橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固技術(shù)探討

曹寧寧 李淑慧

河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院（450000）

0 前言

我國(guó)地大物博，但也是一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。強(qiáng)烈的地震會(huì)損害人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，并對(duì)橋梁造成嚴(yán)重破壞。而橋梁在抗震救災(zāi)和物資運(yùn)輸中發(fā)揮著尤為重要的作用，一旦在地震中損壞，交通中斷，將導(dǎo)致車輛無法通行，造成救援困難等問題。因此，研究橋梁抗震設(shè)計(jì)，加強(qiáng)橋梁的抗震性能，建設(shè)更加安全穩(wěn)定的橋梁，從而減少自然災(zāi)害造成的損失，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 橋梁在地震下的損害情況及抗震加固概念

1.1 橋梁在地震時(shí)可能會(huì)發(fā)生的損害

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型的不同，在不同地震等級(jí)的情況下，橋梁主要發(fā)生以下幾種損壞：強(qiáng)震時(shí)，橋梁兩側(cè)的地形發(fā)生變化，引起橋梁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、地面錯(cuò)動(dòng)、橋梁結(jié)構(gòu)受損，或者出現(xiàn)落梁現(xiàn)象；強(qiáng)烈的地震作用下,由于地震波的作用，橋墩發(fā)生震動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生損壞,如表面損傷、結(jié)構(gòu)損傷、形狀變形等；強(qiáng)烈地震作用，導(dǎo)致地基損壞，發(fā)生液化,進(jìn)而引起基礎(chǔ)不均勻沉陷，造成橋墩傾斜甚至倒塌；地震會(huì)引起橋梁的形狀變化，使橋梁內(nèi)力超過了設(shè)計(jì)極限，導(dǎo)致整個(gè)橋梁倒塌。

1.2 抗震加固概念剖析

在結(jié)構(gòu)施工前，橋梁的抗震設(shè)計(jì)更為重要。由于不同等級(jí)的地震具有很大的不確定性和復(fù)雜性，所以假定橋梁在地震作用下的模型與實(shí)際建成情況不同，為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性，需要對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。如應(yīng)注意橋梁上下結(jié)構(gòu)連接部位的抗震設(shè)計(jì)，包括橋墩的類型、支座的位置和支座類型的選擇，以確保橋梁具有穩(wěn)定的抗震結(jié)構(gòu)體系。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的整體性能，提高其抗震性能，需對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相應(yīng)的弱震點(diǎn)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。必要時(shí)，可在適當(dāng)位置增設(shè)鋼筋或改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高其抗震能力。

加強(qiáng)橋梁整體結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，能夠有效防止構(gòu)件在地震作用下的斷裂，保證構(gòu)件空間整體性能。平面構(gòu)件及三維結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證橋梁幾何尺寸、剛度及其連接的協(xié)調(diào)一致性，從而提高橋梁的整體抗震性能。橋梁結(jié)構(gòu)的損傷是由于其在地震作用下發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)導(dǎo)致的，因此抗震設(shè)計(jì)可以從降低地基結(jié)構(gòu)的震動(dòng)入手，提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和延性，提高施工質(zhì)量。在恒荷載和剛度一定的情況下，提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和延性可以達(dá)到有效的抗震目標(biāo)。這是因?yàn)樘岣邉偠瓤梢詼p小結(jié)構(gòu)的變形，增加強(qiáng)度和延性可有效提高橋梁的抗震能力。構(gòu)件的反復(fù)變形會(huì)造成構(gòu)件產(chǎn)生次內(nèi)力，出現(xiàn)裂縫及應(yīng)力集中的現(xiàn)象，降低構(gòu)件的剛度和減小構(gòu)件的延性，因此在橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意構(gòu)件的延性和剛度。

橋梁延性設(shè)計(jì)主要為以下兩個(gè)方面：①對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位采用增加鋼筋、改變截面形式等方法加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)；②提高其抗震等級(jí)，并對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行模擬分析和驗(yàn)證。

2 抗震加固技術(shù)剖析

2.1 結(jié)合地理信息創(chuàng)建橋梁地震模型

橋梁在地震作用下的抗震模型為設(shè)計(jì)人員提供了簡(jiǎn)單方便的抗震性能評(píng)價(jià)體系和不同地震下橋梁受力狀態(tài)的情況，但由于地震在不同環(huán)境及不同等級(jí)下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響具有不可控性，且模擬試驗(yàn)中地震模型具有局限性，造成計(jì)算機(jī)模擬不夠精確，因此對(duì)橋梁抗震性能的研究不能完全依靠模型數(shù)據(jù)得出的結(jié)論。必需對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地的特定地形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定橋梁的選址位置是否利于橋梁的安全穩(wěn)定性。橋墩基礎(chǔ)型式的選擇和局部地形的考慮對(duì)抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，設(shè)計(jì)人員還需進(jìn)行橋梁的設(shè)計(jì)方案的比選，并對(duì)其進(jìn)行修改，完善結(jié)構(gòu)方案，選擇可行有效的橋梁抗震設(shè)計(jì)方案[1]。

