基于大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)的研究

郭理學(xué)

【摘要】橋梁工程是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)增長的重要工程，隨著我國交通事業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，對(duì)橋梁建設(shè)也提出了更高的要求，在橋梁工程中抗震設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的科學(xué)性對(duì)橋梁質(zhì)量的提升具有至關(guān)重要的作用。甚至關(guān)系到人們的生命安全。因此，相關(guān)部門必須要高度重視大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)落梁等現(xiàn)象，影響建筑物的使用壽命。本文主要對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)的概況、大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究。

【關(guān)鍵詞】大跨度；橋梁工程；抗震設(shè)計(jì)；加固技術(shù)；病害；概況

一、橋梁抗震設(shè)計(jì)的概況

作為危害人類的重大自然災(zāi)害之一，近年來地震頻繁發(fā)生給橋梁工程帶來了極大的損害，橋梁損毀將導(dǎo)致災(zāi)區(qū)救援工作難度的加大，加重次生災(zāi)害，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失和更多的人員傷亡。從地震發(fā)生狀況來看，可以將橋梁震害分為以下幾種類型：第一，由于砂土液化、地基下沉、岸坡滑移及開裂導(dǎo)致基礎(chǔ)的損壞；第二，由于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致梁體損壞；第三，橋梁自身抗震能力較低導(dǎo)致橋梁損壞；第四，橋梁的各支承點(diǎn)的地面運(yùn)動(dòng)不相同，導(dǎo)致橋梁受損?；诖?，針對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了更深入的研究。

大跨度橋梁作為橋梁工程的一種重要形式，其抗震能力的高低將直接影響到橋梁的破壞程度?，F(xiàn)階段大部分橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都只適應(yīng)于中等跨度的一般橋梁，針對(duì)大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范還不完善。相比中等跨度橋梁，大跨度橋梁地震反應(yīng)相對(duì)較為復(fù)雜，隨之抗震設(shè)計(jì)的難度也不斷增加。如高階振型的影響較大，同時(shí)還要對(duì)多點(diǎn)激振、行波效應(yīng)等進(jìn)行充分考慮?！豆饭こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定地震烈度7度以上地區(qū)的新建橋梁都必須抗震設(shè)防，江西南部地區(qū)的新建橋梁均按地震烈度6度設(shè)防。

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用“小震不壞、中震可修、大震不倒”的分類設(shè)防思想。要求橋梁與強(qiáng)度級(jí)配向符合，確保只在預(yù)定位置出現(xiàn)地震破壞情況，并呈現(xiàn)出可控狀態(tài)。也就是說，必須確保采用的塑性鉸位置具有合理性，同時(shí)做好配筋作業(yè)，進(jìn)而提高橋梁的延性抗震能力。特殊情況下，可以通過較高的強(qiáng)度來克服不利的塑性鉸位置及脆性破壞。較高的強(qiáng)度可以保證在地震作用下公路橋梁免遭損壞，并在其彈性地震反應(yīng)中所出現(xiàn)的內(nèi)力進(jìn)行有效抵抗。如地震發(fā)生率較低的位置，必須具有較高的強(qiáng)度對(duì)其激起的彈性地震力進(jìn)行抵抗。在具體抗震設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度一般都會(huì)選用彈性地震力25%到50%之間的一部分，同時(shí)依靠結(jié)構(gòu)中的非彈性變形能力，增強(qiáng)公路橋梁的抗震能力。

二、大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)

在抗震設(shè)計(jì)中大跨度橋梁一般分兩個(gè)階段，首先，在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震理念的設(shè)計(jì)，確?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系的合理性、科學(xué)性；其次，延性抗震設(shè)計(jì)在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，并按照相關(guān)設(shè)計(jì)原理驗(yàn)算抗震能力，為提高抗震能力特殊情況下必須進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)。

1、抗震概念設(shè)計(jì)

“概念設(shè)計(jì)”與“計(jì)算設(shè)計(jì)”相比，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的作用更大。由于地震具有不確定性及復(fù)雜性，在計(jì)算結(jié)構(gòu)模型假定時(shí)與具體狀況存在極大的差距，將增加“計(jì)算設(shè)計(jì)”對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能控制的難度，基于此，大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)中不能僅僅依靠“計(jì)算設(shè)計(jì)”。良好的“概念設(shè)計(jì)”對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的強(qiáng)弱起到關(guān)鍵性的作用。

