大跨度鐵路斜拉橋的抗震性分析

靳自強(qiáng)、張麗娜

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

1 大跨度鐵路斜拉橋的安全性和抗震性問(wèn)題

1.1 大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)問(wèn)題

從當(dāng)前大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)工作的實(shí)際情況來(lái)看，設(shè)計(jì)人員過(guò)分重視理論內(nèi)容、忽略實(shí)踐內(nèi)容是設(shè)計(jì)中最為主要的問(wèn)題，這也是導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)際施工情況出現(xiàn)嚴(yán)重偏差的主要原因。在大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)工作中，這類問(wèn)題已經(jīng)成為一種常見的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)人員過(guò)于重視數(shù)據(jù)理論分析工作，缺乏對(duì)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算。在設(shè)計(jì)工作正式開展之前，也沒(méi)有對(duì)大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的綜合性能進(jìn)行分析，而是對(duì)大跨度鐵路斜拉橋的各項(xiàng)指標(biāo)過(guò)多關(guān)注，如行車速度、路面寬度、極限最小平曲線半徑、停車視距、最大縱坡等，導(dǎo)致大跨度鐵路斜拉橋其余指標(biāo)出現(xiàn)嚴(yán)重不合理的問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)的有效性、可靠性、可行性，甚至?xí)?duì)施工質(zhì)量、企業(yè)形象、企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的損失[1]。

1.2 大跨度鐵路斜拉橋的施工問(wèn)題

在施工的過(guò)程中，對(duì)大跨度鐵路斜拉橋安全性和抗震性產(chǎn)生的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，本文在此進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述：一是施工單位的施工技術(shù)水平較低，無(wú)法全面展現(xiàn)出大跨度鐵路斜拉橋?qū)嶋H的設(shè)計(jì)效果，導(dǎo)致實(shí)際施工情況與設(shè)計(jì)圖紙存在較為明顯的差異；二是應(yīng)用技術(shù)不夠規(guī)范，施工人員的施工技術(shù)能力較低，在施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)施工操作不規(guī)范、材料配比不恰當(dāng)?shù)葐?wèn)題；三是部分施工單位過(guò)于重視眼前的經(jīng)濟(jì)利益，出現(xiàn)偷工減料或者采購(gòu)不達(dá)標(biāo)等情況，這也給大跨度鐵路斜拉橋后期通行使用，埋下較為嚴(yán)重的安全隱患。

1.3 大跨度鐵路斜拉橋的養(yǎng)護(hù)和管理問(wèn)題

施工建設(shè)單位將更多的關(guān)注度投入前期施工中，對(duì)大跨度鐵路斜拉橋后期的養(yǎng)護(hù)和管理工作沒(méi)有過(guò)多的重視，這也是造成大跨度鐵路斜拉橋?qū)嶋H耐久度不高的重要原因之一。當(dāng)遇到暴雨、暴雪的天氣時(shí)，橋面會(huì)有積水或者結(jié)冰的現(xiàn)象，如果沒(méi)有得到相關(guān)部門的及時(shí)處理，橋內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)必定會(huì)受到腐蝕，導(dǎo)致大跨度鐵路斜拉橋出現(xiàn)不同程度的裂縫情況。需要注意的一點(diǎn)是，大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是承重結(jié)構(gòu)，而承重結(jié)構(gòu)并非是大跨度鐵路斜拉橋的核心組成部分，如果在后期對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)和檢修工作落實(shí)程度不足，不能及時(shí)對(duì)橋上部路面結(jié)構(gòu)、承重結(jié)構(gòu)、路基等多方面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，都會(huì)嚴(yán)重影響大跨度鐵路斜拉橋的使用壽命[2]。

在現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)的影響下，為了在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮抗震技術(shù)自身的應(yīng)用價(jià)值，就必須科學(xué)合理地開展大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)人員需要了解在不同等級(jí)的地震強(qiáng)度下大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（見表1），對(duì)大跨度鐵路斜拉橋進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)最佳的抗震效果。大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)工作的有效開展，需要在明確大跨度鐵路斜拉橋主要性能的基礎(chǔ)上，全面分析大跨度鐵路斜拉橋?qū)嶋H的抗震效果，以此作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)抗震與減隔震裝備進(jìn)行妥善安裝和設(shè)置，改善地震慣性力，降低地震對(duì)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)造成的破壞，進(jìn)一步確保大跨度鐵路斜拉橋的抗震性能和基礎(chǔ)質(zhì)量。

