山區(qū)高速公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)和加固設(shè)計(jì)

馬鵬

摘 要：回顧近年來(lái)發(fā)生的自然地質(zhì)災(zāi)害，山區(qū)地震災(zāi)害的發(fā)生率最高，地震災(zāi)害導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失幾乎是不計(jì)其數(shù)，造成的人員傷亡也非常慘重， 公路橋梁在抗震救災(zāi)中擔(dān)負(fù)著物質(zhì)、人員運(yùn)送的重要作用，因此必須積極做好公路橋梁施工建設(shè)的抗震加固。在簡(jiǎn)述橋梁震害產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，包括抗震概念設(shè)計(jì)、延性抗震設(shè)計(jì)和性能抗震設(shè)計(jì)，并提出幾種常用的橋梁抗震與加固方法，可為實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)與加固提供參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速公路橋梁;抗震設(shè)計(jì);加固設(shè)計(jì);墩柱結(jié)構(gòu)

引言

地震對(duì)橋梁的影響和破壞產(chǎn)生的危害較大，為盡可能減少橋梁震害， 提高橋梁整體的抗震能力，需要在做好抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用合理有效的抗震及加固技術(shù)，從根本上保證橋梁安全，并延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

1山區(qū)高速公路橋梁的主要震害

1.1橋墩和橋臺(tái)的震害

山區(qū)所具備的較為特殊的地質(zhì)情況以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得在進(jìn)行山區(qū)公路建造時(shí)，橋梁的橋臺(tái)以及橋墩高度高于常規(guī)橋梁的高度。在橋梁結(jié)構(gòu)中，橋臺(tái)和橋墩主要承載橋梁的上部結(jié)構(gòu)，并將來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的力量傳遞給橋梁的地基基礎(chǔ)，并且橋臺(tái)和橋墩還承受著一些來(lái)自水平方向的剪切應(yīng)力。發(fā)生地震時(shí)，剪切應(yīng)力以及鉸力就會(huì)對(duì)墩臺(tái)產(chǎn)生一定的破壞作用。針對(duì)不同的墩臺(tái)類型，如剛性墩臺(tái)當(dāng)發(fā)生地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)位移，而墩臺(tái)在水平作用力下會(huì)出現(xiàn)變形，隨著地震的持續(xù)，在往復(fù)的水平作用力下，墩柱就會(huì)出現(xiàn)變形垮塌導(dǎo)致橋梁坍塌。有時(shí)會(huì)采用柔性墩臺(tái)的橋梁在地震的反復(fù)水平作用力下，墩臺(tái)的連接部分會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，這種力量會(huì)使得混凝土在持續(xù)不斷的地震作用下出現(xiàn)崩裂和坍塌，最終失去承重能力。

1.2梁和支座的震害

一種是因?yàn)榈卣鹗沽喊宄霈F(xiàn)了較大位移，另一種是梁板本身的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損。第一種情況是地震導(dǎo)致梁板較大的位移，因地震的不規(guī)則晃動(dòng)，梁板的位移會(huì)包含橫向及縱向甚至扭曲的位移，這種位移較常出現(xiàn)在橋梁的連接處伸縮縫等位置。當(dāng)橋梁在地震過(guò)程中其梁板位移超過(guò)了橋梁設(shè)計(jì)所能承載的最大位移，這時(shí)梁板就有可能移動(dòng)到支撐其墩柱的外側(cè)發(fā)生梁板掉落，最終引發(fā)橋梁崩塌。橋梁的上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)通常由支座進(jìn)行支撐和連接，當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的地震時(shí)，梁體就會(huì)出現(xiàn)較大的位移，使得橋梁上部產(chǎn)生的巨大作用力傳遞給支座，當(dāng)這種力超過(guò)支座所能承受的外力時(shí)，支座就會(huì)出現(xiàn)變形。導(dǎo)致支座出現(xiàn)變形或嚴(yán)重?fù)p害，其主要原因是在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有將科學(xué)的防震等級(jí)問(wèn)題納入橋梁設(shè)計(jì)考量?jī)?nèi)容，當(dāng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的地震時(shí)，會(huì)在強(qiáng)大的剪力作用下出現(xiàn)脫落的情況。

2公路橋梁抗震設(shè)計(jì)與抗震加固措施

2.1抗震概念設(shè)計(jì)

因地震的發(fā)生具有不確定性，而且結(jié)構(gòu)計(jì)算模型難免與實(shí)際情況存在很大差異，導(dǎo)致計(jì)算設(shè)計(jì)難以對(duì)結(jié)構(gòu)自身抗震性能進(jìn)行控制，所以不可完全依賴于設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)而言，其抗震性能在很大程度上取決于概念設(shè)計(jì)?；诖耍瑢?duì)橋梁工程進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，不可只按照功能要求與結(jié)合靜力分析結(jié)果確定方案，而是要充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，選擇適宜的抗震體系。在開(kāi)展抗震概念設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)之間的連接予以高度重視，并做好橋墩形式選擇與過(guò)渡孔部位的連接設(shè)計(jì)和塑性鉸部位確定。為了使設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)能在實(shí)際情況下發(fā)揮出良好的抗震效果，還要進(jìn)行必要的分析，包括動(dòng)力特性分析與對(duì)地震反應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，之后根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其抗震薄弱部位予以分析，同時(shí)確定是否需要采用配筋或者是構(gòu)造設(shè)計(jì)等方法來(lái)提高這些薄弱部位抗震性能。在完成了以上設(shè)計(jì)工作后，還要以分析結(jié)果為依據(jù)對(duì)體系綜合抗震性能予以綜合評(píng)判，以此確定是否需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。