為確保橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性及抗震安全性，在“抗震概念設(shè)計(jì)“中必須對(duì)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)部位設(shè)計(jì)加以重視，如橋墩形式設(shè)計(jì)、過渡孔設(shè)計(jì)及選擇正確的塑性鉸預(yù)期部位等。首先對(duì)橋梁抗震性能進(jìn)行動(dòng)力特性分析及地震反應(yīng)評(píng)估，才能確定選用的結(jié)構(gòu)體系在橋梁所在地具有較好的抗震能力。并與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震薄弱位置進(jìn)行分析，為達(dá)到橋梁抗震的安全范圍，可以選用配筋或更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式。隨后，依據(jù)對(duì)結(jié)果的綜合分析，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷。

2、延性抗震設(shè)計(jì)

為將地震破壞能力降到最低值，避免橋梁遭到極大損壞。在地震作用下，如橋梁出現(xiàn)變形等情況，此時(shí)應(yīng)確保其能對(duì)大部分初始強(qiáng)度進(jìn)行維持。在非彈性反應(yīng)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及材料可以對(duì)其變形情況進(jìn)行抵抗，這種情況下都會(huì)選用延性進(jìn)行表述。作為地震地段橋梁結(jié)構(gòu)必備的重要特征，延性有助于在地震中橋梁結(jié)構(gòu)免于破壞，主要原因就是地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用是以運(yùn)動(dòng)方式出現(xiàn)，而不是力的方式。在設(shè)計(jì)大跨度橋梁延性抗震時(shí)，應(yīng)在預(yù)期會(huì)產(chǎn)生塑性鉸的位置進(jìn)行有效的配筋設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、驗(yàn)算抗震能力設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)橋梁的抗震能力及安全度。

3、橋梁減、隔震設(shè)計(jì)

作為重要的工程抗震方式，減、隔震技術(shù)具有便于施工、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。利用結(jié)構(gòu)主要振型周期增大可以確保其落在地震能量較少的范圍，或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)能量耗散能力增大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)降低的目的，這就是減、隔震裝置。在設(shè)計(jì)抗震過程中，必須嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及場地地震波的頻率特點(diǎn)，可以利用減、隔震裝置的合理選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)及方案的合理設(shè)置等，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力及變形的合理分配。在設(shè)計(jì)中應(yīng)將重點(diǎn)主要放在吸收能量能力提升方面，進(jìn)而將阻尼增大并分散在地震力上面，不能對(duì)周期增長過分追求?？梢赃M(jìn)行減、隔震體系簡單機(jī)構(gòu)的選用，并應(yīng)用在地震力學(xué)性能的限定范圍內(nèi)。通過非線性地震反應(yīng)對(duì)減、隔震設(shè)計(jì)的作用進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)，最適合進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)的橋梁具有以下幾個(gè)特點(diǎn)，橋梁墩柱剛性大，具有較小的自振周期；橋梁規(guī)則性較差，如墩柱高度具有較大的變化，這種情況的出現(xiàn)將出現(xiàn)受力不均衡的狀況；高頻分量是預(yù)測場地地震運(yùn)動(dòng)能力主要集中的部分，在預(yù)測場地地震運(yùn)動(dòng)能力中只有較少的低頻分量的能量。基于此，減、隔震設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及場地振動(dòng)等特性進(jìn)行。近幾年在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中國內(nèi)外學(xué)者提出將粘滯阻尼器設(shè)置在其結(jié)構(gòu)中，以此對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行有效改善，這種設(shè)計(jì)方式在許多橋梁結(jié)構(gòu)中都得到了大量使用。相關(guān)研究顯示，組合使用隔震支座和粘滯阻尼器，可以將結(jié)構(gòu)地震力進(jìn)行有效降低，并能對(duì)梁體位移、墩、梁相對(duì)位移進(jìn)行有效控制。