表1 在不同等級(jí)地震下大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先，必須要遵守科學(xué)化的基本原則，確保大跨度鐵路斜拉橋地質(zhì)的堅(jiān)硬性，不可選擇軟土地基來(lái)進(jìn)行施工。其次，必須要確保設(shè)計(jì)的整體性和連續(xù)性，保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更好地發(fā)揮出大跨度鐵路斜拉橋的使用功能。最后，需要保證最小振動(dòng)能量的適應(yīng)性以及橋梁結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度的可靠性。在滿足上述基礎(chǔ)要求之上，對(duì)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难诱?，減小地震時(shí)產(chǎn)生的荷載作用力對(duì)大跨度鐵路斜拉橋的破壞。

為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)大跨度鐵路斜拉橋工程抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就必須要以橋梁抗震的基本原理作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)彈性的精準(zhǔn)計(jì)算和修正，科學(xué)合理地提升橋墩結(jié)構(gòu)的延性，延長(zhǎng)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的自振周期，從而減弱橋梁振動(dòng)的作用力，將地震過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)位移變形的情況控制在最小范圍內(nèi)，不斷減少地震作用力對(duì)橋梁工程造成的影響。通過(guò)不斷加強(qiáng)大跨度鐵路斜拉橋的抗震能力，妥善地解決地震對(duì)大跨度鐵路斜拉橋造成的影響，為大跨度鐵路斜拉橋工程項(xiàng)目的順利開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 有效提升大跨度鐵路斜拉橋安全性和抗震性的對(duì)策

2.1 加強(qiáng)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

要想更好地保障大跨度鐵路斜拉橋的安全性和抗震性，就必須要做好設(shè)計(jì)前的相關(guān)準(zhǔn)備工作，這也是改善大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)安全性和抗震性的重要基礎(chǔ)工作。在大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)工作開展之前，需要掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，安排專業(yè)的勘察團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)地的勘察工作，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、地形、地貌、水文、氣候環(huán)境等情況有明確地了解。同時(shí)，在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要把后期養(yǎng)護(hù)和各種潛在風(fēng)險(xiǎn)列入設(shè)計(jì)考慮的范圍內(nèi)，并且制定針對(duì)性、可行性都較強(qiáng)的解決方案，這樣才可以在最大程度上改善大跨度鐵路斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保安全性和抗震性。

2.2 延長(zhǎng)大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的使用壽命

為了能夠更好地對(duì)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)設(shè)計(jì)觀念進(jìn)行創(chuàng)新。在對(duì)大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬的階段，不僅需要考慮大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的承重能力、荷載能力、強(qiáng)度等方面，還需要將大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的使用壽命納入考慮的范圍內(nèi)。此外，延長(zhǎng)大跨度鐵路斜拉橋工程的使用壽命，需要考慮工程施工、后期運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)檢修等各種因素，加上在設(shè)計(jì)中不斷地計(jì)算和試驗(yàn)，進(jìn)一步保障大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗震性和安全性[3]。

2.3 完善大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理論體系和結(jié)構(gòu)體系

在大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)理論體系和結(jié)構(gòu)體系的缺失，也是影響設(shè)計(jì)工作的重要原因。良好的設(shè)計(jì)內(nèi)容需要有完整的體系進(jìn)行支持，因此為了能夠確保設(shè)計(jì)工作的可靠性，保障大跨度鐵路斜拉橋的安全性和抗震性，就需要不斷對(duì)設(shè)計(jì)理論體系和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行完善。首先，需要對(duì)相關(guān)理論體系進(jìn)行深入的評(píng)價(jià)，對(duì)理論體系中存在的不足之處進(jìn)行完善，尤其是安全系數(shù)和計(jì)算公式等都需要科學(xué)合理地應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，這樣才能保障設(shè)計(jì)工作的精準(zhǔn)性。其次，還需要綜合考慮大跨度鐵路斜拉橋的整體性、沉降度、延展性。

2.4 提升大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的施工單位的技術(shù)能力

施工單位的整體技術(shù)能力，將會(huì)對(duì)大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)方案的落實(shí)情況產(chǎn)生直接影響。施工單位在承接大跨度鐵路斜拉橋建設(shè)工作后，管理人員需要對(duì)大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入的研究，明確施工建設(shè)中對(duì)施工技術(shù)的具體要求，掌握施工單位實(shí)際的施工能力和施工團(tuán)隊(duì)的技術(shù)能力。對(duì)施工單位的技術(shù)能力進(jìn)行評(píng)估，從而判定施工單位是否有能力承接工程項(xiàng)目。如果施工單位的技術(shù)能力不符合施工設(shè)計(jì)方案的相關(guān)要求，需要根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案的實(shí)際要求，對(duì)施工人員進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)活動(dòng)，要求施工人員按時(shí)參加培訓(xùn)活動(dòng)，進(jìn)一步提升施工人員的技術(shù)能力，為大跨度鐵路斜拉橋的施工質(zhì)量提供保障。

