山區高速公路橋梁的抗震設計和加固設計

馬鵬

摘 要：回顧近年來發生的自然地質災害，山區地震災害的發生率最高，地震災害導致的經濟損失幾乎是不計其數，造成的人員傷亡也非常慘重， 公路橋梁在抗震救災中擔負著物質、人員運送的重要作用，因此必須積極做好公路橋梁施工建設的抗震加固。在簡述橋梁震害產生原因的基礎上，對橋梁抗震設計進行深入分析，包括抗震概念設計、延性抗震設計和性能抗震設計，并提出幾種常用的橋梁抗震與加固方法，可為實際的橋梁設計與加固提供參考。

關鍵詞：山區高速公路橋梁;抗震設計;加固設計;墩柱結構

引言

地震對橋梁的影響和破壞產生的危害較大，為盡可能減少橋梁震害， 提高橋梁整體的抗震能力，需要在做好抗震設計的基礎上，采用合理有效的抗震及加固技術，從根本上保證橋梁安全，并延長橋梁的使用壽命。

1山區高速公路橋梁的主要震害

1.1橋墩和橋臺的震害

山區所具備的較為特殊的地質情況以及地質結構，使得在進行山區公路建造時，橋梁的橋臺以及橋墩高度高于常規橋梁的高度。在橋梁結構中，橋臺和橋墩主要承載橋梁的上部結構，并將來自上部結構的力量傳遞給橋梁的地基基礎，并且橋臺和橋墩還承受著一些來自水平方向的剪切應力。發生地震時，剪切應力以及鉸力就會對墩臺產生一定的破壞作用。針對不同的墩臺類型，如剛性墩臺當發生地震時上部結構會出現位移，而墩臺在水平作用力下會出現變形，隨著地震的持續，在往復的水平作用力下，墩柱就會出現變形垮塌導致橋梁坍塌。有時會采用柔性墩臺的橋梁在地震的反復水平作用力下，墩臺的連接部分會出現塑性鉸，這種力量會使得混凝土在持續不斷的地震作用下出現崩裂和坍塌，最終失去承重能力。

1.2梁和支座的震害

一種是因為地震使梁板出現了較大位移，另一種是梁板本身的結構出現了嚴重的破損。第一種情況是地震導致梁板較大的位移，因地震的不規則晃動，梁板的位移會包含橫向及縱向甚至扭曲的位移，這種位移較常出現在橋梁的連接處伸縮縫等位置。當橋梁在地震過程中其梁板位移超過了橋梁設計所能承載的最大位移，這時梁板就有可能移動到支撐其墩柱的外側發生梁板掉落，最終引發橋梁崩塌。橋梁的上部結構以及下部結構通常由支座進行支撐和連接，當發生較為嚴重的地震時，梁體就會出現較大的位移，使得橋梁上部產生的巨大作用力傳遞給支座，當這種力超過支座所能承受的外力時，支座就會出現變形。導致支座出現變形或嚴重損害，其主要原因是在橋梁設計過程中，沒有將科學的防震等級問題納入橋梁設計考量內容，當出現較為嚴重的地震時，會在強大的剪力作用下出現脫落的情況。

2公路橋梁抗震設計與抗震加固措施

2.1抗震概念設計

因地震的發生具有不確定性，而且結構計算模型難免與實際情況存在很大差異，導致計算設計難以對結構自身抗震性能進行控制，所以不可完全依賴于設計計算，對橋梁結構而言，其抗震性能在很大程度上取決于概念設計。基于此，對橋梁工程進行方案設計時，不可只按照功能要求與結合靜力分析結果確定方案，而是要充分考慮橋梁結構抗震性能，選擇適宜的抗震體系。在開展抗震概念設計的過程中，應對橋梁上下部結構之間的連接予以高度重視，并做好橋墩形式選擇與過渡孔部位的連接設計和塑性鉸部位確定。為了使設計確定的結構能在實際情況下發揮出良好的抗震效果，還要進行必要的分析，包括動力特性分析與對地震反應進行評估，之后根據結構設計對其抗震薄弱部位予以分析，同時確定是否需要采用配筋或者是構造設計等方法來提高這些薄弱部位抗震性能。在完成了以上設計工作后，還要以分析結果為依據對體系綜合抗震性能予以綜合評判，以此確定是否需要對設計方案進行修改。

