術(shù)對于處于地震多發(fā)區(qū)的已經(jīng)修建的橋梁，應(yīng)根據(jù)更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想對其進(jìn)行抗震性能評價(jià)，并結(jié)合評價(jià)結(jié)果考慮是否應(yīng)給予相應(yīng)的抗震加固措施。
3.1 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)生的相對位移時(shí)可能會失去相應(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)定期對橋梁支座、伸縮縫等連接構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)。在國內(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；安裝限位裝置于簡支的相鄰梁間；為耗散作用于結(jié)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。
3.2 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)置在簡支梁的梁端，使相鄰兩主梁連起來就可形成多跨連續(xù)梁，進(jìn)而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。
3.3 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；帽梁加固方法最常見的是給現(xiàn)有帽梁增設(shè)墊板；橋臺加固主要有兩種方法，一是支座延長裝置，二是用木材、混凝土或鋼筋填塞夾縫，后者采用較多；通?；A(chǔ)加固的方法是增設(shè)覆蓋層、均勻增加基礎(chǔ)、增加接觸面積或?qū)⒒A(chǔ)錨固于土中等。
4 結(jié)論要做好橋梁的抗震設(shè)計(jì)，就要不斷加深對地震機(jī)理的認(rèn)識,提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)功能,以及橋梁抗震構(gòu)造措施進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。目前我國對于橋梁抗震加固技術(shù)相對比較成熟,在實(shí)踐過程當(dāng)中要結(jié)合公路橋梁的特點(diǎn),這樣才能有效的提高我國公路橋梁的抗震性能和抵御地震災(zāi)害的能力。
