大跨度懸索橋抗震設(shè)計(jì)與加固方法

周筱雯

（同創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞大陸地震帶之間，地震頻繁，1900 年以來(lái)已發(fā)生7 次強(qiáng)震，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)模擴(kuò)大，公路交通重要性突出，橋梁工程是關(guān)鍵樞紐。地震可能導(dǎo)致橋梁坍塌，從而無(wú)法保障交通和人民生命安全[1]。因此，需深入分析橋梁抗震性能，提出加固措施和方法，保證其抗震安全。

1 懸索橋的發(fā)展及設(shè)計(jì)特性

懸索橋是具有大跨度、高抗風(fēng)能力、造型美觀的橋梁，適用于復(fù)雜地形條件（如峽谷、江河和海灣等）。其發(fā)展歷史可追溯到20 世紀(jì)初，早期結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由吊索和主纜組成，材料選擇范圍有限。隨著科技的發(fā)展，懸索橋設(shè)計(jì)和施工方法得到改進(jìn)。20 世紀(jì)30 年代，美國(guó)發(fā)明纜索吊機(jī)，施工更高效安全。20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)建成世界首座全懸臂懸索橋——帕特森特大橋。

懸索橋技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用較晚但發(fā)展迅速，自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)得到廣泛應(yīng)用，成為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通發(fā)展起著重要作用。設(shè)計(jì)需考慮構(gòu)造特征、受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和抗震性能等多個(gè)方面，其中抗震性能是重要因素之一。地震作用下，懸索橋的主纜、主梁和加勁梁等結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的震動(dòng)和變形。設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮這些因素，確保懸索橋在地震作用下的安全性和穩(wěn)定性。

2 地震對(duì)橋梁的影響

2.1 地震對(duì)懸索橋的影響

在地震作用下，結(jié)構(gòu)位移峰值主要集中在主纜中心處，并逐漸向兩側(cè)延伸，說(shuō)明地震對(duì)懸索橋的影響主要體現(xiàn)在主纜中心處，并向兩側(cè)延伸。地震作用下主纜索力沿縱向分布不均[2]。

由于該懸索橋主纜高度較高，地震作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。懸索橋?yàn)榈鯒U式的懸索橋，其抗風(fēng)穩(wěn)定性能較差，地震作用下會(huì)產(chǎn)生較大的橫搖和豎搖的附加作用力，因此在地震作用下可能發(fā)生傾覆、倒塌和吊桿破壞等現(xiàn)象[3]。

2.2 懸索橋設(shè)計(jì)中地震分析的相關(guān)部位

1） 地震作用下，懸索橋關(guān)鍵部位位移大，可能出現(xiàn)斷索和脫索。2） 懸索橋抗震性能受抗剪能力影響，主纜與吊索連接處是薄弱環(huán)節(jié)。3） 懸索橋主要承重結(jié)構(gòu)是主纜與吊索，地震會(huì)影響其穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致?lián)p壞。4） 地震作用下，懸索橋產(chǎn)生大應(yīng)力和位移，導(dǎo)致破壞。5） 大跨度橋梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和內(nèi)力，影響其穩(wěn)定性。

3 懸索橋抗震加固措施

3.1 索面

懸索橋的索面是橋梁的重要組成部分，對(duì)橋梁的抗震性能具有重要影響。在地震作用下，索面承受巨大的拉力，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。為了提高懸索橋的抗震性能，可以采取一系列措施來(lái)加強(qiáng)索面。其中一種常見(jiàn)的加固方法是施加預(yù)應(yīng)力。通過(guò)在索面中施加預(yù)應(yīng)力，可以增加索面的剛度和強(qiáng)度，從而增強(qiáng)其抵抗地震作用的能力。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)地震烈度和橋梁規(guī)模等因素來(lái)確定預(yù)應(yīng)力的大小和分布。另一種有效的加固方法是采用預(yù)應(yīng)力索面和鋼板索面等加固方式。該方法可以顯著提高索面的承載能力和變形性能，從而增強(qiáng)懸索橋的抗震性能。在采用鋼板索面時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化鋼板的厚度、排列和連接方式等參數(shù)來(lái)增強(qiáng)加固效果[4]。除了以上2 種方法外，還可以采取其他措施來(lái)增強(qiáng)索面的抗震性能。例如，可以對(duì)索面進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，以確保其處于良好的工作狀態(tài)，從而保證懸索橋的安全性和可靠性。

3.2 梁體

懸索橋的梁體作為抗震的關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”的原則進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8 度時(shí)，梁體可以不設(shè)置抗震縫，但應(yīng)根據(jù)抗震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)[5]。因此，為了提高梁體的抗震性能，可以采取以下措施：

1） 在梁體中設(shè)置縱向限位裝置或橫向限位裝置，則梁體在地震作用下可以更加安全可靠地工作。設(shè)置縱向限位裝置和橫向限位裝置時(shí)，需要考慮與主塔連接處的構(gòu)造措施和安裝方法。根據(jù)抗震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以有效防止地震引起的主塔偏位、主梁開(kāi)裂和索鞍與主塔之間的脫空等現(xiàn)象。

2） 橋梁在地震作用下會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，因此橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮與其連接部位的剛度問(wèn)題。為了提高橋梁抗震性能，可在橋梁上部結(jié)構(gòu)中增加縱向和橫向鋼筋。為了增加結(jié)構(gòu)剛度并降低地震作用下的變形量，可在橋梁上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置縱向、橫向和豎向鋼筋。

