采用高強輕質混凝土橋梁抗震性能的影響分析

胡玥珥，方瑞星

(九江市公路管理局修水分局)

0 引 言

在公路交通運輸中，橋梁工程在地震中往往容易受到不同程度的損壞，輕者造成交通線路的中斷，影響物流運輸與搶險救災，重者引起多種次生災害，造成國家和人們巨大的經濟損失和生命安全危害。隨著交通運輸業的不斷發達，橋梁工程的質量安全問題也就成為了當前工程人員亟需重視的問題。盡管我國的橋梁工程在最初設計時已經將防震理念融入工程建設，但由于橋梁架構時相關材料的選用不夠準確合理，在實際投入使用中目標橋梁無法抵御地震的破壞。高強輕質混凝土是一種高抗震性的工程材料，將其應用于橋梁安全防護工程中，能夠有效降低地震風險。

1 高強輕質混凝土特點

由于普通混凝土的主要組成部分是水泥、石、砂和相關外加劑等，水、泥、石之間的粘結強度也就直接決定著混凝土的質量強度。但是傳統的混凝土在水、泥、石方面的粘結性比較弱，這就直接導致其強度低，無法應用于高強度材料需求的工程建設活動當中。高強輕質混凝土則是采用高強輕骨料配制的，一般強度等級達到CL40 以上的輕質混凝土。與傳普通混凝土相比較，高強輕質混凝土具有輕質、高耐久、低造價、靈活性好等優點。首先，高強輕質混凝土比普通的混凝土要輕20%左右，這就能夠有效地節約鋼筋材料，節制造價成本，在實施投入使用中，可以根據實際需求進行及時地翻新與加寬，從而減少地震的反力;其次，高強輕質混凝土具有高抗滲性、高抗凍、高抗腐蝕能力等特點，由于混凝土內部輕骨料與砂漿具有良好的結構協調性，直接減少了鋼材內部可能出現的裂紋現象;第三點是基于高強輕質混凝土的輕質特點上的施工低成本，在實際的橋梁維修和翻新作業中，高強輕質混凝土只需進行及時地穩定及加固作業，這樣以來可以大大縮短工程施工時間，減少施工成本，降低基礎結構造價，從而進一步地激發橋梁質量安全防護工程中靈活性，促進工程施工的結構優化。在當前的橋梁質量安全監測工作中，出現了眾多橋梁對修補材料有著巨量需求的缺口。而高強輕質混凝土的特性恰好能夠有力地填補這一缺口，它能夠在不進行過多工程成本計算的前提條件下，最大限度地提高修補材料的使用效率，切實提高橋梁的耐久性和承載能力，真正地滿足橋梁質量安全防護工程和交通運輸生產的現實需求。

高強輕質混凝土與普通混凝土的典型物理力學性能比較具體詳情，見表1。

表1 高強輕質混凝土與普通密度混凝土的典型物理力學性能比較

2 高強輕質混凝土對橋梁抗震的影響

2.1 有限元分析模型

某處連續混凝土橋梁其結構跨徑為6 ×25 m，中間分布4 個雙柱墩，主梁采用整體式的箱梁結構。針對這一情況，工程人員運用SAP2000 軟件建立橋梁動力有限元分析模型。該模型以順橋方向為x 軸，橫橋方向為y 軸，垂直方向為z 軸。主梁及橋墩等均采用空間梁單元模擬方式。

2.2 工況分析

在橋梁質量的監測實驗中，橋梁結構的橋墩和采用C40混凝土進行抗震計算，主梁采用了LC40 混凝土進行抗震計算，LC40 混凝土根據實際情況中彈性模量的差異，取值不同的混凝土密度。與此同時，該混凝土密度取為配筋輕骨料混凝土，泊松比取為0.2。

2.3 結果分析

(1)動力特性影響。高強輕質混凝土在橋梁建設工程中的具體監測數據結果表明，混凝土的材料密度與混凝土彈性模量對橋梁結構的高階模態的影響較大，高強輕質混凝土能夠有效使橋梁的前三階自振周期縮短，從第4 階開始對橋梁的振動周期影響不大。而與高強輕質混凝土相對的同一強度普通輕質混凝土對橋梁結構的振動周期的影響不大。

(2)地震響應的影響。在多跨連續梁橋梁結構中，地震對于橋梁結構的影響作用，縱向影響要大于橫向影響，同時橋梁結構的主梁縱向位移的大小也直接決定了橋梁伸縮縫結構的大小。普通混凝土橋梁結構的墩底軸力、墩底剪力、墩底彎矩響應均要比高強輕質混凝土要大。由此我們可以得知，高強輕質混凝土能有效地降低橋梁結構的地震內力響應。另一方面，不同高強輕質混凝土由于自身密度的不同，其對于橋梁結構地震內力響應的影響也不盡相同。經有關研究實驗論證，當配筋輕骨料混凝土的密度為19.5 時，此時橋梁結構墩底的內力響應最小，彈性模量為2.3E+04 MPa。另外，高強輕質混凝土橋梁結構的梁端位移程度遠遠低于普通輕質混凝土橋梁結構的梁端位移程度，而且高強輕質混凝土的密度越大，梁端架構的位移下降程度就越深。

2.3 高強輕質混凝土對橋梁抗震的案例分析

上世紀六七十年代，鐵道部大橋局聯合上海建筑科學研究所等單位共同合作，全面深入地研究論證了高強輕質混凝土在鐵路和公路橋梁中的實際應用效果及其影響。相關專家使用高強混凝土配制技術，以高強粉煤灰陶粒配置生產CLSO 級別的高強輕質混凝土，并先后采用粘土陶粒混凝土或粉煤灰陶粒混凝土實驗建成了30 多座公路橋.這些公路橋屬于16.0～21.4 m 之間的小跨度公路橋，在橋梁構造上兼有鋼筋輕質混凝土和少量的預應力輕質混凝土。每隔5年，專家組對這些公路橋工程進行實地調查，經過數據分析和判斷，部分輕質混凝土出現隨著時間增長強度也隨之增加的特征，目標地區的輕質混凝土碳化深度平均達到1.2～1.4 mm，數據低于同齡期普通混凝土;多年使用監測，橋體未發現明顯的鋼筋銹蝕現象;橋面輕質混凝土耐磨性良好，外露的陶粒并未受到損耗或者破壞。實踐證明，將高強輕質混凝土投入應用于橋梁安全防護工程中，能夠有效提高橋梁質量，提高抵御地震風險的能力。

3 結 語

在當前的橋梁工程建設活動中，橋梁質量安全工程是工程人員需要認真對待的重大任務。高強輕質混凝土具有輕質、高耐久、低造價、靈活性好等優點，在相關的建筑工程、交通工程等領域已經展示出其顯著的特點和優勢。通過研究分析高強輕質混凝土橋梁結構對地震響應的影響，具體的實驗數據和結果表明，高強輕質混凝土能夠有效地減小橋梁高階自振周期，減小橋梁結構的地震內力響應和位移響應，值得在橋梁建設工程中推廣使用。

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