橋梁抗震設計與加固技術探討

李 影

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

作為地震多發(fā)的國家之一，我國許多地區(qū)時常出現(xiàn)地震災害，給當?shù)亟ㄖ铩?gòu)筑物等基礎設施以及人身安全造成了很大的影響。特別是橋梁作為確保交通正常運輸?shù)幕A，常常在地震災害下受到嚴重破壞，所以必須要采取有效的抗震設計策略，以及必要的加固技術。在這樣背景下，對橋梁抗震設計的策略以及常用的加固技術進行探討具有重要的現(xiàn)實意義。

1 橋梁抗震設計的必要性

我國是一個地震多發(fā)國家，地震會給當?shù)鼗A設施、人民生命安全等帶來嚴重危害。其中橋梁是地震災害下開展搶險救災，重建家園的重要保障，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關重要。但是在地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)卻非常容易因為設計不合理等原因而遭到破壞，如落梁破壞、墩柱破壞、蓋梁破壞、橋臺沉陷、節(jié)點破壞等等，并且這幾種橋梁結(jié)構(gòu)破壞彼此之間是相互影響的。比如，在橋梁結(jié)構(gòu)設計中如果采取了“頭重腳輕”這一結(jié)構(gòu)形式，那么容易在地震作用下因為彎曲或剪切強度不足等造成墩柱破壞，進而可能會誘發(fā)落梁乃至整個橋梁結(jié)構(gòu)倒塌。此外，不同抗震措施與地質(zhì)條件下所造成的橋梁結(jié)構(gòu)破壞類型及程度等也不相同。在強烈地震作用之下，橋梁結(jié)構(gòu)整體會受到地震作用的影響，所以為了最大程度減少地震作用對橋梁結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，對大跨度橋梁或不規(guī)則橋梁等進行抗震設計，力求最大程度提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，保證橋梁結(jié)構(gòu)不會在地震作用下受到嚴重破壞。

2 橋梁抗震設計的有效策略

2.1 優(yōu)化橋梁抗震總體設計

在橋梁抗震設計期間，先是對總體設計進行優(yōu)化。首先，合理選擇橋梁建設地址。一般需要保證橋梁建設場地的土質(zhì)具有良好的承載性與堅硬性，避免現(xiàn)場存在軟土地基，保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下不會造成地基失效問題，如粘土地基、人工填土或者存在松散的粉細砂等地區(qū)都不適宜為橋梁工程建設的區(qū)域。而比較理想的區(qū)域主要以硬粘土地基、基巖以及碎石類的地基等堅實度比較好的地基為主。其次，在確定橋型時需要綜合考慮橋梁工程建設現(xiàn)場的地形和地質(zhì)條件、橋梁工程規(guī)模以及地震災害防治經(jīng)驗等，優(yōu)先選擇便于進行維修、加固且合理經(jīng)濟的橋梁結(jié)構(gòu)形式。比如，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)本身具有質(zhì)輕、跨度大以及減震效果好等應用特征，成為橋梁抗震設計中比較重要的一種橋型結(jié)構(gòu)型式。最后，針對橋孔的設置，要采取等跨設置方式來改善其抗震性能，同時要避免大跨和高墩二者結(jié)合；并且選擇質(zhì)量與剛度分布均勻，自重較輕且比較簡單的體型，相應的重心也要盡可能降低，這樣不僅可以改善其抗震性能，也有利于更便捷地開展施工。如果橋梁位于地震作用下容易誘發(fā)泥石流的溝谷區(qū)域中，橋下凈高與孔跨都需要結(jié)合流域之內(nèi)的地質(zhì)和地形條件等來進行綜合考慮，必要的時候可以適當?shù)刈黾哟筇幚怼?/p>

