山區(qū)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)與抗震加固措施分析

馬志翔

安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司 安徽 合肥 230000

引言

隨著我國(guó)交通設(shè)施的發(fā)展，山區(qū)公路建設(shè)已步入新的發(fā)展階段。橋梁作為公路建設(shè)的主要部分和連接樞紐，在山路交通環(huán)境下發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于山區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)與抗震加固措施的應(yīng)用得到人們的重視，地震災(zāi)害不僅威脅建筑物安全，也給交通路網(wǎng)帶來(lái)破壞。因此，應(yīng)按照當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防等級(jí)，在橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)，保障公路交通安全。

1 山區(qū)公路橋梁的常見(jiàn)震害及特征分析

1.1 梁與支座部分震害

橋梁地震災(zāi)害中，梁部的震壞是地震作用下最嚴(yán)重的破壞形式，如果梁板受到破壞，橋面也將會(huì)斷裂或者崩塌，甚至引發(fā)下部結(jié)構(gòu)墩柱與支座受到影響。山區(qū)橋梁中，橋梁縱坡一般比較大，梁板的破壞主要有兩種形式，一種是梁板結(jié)構(gòu)震壞，另一種是地震下的位移而引發(fā)的破壞，其中后者最為常見(jiàn)，位移震害主要有橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)位移震害三種，橋梁端頭位置設(shè)置了伸縮縫，該部位最容易受到位移震害，如果梁板位移超出限制，梁板移動(dòng)到支撐面之外，就會(huì)引發(fā)落梁震害，并引發(fā)橋梁崩塌事故。

支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要部分，也是十分重要的傳力構(gòu)件，在地震力的作用之下，梁體產(chǎn)生位移，導(dǎo)致瞬間上部結(jié)構(gòu)作用力向支座部位傳遞，支座難以承受變形。出現(xiàn)該問(wèn)題的原因與橋梁設(shè)計(jì)未按照實(shí)際防震等級(jí)選擇支座有關(guān)。地震作用之下，支座構(gòu)件應(yīng)剪力作用而造成螺栓破壞，并使支座發(fā)生脫落，給橋梁抗震性能帶來(lái)影響。

1.2 橋墩與橋臺(tái)震害

公路橋梁的建設(shè)受到山區(qū)特殊地形地貌的影響，橋墩與橋臺(tái)高度一般比較高，墩柱與臺(tái)柱能夠?qū)⑸喜孔饔玫牧鬟f到基礎(chǔ)部分，并承受著來(lái)自水平方向的剪切應(yīng)力。地震影響下容易給橋墩橋臺(tái)部位帶來(lái)剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)，剛性墩臺(tái)中，上部結(jié)構(gòu)變形后會(huì)發(fā)生位移，并形成地震力，墩臺(tái)在水平的地震作用下剪切變形，地震力增大后，墩柱會(huì)在反復(fù)的地震力作用下造成剪切破壞，給橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。柔性墩臺(tái)在反復(fù)的地震作用下，墩臺(tái)柱連接位置產(chǎn)生塑性鉸，混凝土也會(huì)因此脫落，并因承受能力不足而發(fā)生破壞。

1.3 基礎(chǔ)破壞

山區(qū)公路橋梁基礎(chǔ)的自身震壞情況很少，基礎(chǔ)破壞一般與基礎(chǔ)土層有關(guān)。受到地震反復(fù)作用的影響，山區(qū)地質(zhì)不良，或者地基當(dāng)中存在砂土液化現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)承載能力降低，并造成基礎(chǔ)下沉與水平移動(dòng)現(xiàn)象，地面也會(huì)因此產(chǎn)生不均勻的沉降現(xiàn)象。因地基與基礎(chǔ)屬于橋梁承力層，如果基礎(chǔ)破壞，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)將有可能難以修復(fù)[1]。

