大跨度橋梁抗震特點(diǎn)及施工技術(shù)

摘 要：大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)體系龐大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工期間有嚴(yán)格的抗震性規(guī)定。為提高大跨度橋梁的抗震水平，需做好受力分析及計(jì)算，采取一系列優(yōu)化措施。目前在大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)與施工中陸續(xù)出現(xiàn)了多種工藝、技術(shù)，對(duì)提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及安全起到了關(guān)鍵作用。橋梁工程需繼續(xù)優(yōu)化抗震施工技術(shù)，建立全新的施工技術(shù)體系。基于此，著重分析了大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)及相應(yīng)施工技術(shù)，以期為同類(lèi)型項(xiàng)目提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度橋梁；抗震；施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U414" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2024）10-0025-03

0 引言

為提高橋梁工程的建設(shè)水平，需要將大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)與施工作為關(guān)鍵，采取各種加固措施，以維持大跨度橋梁的受力均衡狀態(tài)。相關(guān)人員需結(jié)合橋梁工程所在區(qū)域的地形地質(zhì)特點(diǎn)，按照大跨度結(jié)構(gòu)體系，完成前期分析及論證，制定最佳的橋梁抗震設(shè)計(jì)、施工方案，加強(qiáng)施工全過(guò)程的技術(shù)管理、質(zhì)量控制。

1 大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工需求

目前橋梁工程建設(shè)中，大跨度橋梁占比較高，達(dá)到了橋梁總數(shù)的60%及以上。不同于一般橋梁，大跨度拉索為彈性支承方式，對(duì)應(yīng)的橋梁軸力、承載力較大。大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得抗震設(shè)計(jì)與施工難度較大，只有做好大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)與施工，方可保障橋梁結(jié)構(gòu)性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

2 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)方法與能力設(shè)計(jì)方法

針對(duì)大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)體系中需合理應(yīng)用各種延性和能力保護(hù)構(gòu)件，規(guī)劃這些構(gòu)件的安裝位置、強(qiáng)度等級(jí)。一旦在結(jié)構(gòu)體系中未執(zhí)行能力保護(hù)規(guī)定，部分構(gòu)件存在脆性破壞風(fēng)險(xiǎn)。橋梁抗震設(shè)計(jì)可采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，也可采用能力設(shè)計(jì)方法，但兩種方法的適用條件有所差異，施工建設(shè)期間需做好對(duì)比、論證。兩種設(shè)計(jì)方法的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

2.2 潛在塑性鉸位置的選擇

橋梁工程中通過(guò)合理設(shè)定潛在塑性鉸位置，能在一定程度上改善受力分布狀態(tài)，提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并非全部橋梁都需設(shè)定潛在塑性鉸位置，但如有要求設(shè)置潛在塑性鉸位置，有關(guān)人員要做好全面分析，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成、構(gòu)件的形狀、尺寸、位置等，開(kāi)展受力分析，使?jié)撛谒苄糟q位置發(fā)揮應(yīng)有的作用[1]。在潛在塑性鉸位置選擇等方面，獲取不同參數(shù)之間的關(guān)系，按照公式（1）（2）進(jìn)行一系列驗(yàn)算。

" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，Vc0、f'c、Vs分別表示的是剪力設(shè)計(jì)值（kN）、混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）、箍筋抗剪壓力（MPa）。

" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中，Ae、Ak、Sk、fyk、b、φ分別代表核心混凝土面積（cm2）、同一截面上箍筋總面積（cm2）、箍筋間距（cm）、箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）、沿計(jì)算方向墩柱寬度（cm）、抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)（取0.85）。

2.3 場(chǎng)地設(shè)計(jì)

橋梁工程往往建設(shè)在特定的場(chǎng)地，場(chǎng)地條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工難度等的影響較大。一些建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合建設(shè)大體積、復(fù)雜型工程體系。部分場(chǎng)地的地質(zhì)條件惡劣，在此條件下建設(shè)工程結(jié)構(gòu)時(shí)，需采取專(zhuān)門(mén)化措施改善地質(zhì)條件。橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)前需提前分析場(chǎng)地條件，判定場(chǎng)地是否處于地震帶上。地震災(zāi)害下地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的危害主要由地基失效、場(chǎng)地震動(dòng)所引起。為預(yù)防地震對(duì)地基的影響，在工程規(guī)劃階段需從更為專(zhuān)業(yè)的角度選擇場(chǎng)地，或者結(jié)合項(xiàng)目所在地的地基類(lèi)型，采取合理的地基加固措施，以提高地基性能[2]。