2.5 加強(qiáng)大跨度鐵路斜拉橋的養(yǎng)護(hù)工作

為了能夠更好地保障大跨度鐵路斜拉橋的使用壽命，就必須要加強(qiáng)對(duì)大跨度鐵路斜拉橋的養(yǎng)護(hù)管理工作，確保大跨度鐵路斜拉橋運(yùn)行的通暢和安全。根據(jù)我國(guó)相關(guān)的法律、法規(guī)以及相關(guān)條例，制定養(yǎng)護(hù)工作的基礎(chǔ)內(nèi)容。在實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作開展的過(guò)程中，需要按照預(yù)防為主、安全至上的基本原則，不斷提升大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性，全面加強(qiáng)大跨度鐵路斜拉橋的整體質(zhì)量。除此之外，還需要加強(qiáng)對(duì)維護(hù)人員的培訓(xùn)，保證維護(hù)人員能夠按照相關(guān)規(guī)定和要求，開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作，全面掌握大跨度鐵路斜拉橋的技術(shù)要求，保障大跨度鐵路斜拉橋的使用安全。

2.6 提升大跨度鐵路斜拉橋抗震性能的基礎(chǔ)技術(shù)

對(duì)大跨度鐵路斜拉橋進(jìn)行抗震性能提升，實(shí)際上是對(duì)組成大跨度鐵路斜拉橋的組織構(gòu)件實(shí)施加固處理，從而進(jìn)一步優(yōu)化大跨度鐵路斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)，使其具有更長(zhǎng)的使用期限。對(duì)大跨度鐵路斜拉橋進(jìn)行抗震性能提升處理的基礎(chǔ)技術(shù)主要包括四個(gè)部分：第一部分，對(duì)比較薄弱的構(gòu)件實(shí)施加固處理，主要用在受損情況比較嚴(yán)重的大跨度鐵路斜拉橋上。在提升抗震性能時(shí)，工作人員需要使用一些新材料，增加大跨度鐵路斜拉橋的截面面積，或是直接修補(bǔ)大跨度鐵路斜拉橋上存在的裂縫，從而達(dá)到加固大跨度鐵路斜拉橋、提升大跨度鐵路斜拉橋預(yù)應(yīng)力的目標(biāo)。第二部分，在大跨度鐵路斜拉橋上增設(shè)一些輔助性構(gòu)件，主要目的是為了提升大跨度鐵路斜拉橋的實(shí)際承載力，施工人員需要對(duì)大跨度鐵路斜拉橋受損構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)或是直接替換新構(gòu)件。第三部分，轉(zhuǎn)化大跨度鐵路斜拉橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)成體系，主要是為了提升大跨度鐵路斜拉橋的實(shí)際承載力，充分發(fā)揮大跨度鐵路斜拉橋和梁板具有的構(gòu)件組合功能，從而進(jìn)一步優(yōu)化大跨度鐵路斜拉橋的具體受力體系，確保大跨度鐵路斜拉橋可以正常運(yùn)用。第四部分，降低大跨度鐵路斜拉橋的恒載情況，主要是為了降低大跨度鐵路斜拉橋的受力程度，需要減少大跨度鐵路斜拉橋使用的構(gòu)件。

2.7 塞縫灌漿加固技術(shù)

在使用塞縫灌漿加固技術(shù)時(shí)，施工人員首先需要提前調(diào)制用于修補(bǔ)的砂漿，如水泥砂漿或者環(huán)氧樹脂型砂漿。其次，利用噴漿機(jī)將漿液直接灌注到大跨度鐵路斜拉橋需要修補(bǔ)的位置，從而達(dá)成提升大跨度鐵路斜拉橋抗震性能的目標(biāo)。將砂漿灌入到縫隙處，等其已經(jīng)處于凝結(jié)或者硬化狀態(tài)后，大跨度鐵路斜拉橋之前存在的裂縫以及鋼筋銹蝕問(wèn)題可以獲得有效解決。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在提升高速公路大跨度鐵路斜拉橋抗震性能中。相對(duì)而言，兩種砂漿中，環(huán)氧樹脂型砂漿應(yīng)用的更為廣泛，因?yàn)槠渚哂懈玫酿ば?，能夠提升大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗變形效果，具有較強(qiáng)的修補(bǔ)能力。

2.8 錨噴技術(shù)

將錨噴技術(shù)應(yīng)用在提升大跨度鐵路斜拉橋抗震性能中，主要用于維修大跨度鐵路斜拉橋的上部構(gòu)件。在加固期間，錨噴的凝結(jié)速度比較快，具有較高的強(qiáng)度。在實(shí)際施工期間，錨噴技術(shù)并不需要運(yùn)用模板施工，整個(gè)操作流程比較簡(jiǎn)單。除此以外，在錨噴技術(shù)使用過(guò)程中，可以應(yīng)用很多新型材料，如使用高碳纖維的塑料、性能更高的混凝土材料等，能夠有效提升大跨度鐵路斜拉橋的抗震性能。