2 山區(qū)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：①公路橋梁的定位選擇。選擇橋梁線位時(shí)，不僅要考慮橋梁類型，還需要對(duì)地基的承載能力加以考慮，布設(shè)橋梁線位時(shí)綜合橋梁抗震性能、土質(zhì)條件以及地基承載能力等因素。如果地基不夠穩(wěn)固，橋梁將有可能發(fā)生破壞，因此橋梁所在的位置不能選擇軟土或黏土地區(qū)，土的側(cè)壓力可能對(duì)樁體產(chǎn)生剪切破壞影響，所以橋梁不能選在陡峭坡地。②橋梁結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證橋梁上部結(jié)構(gòu)連續(xù)性，保持橋梁整體性，確保橋梁在地震荷載作用下?lián)碛凶銐虻某惺苣芰Γ瑯蛄旱纳喜拷Y(jié)構(gòu)連續(xù)性比較好，有利于抵御地震荷載帶來(lái)的破壞，且結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)位置還需要合理設(shè)置減震措施。③設(shè)置抗震防線。為了解決地震荷載給橋梁帶來(lái)的破壞問(wèn)題，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)設(shè)置多道防線，確保橋梁在各方向上都有抵抗能力，保證橋梁的穩(wěn)固性，謹(jǐn)防橋梁坍塌事故發(fā)生[2]。

2.2 延性抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)公路工程中，橋梁的延性指的是初始強(qiáng)度保持不變時(shí)橋梁的非彈性變形能力，可使用無(wú)量綱比值u來(lái)表示延性計(jì)算公式，公式如下：

公式當(dāng)中，右側(cè)分別代表橋梁經(jīng)歷的最大變形與結(jié)構(gòu)首次屈服。橋梁結(jié)構(gòu)破壞取決于塑性消耗能量，而不是僅僅取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前，橋梁的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用的延性抗震表達(dá)方式為u≤[u]，u指的是實(shí)際延性比，[u]指的是允許的延性比。

2.3 抗震設(shè)計(jì)方法

山區(qū)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法主要分為以下幾種：①靜力法，該方法應(yīng)用起來(lái)十分便捷，但是應(yīng)用時(shí)沒(méi)有將橋梁在地震波作用下的變形與動(dòng)力特性考慮在其中，靜力法一般用于橋臺(tái)和擋土墻等剛性結(jié)構(gòu)部位。②時(shí)程分析法，該方法可以計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在地震下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形以及加速度等數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)樁與土之間的相互作用模擬出來(lái)。一般情況下，時(shí)程分析可以用于跨度較大或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中。選擇抗震設(shè)計(jì)方法時(shí)，應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)與所在地質(zhì)條件，了解到地震波的復(fù)雜性特點(diǎn)，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)合理設(shè)置假設(shè)條件，保證橋梁抗震設(shè)計(jì)方法下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)人員在重視概念設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要從強(qiáng)度控制、位移設(shè)計(jì)、延性控制等方面入手，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。

2.4 抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.4.1 橋位與橋型的選擇與設(shè)計(jì)。山區(qū)公路橋梁當(dāng)中，不僅山路崎嶇，且地勢(shì)高低不平，各路段地質(zhì)條件差距較大，所以選擇橋位的時(shí)候不能影響線路總體設(shè)計(jì)，在相對(duì)良好的地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)橋梁，避開(kāi)地震時(shí)給地基帶來(lái)破壞，防止地基松軟，優(yōu)選基巖或碎石地基。山區(qū)中，多數(shù)地質(zhì)都是堅(jiān)硬的地質(zhì)，選擇橋位時(shí)應(yīng)關(guān)注滑坡與地震頻發(fā)地帶，避開(kāi)這些地區(qū)建設(shè)橋梁。

關(guān)于橋型的設(shè)計(jì)，應(yīng)依據(jù)地質(zhì)條件和實(shí)際施工要求，選擇抗震性能較高的橋型，或者選擇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大跨度連續(xù)橋梁，減少伸縮縫數(shù)量，或者選擇隔震效果較好的鋼桁架結(jié)構(gòu)。抗震設(shè)計(jì)時(shí)不僅要選擇新型且技術(shù)先進(jìn)的橋型，還應(yīng)選擇容易在震后修復(fù)的結(jié)構(gòu)，盡可能地降低地震作用下的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