場(chǎng)地土就是場(chǎng)地范圍內(nèi)的地基土。根據(jù)相關(guān)理論研究和實(shí)踐分析，即使在同一烈度區(qū)，場(chǎng)地土質(zhì)條件也并不完全一致，不同位置的土體性質(zhì)存在顯著差異。由于這些差異，地震對(duì)建筑物各結(jié)構(gòu)部位的危害程度各有不同。軟弱地基與堅(jiān)硬地基的強(qiáng)度和承載力不同，前者的自激振動(dòng)周期略長(zhǎng)，振幅也相對(duì)較大，且振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。如果建筑項(xiàng)目建設(shè)在軟弱地基上，施工建設(shè)期間未處理地基，地震發(fā)生后對(duì)建筑的危害較大，可能導(dǎo)致建筑傾覆。因此，任何大跨度橋梁工程建設(shè)之前，必須掌握?qǐng)龅貤l件，分析項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)域的土層、地基等情況，據(jù)此選定抗震設(shè)計(jì)方法。橋梁場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為場(chǎng)地剪切波速、覆蓋層厚度，如表2所示。

一些大跨度橋梁位于斷裂帶上，現(xiàn)場(chǎng)極易出現(xiàn)地震災(zāi)害，伴隨著地震影響，橋梁結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重后果。為此，在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能避免這一地段，將橋梁建在更為合適的位置。

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震施工技術(shù)

以天水公路橋項(xiàng)目為例，此項(xiàng)目位于設(shè)防地震烈度八度區(qū)域，綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，主要為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁形成的B類(lèi)普通規(guī)則橋梁。為達(dá)到項(xiàng)目抗震要求，將榫形減震限位裝置安裝于裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中墩、交接墩、橋臺(tái)區(qū)域，16 m寬斷面每個(gè)連接墩安裝4套裝置，每個(gè)過(guò)渡墩安裝8套，每個(gè)橋臺(tái)安裝4套。12 m寬斷面每個(gè)連續(xù)墩安裝3套，每個(gè)過(guò)渡墩、橋臺(tái)分別安裝6套、3套。本項(xiàng)目中采用的榫形減震限位裝置需與摩擦擺支座配合使用，方可起到應(yīng)有的作用。

3.1 隔震和減震

原先的橋梁項(xiàng)目中，雖采取了一定的措施來(lái)抗震，這些措施能在優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)體系中起到重要作用，但這些措施并不能從根本上規(guī)避地震危害。大跨度橋梁工程中，受多種因素的影響，個(gè)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能出現(xiàn)局部損壞，難以凸顯其在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中的作用。因此，為提高大跨度橋梁的抗震性，相關(guān)人員需合理應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，在橋梁結(jié)構(gòu)的某一結(jié)構(gòu)部位安裝耗能支撐等裝置，或者給這些部位施加一定的外力，從根本上改變橋梁的動(dòng)力特性。大跨度橋梁中應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，能大大提高橋梁的抗震性能，降低施工成本。

當(dāng)前的技術(shù)條件下，橋梁結(jié)構(gòu)控制技術(shù)包含被動(dòng)控制、主動(dòng)控制與混合控制３種，實(shí)際的工作中需擇優(yōu)選擇。對(duì)于大跨度橋梁這類(lèi)特殊項(xiàng)目，減震與隔震對(duì)提高建筑抗震性具有顯著作用。以減震為例，就是設(shè)置一些特殊的減震裝置或者構(gòu)件，以確保地震來(lái)臨時(shí)這些裝置或構(gòu)件能減小地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害[3]。如監(jiān)測(cè)到地震災(zāi)害，相關(guān)人員需提前將減震裝置放入塑性區(qū)，形成大阻尼，減弱地震能量的傳播，減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的危害。橋梁結(jié)構(gòu)中采取隔震設(shè)計(jì)，需在結(jié)構(gòu)上構(gòu)造隔震體系，用隔震裝置起到隔離作用。大跨度橋梁中主要可采用以下分離型減隔震裝置、整體型減隔震裝置，二者在支座形式、減震和隔震方面的原理有一定區(qū)別，需通過(guò)一系列對(duì)比來(lái)配備減隔震裝置，并將裝置安裝在指定位置。

3.2 延性抗震

針對(duì)大跨度橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)，主要需考慮橋梁結(jié)構(gòu)的延性耗能能力。在整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)與施工建設(shè)期間，相關(guān)人員需著重分析結(jié)構(gòu)本身、構(gòu)件的延性，若構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)塑性部分，應(yīng)對(duì)此部分進(jìn)行延性設(shè)計(jì)。依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在延性設(shè)計(jì)過(guò)程中允許發(fā)生一定程度的塑性變形、損壞，但這些損壞與變形不影響橋梁的整體安全。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)處理