2.2性能抗震設計

性能抗震設計即以性能為基礎的抗震設計，屬于一種總體性的設計思想，是指通過設計使結構性能在受到各種地震作用后依然可以達到預期目標。完成性能抗震設計后，結構要在受到一定強度的地震作用后，產生的破損狀態與造成的各方面損失都在允許范圍之內，確保結構受地震作用影響后的功能依然能夠維持與延續。性能抗震設計主要特點在于能使設計目標從最初的定性變為量化，使抗震設計從基本的保障安全變成地震后結構性能仍能保持，通過不同層次的設計，最大限度發揮設計的安全保障作用，最終滿足業主提出的安全和性能要求。性能抗震設計主要涉及以下幾方面內容：（1）確定危險源，并對其進行科學的定義;（2）確定結構受地震作用后可能產生的損傷及性能降低情況;（3）確定適宜的設計方法，如承載力、位移與能量設計方法。

2.3設計塑性鉸區鋼筋

由于此次橋梁工程中墩柱根部為橋梁預期塑性鉸位置，要求加強對其的配筋設計，通過對設計圖中主墩截面配筋圖的分析能夠看到箍筋縱向間距為18cm。因此在加箍設計過程中將箍筋縱向間距設置為10cm，由此提升橋梁結構延性。

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度，特別是在縱向鋼筋終接于中間高度而沒有足夠展開長度的橋墩上。這提高了柱的延性，因為可以避免過早的剪切破壞。但若僅提高橋墩的延性，則地震后橋墩處產生的殘余位移可能增加。因此，還應提高抗彎強度。然而，橋墩抗彎強度的增加往往會增加從橋墩傳遞到地基的地震力。通過對各種類型基礎的分析，發現當橋墩抗彎強度增長率小于2時，由于地震力的增加而導致的基礎破壞可能并不顯著。因此，建議在該限值范圍內增加橋墩的抗彎強度，以免對基礎造成嚴重損壞。針對這種要求，建議采用鋼夾套進行抗震加固，并控制抗彎強度的增加，在現有柱周圍使用鋼套。在混凝土表面和鋼套之間注入環氧樹脂或補償收縮砂漿。鋼導管架和基腳頂部之間的橋墩底部有一個小間隙。這可以防止彎曲強度過度增加。為了以可控的方式增加柱的抗彎強度，在鋼套底部提供錨定螺栓。它們被鉆入基腳。通過選擇合適的錨桿數量和尺寸，可以控制橋墩抗彎強度的提高程度，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，位于導管架的下端。這可防止縱筋膨脹，并保持導管架的限制作用。為了驗證這種加固方法的有效性，可進行循環荷載試驗，以檢查竣工和加固鋼筋混凝土柱的抗震性能。

2.5加強支座結構防震加固

針對橋梁工程加強縱向限位消能裝置的設置，選擇在支座、伸縮縫位置處，采用加固措施包括橡膠支座、布設彈性擋塊等，避免橋梁工程運行過程中梁體出現較大位移而可能產生的風險。通過限位消能裝置，減弱地震帶來的能量對橋梁的不良影響，以此提升橋梁的抗震能力。

結束語：山區高速公路線路是山區經濟和居民的生命線，由于山區地帶橋梁項目比較多，當地震災害導致橋梁坍塌，將會使山區與外界隔絕開來，這種現象既會加重山區人員傷亡和財物損失，也會對抗震救災工作的有效開展形成嚴重負面影響，因此相關人員必須充分重視山區公路橋梁抗震設計，并重點研究抗震加固策略，借此確保山區公路橋梁抗震性能的優越性。

參考文獻：

[1]] 張穩. 山區公路橋梁抗震設計與抗震加固措施研究[J]. 工程技術研究，2020，5（4）：239-240.

[2]汪泉清. 高烈度區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.公路橋梁設計要點及具體思路芻議[J].住宅與房地產，2019，4（22）：156.