2.4.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地選擇對(duì)稱形式或者規(guī)則形式的橋梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)自重與剛度中心，使其處于中心線中，降低地震作用下的沖擊力，保持橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。不僅如此，盡可能地減小橋梁結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)用延性材料，降低地震給橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的脆性破壞，提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力。

3 山區(qū)公路橋梁抗震加固措施

3.1 主梁與支座部分的加固措施

常見(jiàn)的橋梁主梁結(jié)構(gòu)加固措施主要有兩種，即增大截面加固措施與粘貼鋼板加固措施。為了提高主梁抗震能力，建議在梁板下部增加鋼筋，提升結(jié)構(gòu)延性。如果鋼筋過(guò)多將有可能產(chǎn)生超筋的問(wèn)題，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，建議增加橋梁下部界面，提升結(jié)構(gòu)整體性能，梁板橋可以增大馬蹄高度與寬度，擴(kuò)大梁板截面積。如果主梁梁底出現(xiàn)橫縱向裂縫問(wèn)題時(shí)，建議采取粘貼鋼板的加固措施，提高主梁抗震能力，但必須按照一定的規(guī)范使用黏結(jié)劑，明確鋼板錨固位置，最大程度上保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在加固橋梁支座部分時(shí)，應(yīng)選擇減震支座，或者選擇擋塊來(lái)限制結(jié)構(gòu)縱向位移，降低地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊，防止橋梁在地震作用下產(chǎn)生落梁現(xiàn)象。

3.2 墩臺(tái)與墩柱結(jié)構(gòu)的抗震加固措施

一般情況下，橋梁橋墩設(shè)置的較高，所以危險(xiǎn)性較大。針對(duì)橋墩部分進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可采用提高結(jié)構(gòu)延性的加固措施。橋墩設(shè)計(jì)時(shí)可使用鋼混結(jié)構(gòu)與空心截面，并在橫向墩柱間設(shè)置系梁，以此提高結(jié)構(gòu)間連接性。依據(jù)墩臺(tái)的受力情況，增加柱的直徑，使用加密箍筋，提升墩臺(tái)結(jié)構(gòu)抗剪性能。在梁和擋塊之間的連接位置增加彈性墊塊，盡可能減小結(jié)構(gòu)變形，經(jīng)過(guò)增加樁柱數(shù)量，提升墩臺(tái)抗剪能力，降低地震帶來(lái)的危險(xiǎn)。

墩柱發(fā)生開(kāi)裂的原因主要為橫向約束箍筋數(shù)量不足，最終無(wú)法對(duì)混凝土產(chǎn)生約束效果，所以在墩柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用螺旋式箍筋。橋墩端部安裝減震阻尼裝置，山區(qū)橋梁在地震作用下的位移比較明顯，阻尼裝置可以防止上部結(jié)構(gòu)位移與下部墩柱彎矩效應(yīng)過(guò)大，防止連接件承載能力的位移超出范圍，解決彎曲失效的問(wèn)題，并做好高墩位移的有效控制。

3.3 常見(jiàn)的加固措施及技術(shù)應(yīng)用

3.3.1 加固方法。首先，結(jié)構(gòu)加固方法。清理好表層，找出鋼筋混凝土層的薄弱區(qū)域，使用環(huán)氧樹(shù)脂材料，發(fā)揮材料的高度黏結(jié)性特點(diǎn)，將型鋼和斜桿黏結(jié)在相應(yīng)位置，保持構(gòu)件良好的抗拉性能，改善結(jié)構(gòu)受力情況，為橋梁整體式結(jié)構(gòu)完成應(yīng)力分布，發(fā)揮構(gòu)件與橋墩位置的使用性能。山區(qū)公路橋梁施工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的要求很高，應(yīng)用結(jié)構(gòu)加固法不僅操作便捷，且不會(huì)對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成影響。