2.2性能抗震設(shè)計(jì)

性能抗震設(shè)計(jì)即以性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，屬于一種總體性的設(shè)計(jì)思想，是指通過(guò)設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)性能在受到各種地震作用后依然可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。完成性能抗震設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)要在受到一定強(qiáng)度的地震作用后，產(chǎn)生的破損狀態(tài)與造成的各方面損失都在允許范圍之內(nèi)，確保結(jié)構(gòu)受地震作用影響后的功能依然能夠維持與延續(xù)。性能抗震設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)在于能使設(shè)計(jì)目標(biāo)從最初的定性變?yōu)榱炕?，使抗震設(shè)計(jì)從基本的保障安全變成地震后結(jié)構(gòu)性能仍能保持，通過(guò)不同層次的設(shè)計(jì)，最大限度發(fā)揮設(shè)計(jì)的安全保障作用，最終滿足業(yè)主提出的安全和性能要求。性能抗震設(shè)計(jì)主要涉及以下幾方面內(nèi)容：（1）確定危險(xiǎn)源，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的定義;（2）確定結(jié)構(gòu)受地震作用后可能產(chǎn)生的損傷及性能降低情況;（3）確定適宜的設(shè)計(jì)方法，如承載力、位移與能量設(shè)計(jì)方法。

2.3設(shè)計(jì)塑性鉸區(qū)鋼筋

由于此次橋梁工程中墩柱根部為橋梁預(yù)期塑性鉸位置，要求加強(qiáng)對(duì)其的配筋設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖中主墩截面配筋圖的分析能夠看到箍筋縱向間距為18cm。因此在加箍設(shè)計(jì)過(guò)程中將箍筋縱向間距設(shè)置為10cm，由此提升橋梁結(jié)構(gòu)延性。

2.4抗震加固

單排架柱抗震加固鋼筋混凝土柱抗震加固的主要目的是提高其抗剪強(qiáng)度，特別是在縱向鋼筋終接于中間高度而沒(méi)有足夠展開(kāi)長(zhǎng)度的橋墩上。這提高了柱的延性，因?yàn)榭梢员苊膺^(guò)早的剪切破壞。但若僅提高橋墩的延性，則地震后橋墩處產(chǎn)生的殘余位移可能增加。因此，還應(yīng)提高抗彎強(qiáng)度。然而，橋墩抗彎強(qiáng)度的增加往往會(huì)增加從橋墩傳遞到地基的地震力。通過(guò)對(duì)各種類型基礎(chǔ)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋墩抗彎強(qiáng)度增長(zhǎng)率小于2時(shí)，由于地震力的增加而導(dǎo)致的基礎(chǔ)破壞可能并不顯著。因此，建議在該限值范圍內(nèi)增加橋墩的抗彎強(qiáng)度，以免對(duì)基礎(chǔ)造成嚴(yán)重?fù)p壞。針對(duì)這種要求，建議采用鋼夾套進(jìn)行抗震加固，并控制抗彎強(qiáng)度的增加，在現(xiàn)有柱周圍使用鋼套。在混凝土表面和鋼套之間注入環(huán)氧樹(shù)脂或補(bǔ)償收縮砂漿。鋼導(dǎo)管架和基腳頂部之間的橋墩底部有一個(gè)小間隙。這可以防止彎曲強(qiáng)度過(guò)度增加。為了以可控的方式增加柱的抗彎強(qiáng)度，在鋼套底部提供錨定螺栓。它們被鉆入基腳。通過(guò)選擇合適的錨桿數(shù)量和尺寸，可以控制橋墩抗彎強(qiáng)度的提高程度，該間隙是引起柱底部彎曲破壞所必需的。矩形截面的橋墩周圍也安裝有H型梁，位于導(dǎo)管架的下端。這可防止縱筋膨脹，并保持導(dǎo)管架的限制作用。為了驗(yàn)證這種加固方法的有效性，可進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，以檢查竣工和加固鋼筋混凝土柱的抗震性能。

2.5加強(qiáng)支座結(jié)構(gòu)防震加固

針對(duì)橋梁工程加強(qiáng)縱向限位消能裝置的設(shè)置，選擇在支座、伸縮縫位置處，采用加固措施包括橡膠支座、布設(shè)彈性擋塊等，避免橋梁工程運(yùn)行過(guò)程中梁體出現(xiàn)較大位移而可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)限位消能裝置，減弱地震帶來(lái)的能量對(duì)橋梁的不良影響，以此提升橋梁的抗震能力。

結(jié)束語(yǔ)：山區(qū)高速公路線路是山區(qū)經(jīng)濟(jì)和居民的生命線，由于山區(qū)地帶橋梁項(xiàng)目比較多，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害導(dǎo)致橋梁坍塌，將會(huì)使山區(qū)與外界隔絕開(kāi)來(lái)，這種現(xiàn)象既會(huì)加重山區(qū)人員傷亡和財(cái)物損失，也會(huì)對(duì)抗震救災(zāi)工作的有效開(kāi)展形成嚴(yán)重負(fù)面影響，因此相關(guān)人員必須充分重視山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)研究抗震加固策略，借此確保山區(qū)公路橋梁抗震性能的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

[1]] 張穩(wěn). 山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)與抗震加固措施研究[J]. 工程技術(shù)研究，2020，5（4）：239-240.

[2]汪泉清. 高烈度區(qū)裝配式公路橋梁抗震性能研究[J]. 中外公路，2020， 40（6）：132-135.

[3]劉冰.公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及具體思路芻議[J].住宅與房地產(chǎn)，2019，4（22）：156.