2.9 粘鋼加固和碳素纖維加固

在對(duì)基礎(chǔ)大跨度鐵路斜拉橋墩部、臺(tái)部和基礎(chǔ)位置進(jìn)行加固處理時(shí)，應(yīng)該對(duì)出現(xiàn)缺陷的主要因素進(jìn)行分析。若是橋墩、橋臺(tái)、大跨度鐵路斜拉橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引發(fā)的問(wèn)題，需要及時(shí)加固處理，否則問(wèn)題將會(huì)蔓延，最終導(dǎo)致大跨度鐵路斜拉橋出現(xiàn)變形或者其他現(xiàn)象。在進(jìn)行檢修的過(guò)程中，應(yīng)該從進(jìn)一步優(yōu)化大跨度鐵路斜拉橋受力結(jié)構(gòu)方面入手，運(yùn)用粘鋼或者碳素材料進(jìn)行加固，可以有效提升大跨度鐵路斜拉橋的承載能力。對(duì)大跨度鐵路斜拉橋外包鋼進(jìn)行加固處理時(shí)，需要在大跨度鐵路斜拉橋上添加一些干式外包鋼，這種材料具備較好的承載效果，可以有效提升大跨度鐵路斜拉橋的承載力，并能夠進(jìn)一步優(yōu)化大跨度鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際使用粘鋼進(jìn)行加固處理時(shí)，需要應(yīng)用抗拉性、抗剪能力比較強(qiáng)的材料，如環(huán)氧樹脂型材料，具有比較好的加固處理效果。除此之外，使用外包鋼還是粘鋼進(jìn)行加固處理，主要取決于大跨度鐵路斜拉橋的具體狀況和加固技術(shù)的強(qiáng)度。碳素纖維是一種新型加固材料，具有比較好的加固能力。運(yùn)用碳素材料對(duì)大跨度鐵路斜拉橋進(jìn)行加固處理，主要是為了降低彈性模量對(duì)大跨度鐵路斜拉橋產(chǎn)生的影響。碳素纖維的加固方式和粘鋼加固處理大體相似，碳素纖維加固法更具技術(shù)含量，加固效果比較好。

碳素纖維加固法實(shí)際上具備較好的加固效果，主要是由于碳素纖維的構(gòu)成材料是聚丙烯材料。聚丙烯材料在高溫條件下能夠生成一些纖維絲，而建設(shè)大跨度鐵路斜拉橋的主要材料即是纖維，二者具備同樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此在使用聚丙烯材料粘貼大跨度鐵路斜拉橋構(gòu)件時(shí)，耐腐蝕效果較好。為了管控大跨度鐵路斜拉橋抗震性能提升的質(zhì)量，首先需要完善質(zhì)量檢查工作并創(chuàng)建評(píng)定制度，要求施工管理人員定期對(duì)加固施工工程進(jìn)行質(zhì)量檢查，充分了解施工進(jìn)度以及大跨度鐵路斜拉橋抗震性能提升技術(shù)，尋找出現(xiàn)施工問(wèn)題的原因，在認(rèn)真觀察周邊環(huán)境的變化后，尋找施工過(guò)程中存在的不足之處[4]。施工管理人員需將每次檢查的結(jié)果記錄下來(lái)，實(shí)施綜合、全面的分析，從客觀角度評(píng)定大跨度鐵路斜拉橋出現(xiàn)的問(wèn)題，從而有針對(duì)性地編制評(píng)定制度。

3 結(jié)語(yǔ)

大跨度鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳌Ｔ趯?shí)際的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員必須要保持認(rèn)真負(fù)責(zé)、嚴(yán)謹(jǐn)專業(yè)的態(tài)度完成大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)中，需要對(duì)大跨度鐵路斜拉橋的實(shí)際地理環(huán)境、氣候環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域、容易出現(xiàn)的問(wèn)題等進(jìn)行全面考慮，科學(xué)合理地完成設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步對(duì)大跨度鐵路斜拉橋的安全性和抗震性提供保障。大跨度鐵路斜拉橋的安全性、抗震性問(wèn)題貫穿整個(gè)項(xiàng)目的全過(guò)程各個(gè)階段，需從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等多方面考慮問(wèn)題?，F(xiàn)階段全國(guó)大跨度鐵路斜拉橋基建設(shè)施比較完善，且交通量日益增加，更需加強(qiáng)大跨度鐵路斜拉橋的檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作，保證大跨度鐵路斜拉橋預(yù)定的使用壽命。