2.2 增強橋梁體系的規(guī)則性

橋梁結(jié)構(gòu)體系的規(guī)則性會對整體橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來極大影響，進而會影響地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，所以在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設計過程中要保證其規(guī)則性，尤其是上部橋梁結(jié)構(gòu)要保持良好的連續(xù)性。如果橋梁結(jié)構(gòu)體系的規(guī)則性比較好，那么可以避免地震作用下橋梁的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)掉落問題，最大化提升橋梁結(jié)構(gòu)空間布置的合理性。這就需要在設計橋梁結(jié)構(gòu)期間在立面或平面上的設計中都要保持結(jié)構(gòu)在幾何尺寸、剛度與質(zhì)量分布上做到規(guī)整的同時，還應保持良好的對稱性與均勻性，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)突變問題，否則都會對橋梁結(jié)構(gòu)體系規(guī)則性帶來不利影響。比如，在橋梁結(jié)構(gòu)設計中，除了對橋墩、橋跨度等進行合理設計外，還要保證整體橋梁結(jié)構(gòu)設置的對稱性，如圖1所示的橋梁以中間跨為對稱軸，可以保證左右兩部分結(jié)構(gòu)保持良好對稱性，這樣可以更好地提升橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 某三跨橋橋梁結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 提升橋梁結(jié)構(gòu)使用性能

地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)會受到復雜的地震作用力，這樣容易破壞橋梁結(jié)構(gòu)，影響其使用性能。所謂的橋梁結(jié)構(gòu)使用性能，主要是指橋梁結(jié)構(gòu)或者橋梁構(gòu)件的延性與強度等，它們直接決定著整個橋梁結(jié)構(gòu)設計的穩(wěn)定性與可靠性，要高度重視提升橋梁結(jié)構(gòu)的延性、強度等使用性能。在地震發(fā)生后，地震波會使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動破壞，嚴格控制從地基傳入橋梁結(jié)構(gòu)的振動能量，該值越小越能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與此同時，要提升橋梁結(jié)構(gòu)的延性、剛度與強度等，避免它們在過大地震力作用下受到嚴重破壞。在不對剛度及重量進行改變的情況下，通過對橋梁結(jié)構(gòu)的總體延性與強度進行提升也是非常有效的抗震設計舉措。通過改善橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，可以對地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)變形情況進行有效控制；而橋梁結(jié)構(gòu)延性與強度也會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，尤其是地震作用下的作用力是具有周期性的，在橋梁結(jié)構(gòu)設計中要考慮周期反復作用下的結(jié)構(gòu)強度或剛度退化效應。比如，針對橋梁單墩結(jié)構(gòu)設計，為了提升橋墩結(jié)構(gòu)的延性，避免其在過大地震作用下出現(xiàn)延性破壞，可以按照如圖2所示的單墩模型結(jié)構(gòu)來科學設置一些彈性支座，保證可以更好地改善相應結(jié)構(gòu)部位的彈性變形性能，避免其出現(xiàn)延性破壞。又或者通過擴大橋梁結(jié)構(gòu)的截面及配筋率來改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度，使其可以在地震作用下更好地保持穩(wěn)固，避免其在地震作用下出現(xiàn)失穩(wěn)破壞而造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞。

圖2 基于彈性支座的橋梁結(jié)構(gòu)設計

2.4 采取多道抗震設防設計

單一的結(jié)構(gòu)設計無法有效保障地震作用下整體橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果可以采取多道設防的方式則可以借助層層抵御地震作用的方式來更好確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，力求借助前幾層防護體系的屈服作用來充分耗散或吸收地震作用下的沖擊能量，那么最后一道抗震防線就能更好地提升結(jié)構(gòu)抗震性。如此一來，借助層層抗震防線設計可以更好地確保橋梁結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性與安全性。

3 橋梁抗震設計中常用的加固技術

3.1 橋面補強層加固技術

在加固橋面期間借助補強層設置可以改善橋面的承載性，應用中需要首先清理掉原有橋梁橋面的鋪裝并進行鑿毛處理，之后再在上面鋪設一層厚度適宜的補強層。該種加固技術除了可以提升橋梁主梁結(jié)構(gòu)的有效高度，也能夠改善其橫向荷載分布性能，尤其是顯著改善單根梁柱結(jié)構(gòu)乃至整體橋梁結(jié)構(gòu)承載性能。但是這種加固技術需要采取人工作業(yè)方式，整體的工作量比較大，且耗時比較久，加之人工控制難度比較大，所以非常容易損壞原有的橋梁結(jié)構(gòu)。

