公路橋梁抗震設計及加固技術研究
2015-09-14
前言
近些年來，在我國乃至世界地震災害頻頻發(fā)生，公路橋梁等交通工程在地震中遭到嚴重的破壞，為了在災害中減輕公路橋梁的損害程度，我們都覺得有必要增強橋梁的抗震能力，加強橋梁工程抗震的研究。在橋梁的設計與施工當中對橋梁的抗震能力有著特殊的要求，要做到預防為主兼顧治理，對現(xiàn)有的橋梁做好全面的調查，建立檔案，做好抗震設計工作，開展橋梁的抗震設計理論研究和試驗，做好抗震強度和穩(wěn)定的設計工作，滿足抗震要求。
一、橋梁的震害原因分析
現(xiàn)結合國內外以往的地震，大部分橋梁都會受到不同程度的破壞，分析其震害原因，主要有以下幾點：
1.橋臺震害其主要表現(xiàn)為橋臺與路基一起滑動并移向河心，以致橋頭、重力式橋臺的胸腔及樁柱式橋臺的樁柱不同程度沉降、開裂、傾斜和折斷等。另外，橋頭的沉降會導致翼墻損壞并開裂，而重力式橋臺胸腔開裂會引起整個臺體被移動并下沉。
2.橋墩震害在地震力作用下橋墩會不同程度的傾斜、沉降、滑移、開裂、剪斷和鋼筋裸露扭曲。
3.支座震害根據以往工作經驗，會發(fā)現(xiàn)某些橋梁的支座設計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、在構造上連接與支擋等構造措施不足等，以致支座在地震力作用下會發(fā)生較大的變形和位移。
4.地基與基礎震害在地震力作用下地基中的砂土會被液化，以致地基失效，基礎沉降或不均勻沉降，從而導致地面較大變形，地層發(fā)生水平滑移、下層、斷裂等。地基與基礎震害會使橋梁發(fā)生坍塌，給震后修復工作帶來困難。
5.梁的震害梁的震害主要是有橋臺震害、橋墩震害、支座震害等引起的，其主要表現(xiàn)為主梁墜落，這也是最嚴重的震害現(xiàn)象。
二、關于橋梁的抗震設計
1.體系的整體性和規(guī)則性
橋梁的整體結構要協(xié)調，上部結構應盡可能是連續(xù)的。較好的整體性結構可有效防止構件及非結構構件在地震時被震散掉落，同時它也是結構發(fā)揮空間作用的基本條件。不管是在平面還是在立體上，結構的設計都要力求使橋梁在質量、剛度、幾何尺寸等方面協(xié)調勻稱，避免突然變化。
2．提高結構和構件的強度和延性
橋梁結構的地震破壞源于地震動引起的結構振動，因此抗震設計要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，并使結構具有適當?shù)膹姸?、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，提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。剛度的選擇有助于控制結構變形；強度與延性則是決定結構抗震能力的兩個重要參數(shù)。由于地震動可造成結構和構件周期反復變形，使其剛度與強度逐漸退化，因此，只重視強度而忽視延性絕對不是良好的抗震設計。
3.強度安全度差異適中
能力設計思想強調強度安全度差異，即在不同構件與不同破壞模式之間建立不同的強度安全度。通過強度安全度差異，確保結構在大地震下以延性形式反應，不發(fā)生脆性的破壞模式。在我國以前的建筑工程抗震設計中，普遍采用“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構件”的設計思想。
4.設置多道防線
盡量使橋梁設計成具有多道抵抗地震側向力的體系，在高強度的地震中，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，超靜定結構優(yōu)于同種類型的靜定結構。
5.多階段設計方法
隨著對地震產生機理、地震動特性以及地震作用下各類結構動力特性、破壞機理、構件能力研究認識的加深以及對結構在不同發(fā)生概率地震作用下預期性能目標的不同，促使結構設計在設計原則、設防水準等各個方面進行不斷改進。由原來的單一設防水準一階段設計逐漸改進為雙水準或三水準兩階段設計、三階段設計，以及多水準設防、多性能目標準則的基于結構性能的設計等。
三、橋梁抗震加固技術
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動，導致橋梁橋體也會因此產生垂直和水平運動。橋體結構同時增加地震的荷載慣性力，加大他的變形和受力。豎直的慣性力只對不對稱的、雙懸臂結構的橋產生較大的地震力。
1．1伸縮縫加固
設置拉桿是針對橋梁結構出現(xiàn)位移時的一種有效方式。其在限制結構位移的同時，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雜的，并不能用簡單的彈性分析方法就能獲得結果，基于伸縮縫相對復雜的模型進行的非彈性動力分析，表明他們的最大縱向位移可以通過一定的公式計算出來。另外，可使用的方式還有拓寬支撐面，螺旋連接等方式進行加固。
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行加固。
1.3結構抗彎能力加固
加固效果問題，與橋梁上部結構加固方法相類似，同時應確定上部結構強度在發(fā)揮出來時所需要的變位程度是否會落在橋臺上，即地震是否被限制在縱向反應范圍之內；上部結構是否有足夠的延性承受等。此種方式主要從以下兩個方面入手：提高強度問題：減少作用力。
2.1拱橋上部結構抗震加固技術與方法一般來講，大跨徑拱橋比小跨徑拱橋更容易遭受地震破壞；高墩臺比低墩臺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，并對薄弱部分進行強化處理。
1）石拱橋的加固中，在拱圈跨中，1/4跨處增設三道鋼板、鋼筋混凝土、預應力混凝土錨箍拱圈，對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。在拱波個拱肋之間的裂縫，可以用環(huán)氧混凝土、混凝土進行壓漿處理；拱板上增設鋼筋網并用混凝土填筑，厚度應達10cm；鋼筋網的搭接應保證了拱圈的整體性；拱肋之間采用加強筋或梁進行連接；對橋墩、橋臺的放拱腳處采用加強鋼筋再澆筑混凝土進行增強處理，此時要注意負彎矩作用的影響。
2.2橋梁下部結構抗震加固技術與方法
在橋梁抗震加固設計中，基礎加固可能是最昂貴的，所以，根據原來結構的受損狀況，考慮到在受力狀態(tài)下地震對整體結構的影響，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，其他應進行基礎專項性考慮。
1）加固蓋梁一柱節(jié)點區(qū)。其主要方法有減少蓋梁中的地震力作用；提高蓋梁的抗彎強度；提高蓋梁的抗剪強度；提高蓋梁的抗扭強度；修復的可行性處理；連接節(jié)點預加力應力；用外套層加固結構連接點；更換節(jié)點；
2）提高基礎穩(wěn)定性。在地震中，基礎搖擺可以認為是隔震的一種措施，說明這種隔震方式有效的削減了橋墩和上部結構的地震影響。主要使用的加固方法有：錨桿法；增大基腳平面尺寸法；增設阻尼裝置法；連續(xù)梁法；
3）提高基礎抗剪能力。
四、結束語
總之，橋梁的抗震設計及抗震加固技術是一項很復雜的工程，我們應該充分吸收國外已有的研究成果，針對我國橋梁的實際情況，開展必要的試驗研究和理論分析工作。以更好的實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的分級設防標準，確保公路工程各結構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”。