三、大跨度橋梁抗震加固技術(shù)的應(yīng)用

隨著社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，我國橋梁事業(yè)也得到了極大的發(fā)展。橋梁工程作為交通行業(yè)施工的重點(diǎn)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量是否良好對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。大跨度橋梁抗震加固技術(shù)作為工程施工的主要技術(shù)之一，其施工技術(shù)水平的高低將直接影響到整個(gè)工程的質(zhì)量及使用年限，由此可見，施工企業(yè)在施工中必須對(duì)抗震加固技術(shù)加以重視，只有這樣才能促進(jìn)企業(yè)的快速發(fā)展。

1、大跨度橋梁病害分析

支承連接件失效的主要原因就是設(shè)計(jì)過程中，對(duì)相鄰兩個(gè)跨間的相對(duì)位移計(jì)算失誤，致使大跨度橋梁上下部產(chǎn)生了支承連接件不能承受的相對(duì)位移，進(jìn)而出現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)脫開下部結(jié)構(gòu)的問題，甚至出現(xiàn)梁體嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象?，F(xiàn)階段國內(nèi)外普遍選用支承面寬度加大的方式和將縱向越蘇裝置設(shè)置在簡支相鄰梁之間。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增加，國內(nèi)交通壓力不斷增加，為達(dá)到交通通暢的目的，都在進(jìn)行各類橋梁的鋪設(shè)。大跨度橋梁作為橋梁工程建設(shè)的一種重要形式，其設(shè)計(jì)及抗震加固技術(shù)的應(yīng)用，都對(duì)橋梁的整體質(zhì)量具有重要意義。但現(xiàn)階段橋梁在驗(yàn)收及審核質(zhì)量的過程中，還存有諸多問題。作為對(duì)橋梁建設(shè)項(xiàng)目成功與否進(jìn)行考察的重要因素，其使用年限及通行質(zhì)量都影響著橋梁建設(shè)的質(zhì)量。橋梁下?lián)犀F(xiàn)象的大量出現(xiàn)可能對(duì)橋梁質(zhì)量造成不同程度的損害，如表1所示。

2、大跨度橋梁抗震加固措施

先對(duì)大跨度橋梁抗震能力進(jìn)行評(píng)估是決定其是否進(jìn)行加固的前提。在橋梁加固前，應(yīng)對(duì)墩柱的破壞形式及墩柱的最大延性能力進(jìn)行確定，并對(duì)其整體屈服地震加速度和整體最大延性能力進(jìn)行有效計(jì)算，并對(duì)橋梁抗震能力進(jìn)行計(jì)算。

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，其上部結(jié)構(gòu)及截面形式，必須遵循跨徑多少進(jìn)行準(zhǔn)確確定?？梢赃x用箱型作為橋梁跨徑較大截面的應(yīng)用，這樣可以有效增強(qiáng)抗震能力，并確?？古偠鹊淖饔?。在施工過程中選用真空壓漿施工方式，可以確保預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)具有充足水泥漿，還可以為預(yù)應(yīng)力橋梁強(qiáng)度、剛度地提高提供極大的幫助。在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中，拱式、梁式等多種形式不能同時(shí)出現(xiàn)，如同時(shí)使用，必須加強(qiáng)橋梁銜接位置的橋墩質(zhì)量。

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，其整體抗震性能最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)就是連接件，如支座和伸縮縫等，在伸縮縫位置多發(fā)生梁體位移等情況，基于此，在橋梁抗震設(shè)計(jì)中必須將伸縮縫數(shù)量盡可能地減少。為避免梁體墜落等情況的出現(xiàn)，可以將拉桿、擋塊等設(shè)置在伸縮縫、鉸及梁端等上部結(jié)構(gòu)的接縫中。將鋼筋混凝土橋墩的橫向約束不斷增加，將其抗彎延性及抗剪強(qiáng)度不斷提升，只有這樣才能避免橋墩變形等情況的發(fā)生，為提高橋梁的抗震能力，可以選用專門的耗能裝置，如鉛芯橡膠耗能支座或減、隔震技術(shù)。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著橋梁事業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，其質(zhì)量問題已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。作為大跨度橋梁施工中重要的組成部分，抗震設(shè)計(jì)效果是否良好直接關(guān)系著整個(gè)橋梁工程的質(zhì)量，合理的抗震設(shè)計(jì)及有效的加固技術(shù)，可以有效降低工程項(xiàng)目的投資成本、提高工程質(zhì)量。

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