3.2 擴大結(jié)構(gòu)截面加固技術

針對橋梁中的混凝土結(jié)構(gòu)，通過適當擴大結(jié)構(gòu)的橫截面積，可以顯著增強其強度，確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。比如，可以對橋梁面板進行加厚，或者可以對橋梁主梁的梁肋寬度進行增加來改善其承載性，保證其在地震作用下依舊保持很好的穩(wěn)固性。該種加固技術應用中需要保證下部橋梁結(jié)構(gòu)本身的承載性比較高，否則可能會因為上部荷載過大而危及橋梁結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性。

3.3 外粘加固材料加固技術

為了改善橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與承載性，避免其在過大地震力作用下出現(xiàn)破壞，外粘加固材料也是比較多用的一種加固技術。而常用的加固材料主要包括鋼板、FRP材料等等，這種加固技術本身的施工操作便捷，工作量比較小，且不會對原有橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞。其中鋼板加固中需要借助粘結(jié)劑在加固的構(gòu)件部位處粘貼鋼板如圖3所示，使其可以和橋梁結(jié)構(gòu)同時受力，以此改善整體橋梁結(jié)構(gòu)的剛度與承載性。而FRP材料本身是采用彈性與強度等性能優(yōu)異的復合型纖維材料，粘貼到橋梁當中用混凝土進行填充的結(jié)構(gòu)及構(gòu)建，使它們構(gòu)成一體之后來共同承受外部荷載。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)外粘鋼板

3.4 預應力加固技術

小體積的橋梁結(jié)構(gòu)涉及到比較少的用量，并且各項指標在地震作用下可能無法滿足抗震規(guī)定及要求，通過附設一些鋼質(zhì)桿來提前對橋梁結(jié)構(gòu)預設預緊力，從而加固橋梁結(jié)構(gòu)。通過有效應用預應力加固技術，可以對橋梁結(jié)構(gòu)的抗裂性、剛度乃至承載性等進行顯著改善。而其中所用到的鋼質(zhì)桿根據(jù)使用方式的不同可以分為拉桿和撐桿兩種類型。針對那些在承受荷載作用下出現(xiàn)變彎的橋梁結(jié)構(gòu)，可以借助設計拉桿的方式對橋梁結(jié)構(gòu)本身施加一定的拉力來抵消掉一部分橋梁結(jié)構(gòu)本身的自重作用力，以此可以降低通車過程中橋梁結(jié)構(gòu)所承受的荷載，改善橋梁結(jié)構(gòu)本身的抗裂性能，延長它們的使用年限。而撐桿主要設置于橋梁下端部位處，主要是對橋梁的軸心墩柱進行支撐，有效改善整體結(jié)構(gòu)的承載性。

3.5 裂縫修補加固技術

在現(xiàn)階段許多服役的橋梁中，由于年久失修或者其他原因，都或多或少出現(xiàn)了一些病害，裂縫就是最為常見的一種病害，會對整體橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來不利影響，甚至可能會因為鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕而逐漸出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問題，最終可能會使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌破壞。而在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，可以采取孔道灌漿施工技術來開展及時修補，保證防范裂縫的出現(xiàn)，從整體上確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

4 結(jié)束語

總之，抗震設計是橋梁結(jié)構(gòu)中不可或缺的設計要素，關系橋梁結(jié)構(gòu)整體安全性與穩(wěn)固性。在橋梁抗震設計期間，要注意優(yōu)化橋梁抗震總體設計，增強橋梁體系的規(guī)則性，提升橋梁結(jié)構(gòu)使用性能以及采取多道抗震設防設計提升整體結(jié)構(gòu)設計效果。與此同時，要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)況，靈活選用裂縫修補加固技術、預應力加固技術等一些加固技術來對橋梁結(jié)構(gòu)進行加固，保證從整體上提升橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。