其次，構(gòu)造加固法。該方法旨在擴(kuò)大截面面積，提升結(jié)構(gòu)承載力，在保障橋墩抗彎性能的同時(shí)，提升構(gòu)造剛度。構(gòu)造加固法的應(yīng)用主要包含三方面內(nèi)容：①混凝土外包加固方法，通過(guò)采用錨固鋼筋與增設(shè)鋼筋網(wǎng)的方式擴(kuò)大混凝土面積，該方法便捷，但是需要較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，可用于梁柱等結(jié)構(gòu)。②粘貼鋼板加固法，該方法適合用于工程量小的部分，能夠提高結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性，如果橋梁受拉結(jié)構(gòu)的承載力較低，可應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂將鋼板黏結(jié)在薄弱位置，保證鋼板整體剛度。為了保證鋼板的粘貼質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)處理殘留碳化混凝土，并用黏合劑做好修補(bǔ)處理，等待混凝土干燥后再打磨，基于鋼板的受力方向，使用黏結(jié)劑增加其厚度。與此同時(shí)，還應(yīng)減小鋼板和混凝土之間的間隙，經(jīng)過(guò)1天的養(yǎng)護(hù)后再拆模，再經(jīng)過(guò)5天后即可達(dá)到良好的受力效果。③噴射砂漿加固方法。在砂漿鋼筋網(wǎng)中加入纖維材料，使其置于結(jié)構(gòu)受力較低的位置，達(dá)到拉應(yīng)力傳遞效果。這一砂漿主要為膠凝材料，有著較好的黏合效果，一般可采用高速噴射的方法將材料填入空隙，再對(duì)表面鑿毛，使加固區(qū)域粗糙度提高，強(qiáng)化新舊材料的黏結(jié)能力。

最后，材料加固方法。采用碳纖維材料加固的方式，提升材料抗拉性能，發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼束的加固效果。與傳統(tǒng)材料不同，碳纖維材料應(yīng)用效果更好，能夠提升受剪結(jié)構(gòu)間的延性，常見(jiàn)的材料有碳纖維布和碳纖維板兩種，對(duì)受彎構(gòu)件進(jìn)行加固處理時(shí)，可使用黏合劑提升構(gòu)件的緊固性。

3.3.2 加固技術(shù)。山區(qū)公路橋梁施工中，常用到的加固技術(shù)主要有以下幾種：

3.3.2.1 鋼板加固技術(shù)。為了避免橋梁在地震災(zāi)害中產(chǎn)生較大的裂痕，應(yīng)以提高橋梁結(jié)構(gòu)剛度為重點(diǎn)，采用加固穩(wěn)定鋼板的技術(shù)方法，控制橋梁中軸與加固位置安全范圍，使其處于安全距離。

3.3.2.2 部件加固技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)做好部件的加固處理，避免關(guān)鍵部位在橋梁應(yīng)用期間出現(xiàn)老化或者位移的現(xiàn)象，防止地震災(zāi)害帶來(lái)嚴(yán)重的損害。部件加固時(shí)應(yīng)關(guān)注連接處部件的伸縮性能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)需求，同時(shí)考慮到災(zāi)害發(fā)生時(shí)橋梁是否具有足夠的沖擊力適應(yīng)能力，謹(jǐn)防傳遞性裂痕發(fā)生。加固部件時(shí)應(yīng)做好連接部件的定期檢查和維修，強(qiáng)化部件的抗震性能[4]。

3.3.2.3 橋梁連接部件的加固技術(shù)。橋梁連接部件能否妥善處理，將會(huì)對(duì)橋梁的連續(xù)性與受力抗壓能力產(chǎn)生至關(guān)重要影響，為了防止連接處存在潛在性結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，保證連接結(jié)構(gòu)的承受力。做好鄰近橋梁間的結(jié)構(gòu)加固，防止連接部件出現(xiàn)位移，了解到部件會(huì)長(zhǎng)期受地震微小阻力的影響而產(chǎn)生反復(fù)沖擊，從而造成變形與老化問(wèn)題，應(yīng)對(duì)部件反復(fù)檢查，及時(shí)處理問(wèn)題，優(yōu)化橋梁連接處的抗震性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，基于山區(qū)公路橋梁的常見(jiàn)震害，有必要遵循相應(yīng)抗震設(shè)計(jì)原則，合理選擇抗震設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化抗震加固措施。發(fā)揮鋼板加固技術(shù)、部件加固技術(shù)、橋梁連接部件加固技術(shù)的實(shí)際作用，對(duì)主梁、支座、橋臺(tái)以及墩柱部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量。