3） 為了提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，應(yīng)加強(qiáng)梁體與主塔之間的連接部位。目前常用的方法是在梁中設(shè)置縱向和橫向鋼筋。設(shè)置縱向鋼筋可以增加主塔與主梁之間的連接剛度，并提高主梁結(jié)構(gòu)剛度。因此，可以在梁體中設(shè)置縱向鋼筋并在梁體與主塔之間設(shè)置橫向鋼筋，以提高橋梁的抗震性能。當(dāng)在梁體中設(shè)置縱向、橫向和豎向鋼筋時(shí)，由于梁體與主塔之間存在摩擦阻尼作用，因此梁體的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)增加。

3.3 主塔

懸索橋的主塔是懸索橋的關(guān)鍵構(gòu)件，其抗震性能直接影響主塔的安全。由于懸索橋的結(jié)構(gòu)比較特殊，其主要特點(diǎn)是塔梁一體化。為了保證懸索橋在地震作用下的安全性，通過(guò)增加主塔的高度，將主塔、塔梁一體化。

在地震作用下，懸索橋主塔中的預(yù)應(yīng)力筋和塔梁之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增加了主塔的橫向水平地震力。對(duì)于橋梁抗震加固來(lái)說(shuō)，提高結(jié)構(gòu)抗震性能最有效的方法是在主塔上設(shè)置支座。當(dāng)橋梁的跨度較大時(shí)，主塔本身所承受的地震作用很大。為了減小地震對(duì)橋梁造成的損害，需要在主塔上設(shè)置支座來(lái)減小地震作用。對(duì)主塔來(lái)說(shuō)，最理想的支座形式是在塔身和塔頂之間設(shè)置滑動(dòng)支座。根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式和材料強(qiáng)度，可以將滑動(dòng)支座分為以下2種類型：摩擦擺支座和球鉸支座。

3.4 防落梁

針對(duì)大跨度懸索橋在地震作用下的主要破壞形式，提出一種基于防落梁的加固方法。該方法主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中布置縱向防落梁和橫向防落梁來(lái)增強(qiáng)橋梁的穩(wěn)定性?？v向防落梁被設(shè)置在主纜和梁端之間，而橫向防落梁則位于梁體中間。采用這種防落梁加固方法對(duì)某懸索橋進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。通過(guò)動(dòng)力分析可知，該懸索橋的墩底最大彎矩并未超出預(yù)設(shè)的范圍，此外主塔和邊墩的位移相應(yīng)減小，表明該加固方法有效地控制了結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移和內(nèi)力。加固設(shè)計(jì)后的結(jié)果表明，防落梁加固方法是一種有效的抗震加固方法，該方法不僅能夠提高橋梁的穩(wěn)定性，還能有效地減少地震對(duì)橋梁造成的損害。因此，應(yīng)該在更多的懸索橋設(shè)計(jì)中采用這種加固方法，以提高橋梁的安全性和使用壽命。

3.5 抗震設(shè)計(jì)

3.5.1 塔梁連接優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高塔梁連接的抗震能力，可以采取以下措施。首先，選擇具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的抗震材料（如高強(qiáng)度鋼材和混凝土）。其次，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和改變截面形狀，來(lái)提高塔梁連接的抗震性能）以及安裝阻尼裝置（如黏滯阻尼器和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）可以有效減少地震振動(dòng)和位移響應(yīng)；設(shè)置抗震支座（如摩擦擺支座和高阻尼橡膠支座）可以適應(yīng)地震作用下的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)需求。最后，確保施工質(zhì)量也是至關(guān)重要的，包括對(duì)施工人員的專業(yè)培訓(xùn)、對(duì)施工過(guò)程的嚴(yán)格監(jiān)督和對(duì)施工材料的質(zhì)量檢驗(yàn)。通過(guò)這些措施，可以提高塔梁連接的抗震能力，保證橋梁的安全使用。

3.5.2 主纜和吊索加固設(shè)計(jì)

通過(guò)選用高強(qiáng)度鋼材和優(yōu)化主纜及吊索的布置，可以提高橋梁的抗震性能。高強(qiáng)度鋼材具有更高的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，能夠有效抵抗地震應(yīng)力和變形。優(yōu)化主纜和吊索的布置可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，使其在地震作用下更加穩(wěn)定。此外，安裝減震裝置也是提高抗震能力的重要措施。減震裝置（如減震器和阻尼器等）能夠有效減小地震作用下的振動(dòng)和位移響應(yīng)，可以通過(guò)調(diào)整減震裝置的參數(shù)和布置方式來(lái)滿足不同橋梁的抗震需求。優(yōu)化錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是提高抗震性能的關(guān)鍵。錨固系統(tǒng)是主纜和吊索與橋梁結(jié)構(gòu)連接的重要部分，需要確保其強(qiáng)度和耐久性。定期檢測(cè)與維護(hù)主纜和吊索也是保證橋梁安全使用的重要措施。定期檢查可以發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，及時(shí)修復(fù)受損部位。維護(hù)工作包括清潔、涂裝防護(hù)層和更換損壞部件等，以提高橋梁的抗震能力。最后，在抗震加固設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮氣候效應(yīng)對(duì)材料的影響，選擇具有良好耐候性的材料，已經(jīng)采用特殊的防腐涂層等，以確保橋梁在不同氣候條件下的穩(wěn)定性，提高全天候抗震能力。

4 結(jié)語(yǔ)

合理的結(jié)構(gòu)形式和抗震設(shè)計(jì)可減輕或避免橋梁震害。設(shè)計(jì)師應(yīng)重視地震模擬分析和結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式和抗震措施可提高橋梁抗震性能，改善其動(dòng)力特性。大跨度懸索橋地震力大、地形復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)很重要。本文研究了適合我國(guó)橋梁的抗震加固技術(shù)，為提高公路橋梁抗震性能提供了可靠技術(shù)保證。