在實(shí)地勘察及方案比選的同時(shí)，還需考慮影響橋梁穩(wěn)定性的因素，如當(dāng)?shù)匾郧坝龅降牡卣鸬牡燃?jí)及地震頻率、氣候條件、土壤和水土流失等情況。橋梁構(gòu)件通過相互連接形成一個(gè)整體，橋梁連接處是橋梁結(jié)構(gòu)抗震薄弱的地方，直接影響到橋梁的整體性能及抗震性能。同時(shí)橋梁的建設(shè)對(duì)環(huán)境有著一定的影響，特別是在跨河海的橋梁建設(shè)中，直接影響到水流的流態(tài)分布，造成河床變遷，所以必須考慮當(dāng)?shù)氐男枰徒虻目尚行裕鶕?jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行公告，并通過使用有限元軟件及試驗(yàn)進(jìn)行分析，以便提高橋梁的抗震能力。

2.2 加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

橋梁是由許多構(gòu)件組成的整體，其中一些結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度不足，在地震作用下發(fā)生損壞。如果關(guān)鍵部位受損則會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌，因此必須采取一定的加固措施，使構(gòu)件穩(wěn)定，不發(fā)生位移，保持橋梁原有的空間結(jié)構(gòu)。從橋梁的整體性能及材料來看，增加橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可以有效抵抗地震對(duì)橋梁的影響，增加橋梁的剛度并保持結(jié)構(gòu)的整體性能，可以使橋梁較好地適應(yīng)地震的影響。所以設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)其用途及使用年限進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其正常使用及地震作用下的承載能力，從而提高橋梁的剛度、強(qiáng)度和延性，對(duì)保護(hù)橋梁和抵抗自然災(zāi)害具有重要作用。

2.3 提升結(jié)構(gòu)間的連接整體性

各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過連接，使橋梁作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。因此對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，如構(gòu)件連接處，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)間的連接的整體性，從而提高橋梁的抗震強(qiáng)度，保證結(jié)構(gòu)的延展性。在橋梁抗震試驗(yàn)中，為了提高橋梁的抗震性能，需通過模擬分析不同地震作用下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，及不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接性能，從而找出避免橋梁因地震的影響而倒塌因素，并找出解決方案。

2.4 針對(duì)性加固

為了防止地震引起的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)開裂，可以采用適當(dāng)增加鋼筋、鋼板或預(yù)應(yīng)力筋等方法進(jìn)行橋梁加固，其中鋼板加固主要用于遠(yuǎn)離橋梁中軸線位置。鋼板加固雖然增加了橋梁的橫截面面積，提高了橋梁的抗震能力，但有一定的限制。在大多數(shù)情況下，對(duì)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，新舊結(jié)構(gòu)之間必須進(jìn)行材料的結(jié)合處理，從而達(dá)到加固效果。橋梁的基本結(jié)構(gòu)必須一致，剛度和延性必須統(tǒng)一，以保證橋梁的整體穩(wěn)定性。

2.5 謹(jǐn)慎施工連接構(gòu)件

在我國(guó)橋梁建設(shè)中，橋梁連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)不合理，橋梁在運(yùn)營(yíng)階段關(guān)鍵構(gòu)件會(huì)發(fā)生耐久性損傷、變形或位移，使橋梁承載能力下降，在地震作用下被嚴(yán)重破壞。橋梁連接在保證橋梁的整體性和延展性方面起著重要的作用，部分施工單位的管理層對(duì)此沒有足夠重視，在施工中，振搗不均勻，養(yǎng)護(hù)條件不足，造成結(jié)構(gòu)裂縫超限、接縫表面變形等。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，連接結(jié)構(gòu)的承重能力下降，在地震的沖擊作用下發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁的主體結(jié)構(gòu)損壞。同時(shí)，在使用期間，需要對(duì)橋梁構(gòu)件及時(shí)維護(hù)和保養(yǎng)，以提高對(duì)地震沖擊的適應(yīng)能力，防止橋梁出現(xiàn)裂縫。

相鄰橋梁之間也可進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，增加連接構(gòu)件，以防止橋體出現(xiàn)過大位移。連接構(gòu)件長(zhǎng)期受作用力影響，易出現(xiàn)變形問題，為了保證橋梁抗震性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，必須進(jìn)行全面檢查和及時(shí)維修。

2.6 使用碳纖維加固橋體

混凝土結(jié)構(gòu)中加入碳纖維材料，能夠有效提升橋梁的抗震性能。這是因?yàn)樘祭w維材料的強(qiáng)度、密度、彈性和耐腐蝕性均優(yōu)于普通鋼筋。在進(jìn)行碳纖維材料加固的同時(shí)，還需加入一些樹脂。

3 結(jié)語

通過橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)及維修中占有重要地位，因此有必要應(yīng)用國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，通過試驗(yàn)分析不斷完善其理論和施工方法，并結(jié)合橋梁的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)一步提高橋梁在遭遇強(qiáng)震時(shí)的抗震性能,保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及橋墩在地震作用下的結(jié)構(gòu)安全，使橋梁充分發(fā)揮其使價(jià)值。