大跨度斜拉橋主體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與加固技術(shù)

方迎春

摘要：簡(jiǎn)述了大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)理論，結(jié)合實(shí)際工程通過構(gòu)建有限元模型、結(jié)構(gòu)抗震體系比較和拉索減震支座的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)而敘述了大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和大跨度斜拉橋加固技術(shù)，為建設(shè)大跨度斜拉橋提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度斜拉橋；主體結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；加固技術(shù)

0? ?引言

大跨度斜拉橋工程在抗震設(shè)計(jì)和加固技術(shù)方面，是研究和改進(jìn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在工程技術(shù)人員的持續(xù)努力下雖然取得了諸多成果，但是目前仍然具有研究和改進(jìn)的空間和必要性。基于此，本文重點(diǎn)研究大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)與加固技術(shù)，旨在優(yōu)化大跨度斜拉橋的結(jié)構(gòu)組合方式、改善其結(jié)構(gòu)組合狀態(tài)、提高其抗震性能。

1? ?大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)理論

1.1? ?抗震設(shè)計(jì)類別

1.1.1? ?概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是提高大跨度斜拉橋抗震性能的重要方式，根據(jù)其主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，確定行之有效的抗震措施，確保按照抗震設(shè)計(jì)方案建設(shè)的橋梁具有可靠的抗震性能。同時(shí)，大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)還可評(píng)估橋梁對(duì)地震的適應(yīng)能力，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡卣鹳Y料，確定可適應(yīng)特定地震強(qiáng)度等級(jí)的橋梁抗震結(jié)構(gòu)。經(jīng)過概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以靈活優(yōu)化大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)方式，改進(jìn)其抗震結(jié)構(gòu)，提升其抗震設(shè)計(jì)方案的可行性[1]。

1.1.2? ?延性設(shè)計(jì)

延性設(shè)計(jì)的目的在于提高大跨度斜拉橋?qū)Φ卣鸬牡钟芰Γ悦庖虻卣鹱饔脤?dǎo)致其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至坍塌。設(shè)計(jì)人員做好大跨度斜拉橋的有效延性設(shè)計(jì)，有利于提升橋梁結(jié)構(gòu)性能，發(fā)揮橋梁的延性特征，確保大跨度斜拉橋在地震作用下仍保持原狀。

地震對(duì)大跨度斜拉橋的破壞具有多樣性，但普遍具有運(yùn)動(dòng)破壞強(qiáng)于力學(xué)破壞的特點(diǎn)，因此需要將配筋設(shè)計(jì)作為大跨度斜拉橋延性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，增加配筋，從而提升橋梁的抗破壞性能，保證橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)均保持穩(wěn)定運(yùn)行。在大跨度斜拉橋的延性設(shè)計(jì)中，還需評(píng)估設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可行性，驗(yàn)證橋梁抗震性能，必要時(shí)根據(jù)評(píng)估結(jié)果改進(jìn)抗震設(shè)計(jì)方案。

1.1.3? ?減震隔震設(shè)計(jì)

減震隔震設(shè)計(jì)的目的在于使大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)吸收地震波，使其在受到地震作用后仍保持穩(wěn)定。大跨度斜拉橋的減震隔震設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于三點(diǎn)：

一是保證橋墩柱受力均勻，依靠抗震性能的優(yōu)勢(shì)保證橋梁在地震作用時(shí)的穩(wěn)定性；二是精心設(shè)計(jì)阻尼器、支座伸縮縫等橋梁減震隔震裝置，在此類裝置和橋梁結(jié)構(gòu)的共同作用下，提升橋梁的抗震性能；三是減震隔震設(shè)計(jì)時(shí)需考慮低頻分量的影響，根據(jù)該影響優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)方案，確保橋梁具有良好的減震隔震性能。

1.2? ?結(jié)構(gòu)抗震體系分類

根據(jù)大跨度斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)地震資料，提出3種結(jié)構(gòu)抗震體系，如下所述。

1.2.1? ?固結(jié)體系

墩梁之間設(shè)置縱向滑動(dòng)支座，包含單向支座、雙向支座和固定支座，并在主塔處采用塔梁固結(jié)。

1.2.2? ?半漂浮體系

塔梁、墩梁之間設(shè)置縱向滑動(dòng)支座，支座形式與固結(jié)體系保持一致，并在主塔處設(shè)置縱向滑動(dòng)支座。

1.2.3? ?彈性索體系

保留半漂浮體系的結(jié)構(gòu)組成方式，區(qū)別之處是在塔梁之間設(shè)置抗拉強(qiáng)度為一定設(shè)計(jì)值的鋼絞線作為彈性索，用于優(yōu)化主梁地震慣性力的傳力路徑。

2? ?針對(duì)實(shí)際工程的抗震設(shè)計(jì)

