采用高強(qiáng)輕質(zhì)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(yùn)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(yùn)輸與搶險(xiǎn)救災(zāi)，重者引起多種次生災(zāi)害，造成國家和人們巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命安全危害。隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)達(dá)，橋梁工程的質(zhì)量安全問題也就成為了當(dāng)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(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)將防震理念融入工程建設(shè)，但由于橋梁架構(gòu)時(shí)相關(guān)材料的選用不夠準(zhǔn)確合理，在實(shí)際投入使用中目標(biāo)橋梁無法抵御地震的破壞。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土是一種高抗震性的工程材料，將其應(yīng)用于橋梁安全防護(hù)工程中，能夠有效降低地震風(fēng)險(xiǎn)。

1 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土特點(diǎn)

由于普通混凝土的主要組成部分是水泥、石、砂和相關(guān)外加劑等，水、泥、石之間的粘結(jié)強(qiáng)度也就直接決定著混凝土的質(zhì)量強(qiáng)度。但是傳統(tǒng)的混凝土在水、泥、石方面的粘結(jié)性比較弱，這就直接導(dǎo)致其強(qiáng)度低，無法應(yīng)用于高強(qiáng)度材料需求的工程建設(shè)活動(dòng)當(dāng)中。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土則是采用高強(qiáng)輕骨料配制的，一般強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到CL40 以上的輕質(zhì)混凝土。與傳普通混凝土相比較，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)、高耐久、低造價(jià)、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。首先，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土比普通的混凝土要輕20%左右，這就能夠有效地節(jié)約鋼筋材料，節(jié)制造價(jià)成本，在實(shí)施投入使用中，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行及時(shí)地翻新與加寬，從而減少地震的反力;其次，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土具有高抗?jié)B性、高抗凍、高抗腐蝕能力等特點(diǎn)，由于混凝土內(nèi)部輕骨料與砂漿具有良好的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性，直接減少了鋼材內(nèi)部可能出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象;第三點(diǎn)是基于高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的輕質(zhì)特點(diǎn)上的施工低成本，在實(shí)際的橋梁維修和翻新作業(yè)中，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土只需進(jìn)行及時(shí)地穩(wěn)定及加固作業(yè)，這樣以來可以大大縮短工程施工時(shí)間，減少施工成本，降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造價(jià)，從而進(jìn)一步地激發(fā)橋梁質(zhì)量安全防護(hù)工程中靈活性，促進(jìn)工程施工的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在當(dāng)前的橋梁質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)工作中，出現(xiàn)了眾多橋梁對(duì)修補(bǔ)材料有著巨量需求的缺口。而高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的特性恰好能夠有力地填補(bǔ)這一缺口，它能夠在不進(jìn)行過多工程成本計(jì)算的前提條件下，最大限度地提高修補(bǔ)材料的使用效率，切實(shí)提高橋梁的耐久性和承載能力，真正地滿足橋梁質(zhì)量安全防護(hù)工程和交通運(yùn)輸生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求。

高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土與普通混凝土的典型物理力學(xué)性能比較具體詳情，見表1。

表1 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土與普通密度混凝土的典型物理力學(xué)性能比較

2 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土對(duì)橋梁抗震的影響

2.1 有限元分析模型

某處連續(xù)混凝土橋梁其結(jié)構(gòu)跨徑為6 ×25 m，中間分布4 個(gè)雙柱墩，主梁采用整體式的箱梁結(jié)構(gòu)。針對(duì)這一情況，工程人員運(yùn)用SAP2000 軟件建立橋梁動(dòng)力有限元分析模型。該模型以順橋方向?yàn)閤 軸，橫橋方向?yàn)閥 軸，垂直方向?yàn)閦 軸。主梁及橋墩等均采用空間梁?jiǎn)卧M方式。

2.2 工況分析

在橋梁質(zhì)量的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩和采用C40混凝土進(jìn)行抗震計(jì)算，主梁采用了LC40 混凝土進(jìn)行抗震計(jì)算，LC40 混凝土根據(jù)實(shí)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(shí)，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(jié)果分析

(1)動(dòng)力特性影響。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土在橋梁建設(shè)工程中的具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，混凝土的材料密度與混凝土彈性模量對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)的影響較大，高強(qiáng)輕質(zhì)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(duì)橋梁的振動(dòng)周期影響不大。而與高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土相對(duì)的同一強(qiáng)度普通輕質(zhì)混凝土對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期的影響不大。

(2)地震響應(yīng)的影響。在多跨連續(xù)梁橋梁結(jié)構(gòu)中，地震對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的影響作用，縱向影響要大于橫向影響，同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的主梁縱向位移的大小也直接決定了橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)的大小。普通混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的墩底軸力、墩底剪力、墩底彎矩響應(yīng)均要比高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土要大。由此我們可以得知，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土能有效地降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)。另一方面，不同高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土由于自身密度的不同，其對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力響應(yīng)的影響也不盡相同。經(jīng)有關(guān)研究實(shí)驗(yàn)論證，當(dāng)配筋輕骨料混凝土的密度為19.5 時(shí)，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)墩底的內(nèi)力響應(yīng)最小，彈性模量為2.3E+04 MPa。另外，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的梁端位移程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通輕質(zhì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的梁端位移程度，而且高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的密度越大，梁端架構(gòu)的位移下降程度就越深。

2.3 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土對(duì)橋梁抗震的案例分析

上世紀(jì)六七十年代，鐵道部大橋局聯(lián)合上海建筑科學(xué)研究所等單位共同合作，全面深入地研究論證了高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土在鐵路和公路橋梁中的實(shí)際應(yīng)用效果及其影響。相關(guān)專家使用高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)，以高強(qiáng)粉煤灰陶粒配置生產(chǎn)CLSO 級(jí)別的高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土，并先后采用粘土陶粒混凝土或粉煤灰陶?；炷翆?shí)驗(yàn)建成了30 多座公路橋.這些公路橋?qū)儆?6.0～21.4 m 之間的小跨度公路橋，在橋梁構(gòu)造上兼有鋼筋輕質(zhì)混凝土和少量的預(yù)應(yīng)力輕質(zhì)混凝土。每隔5年，專家組對(duì)這些公路橋工程進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和判斷，部分輕質(zhì)混凝土出現(xiàn)隨著時(shí)間增長(zhǎng)強(qiáng)度也隨之增加的特征，目標(biāo)地區(qū)的輕質(zhì)混凝土碳化深度平均達(dá)到1.2～1.4 mm，數(shù)據(jù)低于同齡期普通混凝土;多年使用監(jiān)測(cè)，橋體未發(fā)現(xiàn)明顯的鋼筋銹蝕現(xiàn)象;橋面輕質(zhì)混凝土耐磨性良好，外露的陶粒并未受到損耗或者破壞。實(shí)踐證明，將高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土投入應(yīng)用于橋梁安全防護(hù)工程中，能夠有效提高橋梁質(zhì)量，提高抵御地震風(fēng)險(xiǎn)的能力。

3 結(jié) 語

在當(dāng)前的橋梁工程建設(shè)活動(dòng)中，橋梁質(zhì)量安全工程是工程人員需要認(rèn)真對(duì)待的重大任務(wù)。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)、高耐久、低造價(jià)、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，在相關(guān)的建筑工程、交通工程等領(lǐng)域已經(jīng)展示出其顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過研究分析高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震響應(yīng)的影響，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果表明，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土能夠有效地減小橋梁高階自振周期，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)和位移響應(yīng)，值得在橋梁建設(shè)工程中推廣使用。

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