2.1? ?工程概況

某獨(dú)塔雙索面大跨度斜拉橋總長(zhǎng)為827m，主橋全長(zhǎng)為519m，橋面寬度為44.0m，跨度為89m+245m+185m。主塔塔身為水滴形橋塔，高度為146m，斜拉索為空間扇形雙索面形式。主梁采用混合梁，邊跨及主跨非索錨區(qū)采用混凝土箱梁，索錨區(qū)采用疊合梁，縱梁為梁高2.75m的箱形截面?；炷亮旱闹兄c(diǎn)梁高為8.0m，設(shè)計(jì)為變截面雙箱斷面。

2.2? ?構(gòu)建有限元模型

2.2.1? ?建模方式

該大跨度斜拉橋建模軟件采用SAP2000有限元軟件，主梁、主塔、橋墩采用空間彈性梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)自重通過賦予材料重度和截面面積實(shí)現(xiàn)，斜拉索采用梁?jiǎn)卧M，垂度效應(yīng)根據(jù)Ernst公式確定，釋放梁端彎矩。塔、墩基礎(chǔ)的樁與土相互作用采用空間六彈簧模型模擬，且均設(shè)置為群樁基礎(chǔ)。橋梁支座豎向按固定處理，滑動(dòng)方向用雙線性理想彈塑性彈簧連接單元代表。該大跨度斜拉橋的有限元模型如圖1所示。

2.2.2? ?輸入地震動(dòng)數(shù)值

該大跨度斜拉橋橋址處的地震烈度為Ⅷ度，50年2%超越概率水平地震動(dòng)的特征周期為0.90s，地震動(dòng)的加速度峰值為0.337g。根據(jù)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，其豎向地震動(dòng)取水平地震動(dòng)的0.65倍。

2.3? ?結(jié)構(gòu)抗震體系比較

2.3.1? ?固結(jié)體系和半漂浮體系的缺陷

經(jīng)過對(duì)該大跨度斜拉橋橋墩地震力、橋墩支座位移的對(duì)比分析可知，固結(jié)體系和半漂浮體系的橋墩墩底彎矩均較小，主梁位移較大，說明這2種體系在較強(qiáng)地震的作用下，橋梁的重要結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重的影響，存在較高的地震損壞風(fēng)險(xiǎn)。

橋墩是橋梁的重要受力構(gòu)件，其穩(wěn)定性直接影響全橋穩(wěn)定狀態(tài)，但這2種體系在遇到較強(qiáng)地震作用時(shí)并不能充分發(fā)揮橋墩的抗震性能，顯然橋墩結(jié)構(gòu)組成的固結(jié)體系和半漂浮體系不能滿足抗震需要。

2.3.2? ?彈性索體系的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過有拉索支座與無拉索支座的位移量對(duì)比可知，該大跨度斜拉橋?qū)Φ卣饍?nèi)力和位移控制，以彈性索體系的應(yīng)用效果最好。采取彈性索體系設(shè)計(jì)的拉索減震支座，可由橋墩承擔(dān)一部分橋梁受到的地震力，能夠有效控制墩梁、塔梁位移現(xiàn)象，維持橋梁的良好受力狀態(tài)，提升橋墩的抗震性能。同時(shí)說明，拉索減震支座是該大跨度斜拉橋工程中應(yīng)用效果最好的抗震設(shè)防策略[2]，可將彈性索體系應(yīng)用于該橋梁工程中。有拉索支座與無拉索支座位移量對(duì)比如圖2所示。

分析圖2可知，5座橋墩有拉索支座的位移量降低至0.31～0.34m，5座橋墩有拉索支座的位移量比無拉索支座的位移量分別減少了15.8%、22.5%、13.9%、15.4%、10.5%。

2.4? ?拉索減震支座的設(shè)計(jì)

2.4.1? ?設(shè)計(jì)思路

該大跨度斜拉橋拉索減震支座充分保留球鋼支座受力穩(wěn)定可靠的性能優(yōu)勢(shì)，并聯(lián)合應(yīng)用具有柔性、高強(qiáng)度特性的鋼絞線構(gòu)成的綜合型拉索減震支座，可以取得良好的抗震效果。當(dāng)橋梁遭遇地震時(shí)，球鋼支座的抗剪銷釘被剪斷，從而發(fā)生滑動(dòng)并形成減震隔震體系，以減弱地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的不良影響。配置的鋼絞線拉索裝置則有效穩(wěn)固墩梁，避免其發(fā)生位移。

通過球鋼支座和鋼絞線拉索恢復(fù)力曲線的組合，形成拉索減震支座的恢復(fù)力模型。若支座位移小于拉索抗震支座的自由行程（u值），不發(fā)揮拉索的限位作用；否則將通過拉索限制抗震支座，達(dá)到維持抗震支座穩(wěn)定性和減弱地震作用力的效果。

2.4.2? ?設(shè)計(jì)方案

在該大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)中，拉索抗震支座的自由行程可根據(jù)下部結(jié)構(gòu)的抗震性能做靈活調(diào)整。根據(jù)變化規(guī)律，該自由行程越小則地震位移越小、地震內(nèi)力越大；該自由行程越大則地震位移越大、地震內(nèi)力越大[3]。

為了強(qiáng)化該大跨度斜拉橋的抗震性能，將全橋支座均設(shè)置為彈性索減震支座。根據(jù)拉索減震支座設(shè)計(jì)思路進(jìn)行參數(shù)分析后，決定將主橋拉索減震支座的自由行程設(shè)計(jì)為0.3m，以此來兼顧地震內(nèi)力與位移的平衡關(guān)系。

3? ?大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1? ?優(yōu)選設(shè)計(jì)方案

如果大跨度斜拉橋位于強(qiáng)地震地帶或者頻繁地震地帶，最好采用延性抗震和減震隔震相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)既有利于達(dá)到抗震的效果，也可節(jié)省造價(jià)。

采用減震隔震設(shè)計(jì)方案時(shí)，最好選用新工藝和新材料，避免發(fā)生地震時(shí)橋梁抗震效果達(dá)不到預(yù)期，必要時(shí)可通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)來研究、分析和驗(yàn)證。如果出現(xiàn)抗震性能驗(yàn)證不符合要求的情況，可采取相應(yīng)的措施進(jìn)行糾正甚至改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，然后再對(duì)調(diào)整后的抗震能力是否達(dá)標(biāo)重新進(jìn)行驗(yàn)證，直到符合預(yù)期效果為止。

3.2? ?改進(jìn)橋梁墩柱結(jié)構(gòu)

可通過加強(qiáng)墩柱塑性區(qū)域配筋，保證橋墩結(jié)構(gòu)能形成一個(gè)適當(dāng)?shù)乃苄院哪軜?gòu)件，有效加強(qiáng)墩柱的延性。如果發(fā)生地震，墩柱配箍越多，其底部截面的塑性轉(zhuǎn)角就越大，非常有利于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

設(shè)計(jì)橋梁墩柱的延性時(shí)，可利用墩柱的延性變形耗能這一特點(diǎn)，適當(dāng)降低墩底的彎矩，使其塑性轉(zhuǎn)角限制在要求以下，這樣更有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.3? ?改進(jìn)橋梁上部結(jié)構(gòu)

如果在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中已經(jīng)采用了簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，則有必要對(duì)橋面進(jìn)行必要的加固設(shè)計(jì)，這是為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。為保證橋梁上部結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)不發(fā)生相對(duì)位移，可通過設(shè)置防擋塊來達(dá)到此目的。設(shè)計(jì)者一定要在橋梁結(jié)構(gòu)上慎重考慮，盡可能采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，減少對(duì)簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的依賴程度。

4? ?大跨度斜拉橋加固技術(shù)

4.1? ?橋梁加固的重要性

在地震作用下，大跨度斜拉橋可能出現(xiàn)明顯震壞現(xiàn)象，其穩(wěn)定性下降。若梁板受損，有可能誘發(fā)橋面斷裂、橋梁崩塌事故，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)墩柱與支座斷裂。因此需要在做好抗震設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，采取橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)在遇到地震作用時(shí)仍維持穩(wěn)定。

4.2? ?橋梁鋼板加固

通過鋼板加固技術(shù)提高橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，控制橋梁中軸和加固范圍，避免橋梁結(jié)構(gòu)因地震作用而出現(xiàn)明顯的裂痕。加固采用的鋼板應(yīng)滿足材質(zhì)可靠、尺寸合理、穩(wěn)定等要求。

4.3? ?橋梁部件加固

先確定橋梁連接部位的伸縮性能并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，判其斷伸縮性能是否達(dá)到技術(shù)要求。再根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取合適的部件加固技術(shù)。橋梁部件加固后，其具有更好的穩(wěn)定性，可避免因地震作用而發(fā)生位移，可縮小地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響范圍，可避免出現(xiàn)傳遞性裂痕。

4.4? ?橋梁連接部件加固

大跨度斜拉橋的受力抗壓性能與連接部件的質(zhì)量息息相關(guān)，妥善加固橋梁連接部件至關(guān)重要，經(jīng)過充分的加固后，能夠避免連接部件位移、結(jié)構(gòu)開裂等問題，有效提升橋梁的穩(wěn)定性[4]。

5? ?結(jié)束語

綜上所述，在地震高烈度區(qū)域建設(shè)大跨度斜拉橋，為了有效控制地震作用下的主梁位移，不宜采用塔梁固結(jié)體系，宜將彈性索體系作為抗震設(shè)防體系。秉承橋梁抗震性能最佳化原則，本文所述大跨度斜拉橋工程實(shí)例采用拉索減震支座，可有效發(fā)揮橋墩的抗震性能，避免因地震作用而引起支座位移、主塔地震內(nèi)力過高等問題。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取加固技術(shù)，可提升橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效抵御地震災(zāi)害。

參考文獻(xiàn)

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