與其他影響因素相比，地震災(zāi)害的不確定性較大，不僅僅體現(xiàn)在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)間上，還表現(xiàn)在災(zāi)害所造成的影響上。此外，因?yàn)槊恳粯蛄憾加懈髯缘奶攸c(diǎn)，抗震計(jì)算及設(shè)計(jì)的難度系數(shù)較高。大跨度橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)與施工中，相關(guān)人員不應(yīng)單純以抗震計(jì)算數(shù)值作為參考，還需要關(guān)注概念設(shè)計(jì)部分。無(wú)論哪種類(lèi)型及規(guī)模的大跨度橋梁，靜力分析、功能要求僅僅能作為抗震設(shè)計(jì)參考，必須要考慮結(jié)構(gòu)抗震方面的諸多影響因素，以確定最佳的抗震結(jié)構(gòu)體系?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)的要求高、難度大，特別是在上下部的連接位置，有關(guān)人員需科學(xué)選擇塑性鉸預(yù)期位置，合理處理過(guò)渡孔連接處，選擇符合要求的橋墩形式。在結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)從整體角度來(lái)分析，著重把握橋梁結(jié)構(gòu)在面臨地震災(zāi)害時(shí)的反應(yīng)，關(guān)注地震破壞原理，優(yōu)化整合和局部構(gòu)造，使大跨度橋梁符合穩(wěn)定性、安全性、抗震性等特點(diǎn)。

本橋梁工程中如不采用減隔震設(shè)計(jì)方式，需適當(dāng)增加墩、基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)的尺寸，否則，地震發(fā)生后橋梁墩柱易發(fā)生較大的位移，影響下部結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定。如果結(jié)構(gòu)施工中采用滑動(dòng)支座、摩擦擺支座等，地震條件下墩梁相對(duì)位移達(dá)到了35 cm以上，此位移量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)落梁現(xiàn)象的概率較高[4]。

綜合天水公路橋項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)地形條件、結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，為符合抗震規(guī)定，需采用減隔震設(shè)計(jì)，不僅需隔震降低下部結(jié)構(gòu)受力，還需要通過(guò)減震裝置來(lái)減小墩梁的相對(duì)位移。比如大柳樹(shù)互通立交橋，30 m跨度裝配式混凝土小箱梁橋等主要橋梁需通過(guò)減隔震處理來(lái)達(dá)到抗震標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)配備卡榫減震裝置，可將墩梁的相對(duì)位移控制在正常標(biāo)準(zhǔn)。

4 大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)加固施工

4.1 上部結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

除了在大跨度橋梁上要采取一系列抗震設(shè)計(jì)與施工方式，還需要在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行加固施工。如對(duì)橋梁上部進(jìn)行加固處理，能預(yù)防橫向裂縫，增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體性。為實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的加固處理，主要選擇鋼板加固、截面加固等方式，這些加固方式的核心就是保障錨固效果，使上部結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗彎能力，應(yīng)對(duì)主梁變形等威脅。橋梁上部結(jié)構(gòu)中往往包含了各種類(lèi)型的鋼筋，這些鋼筋的性能、分布位置等各有不同，加固施工中應(yīng)考慮超筋帶來(lái)的危害，盡可能減小上部結(jié)構(gòu)的自重。以某大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為例，為符合抗震要求，使橋梁結(jié)構(gòu)性能符合通行需求，需通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換使上部結(jié)構(gòu)能承受更多的負(fù)彎矩，主要應(yīng)打造多跨度、連續(xù)性梁體構(gòu)造。

4.2 下部結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

橋梁下部結(jié)構(gòu)要承受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的較大荷載，如上部結(jié)構(gòu)自重、車(chē)輛荷載等，還需要承受地質(zhì)地形的影響。一旦在結(jié)構(gòu)施工中下部結(jié)構(gòu)的加固不到位，將導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)的承載力不足，地震時(shí)下部結(jié)構(gòu)易變形或者沉降，無(wú)法承載上部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致橋梁坍塌。因此，抗震施工中相關(guān)人員需對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。為達(dá)到預(yù)期的加固目標(biāo)，可選擇帽梁加固、延長(zhǎng)支座、填充縫隙等方式，以改善下部結(jié)構(gòu)構(gòu)成及性能。

某大跨度橋梁下方結(jié)構(gòu)的夾縫部位，需利用鋼筋、混凝土等作為主材料，完成填充、封閉處理，使橋梁下部的受力更為均勻，使橋梁基礎(chǔ)有更強(qiáng)的承載力。與普通橋梁相比，大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)的載荷壓力大，必要情況下可適當(dāng)增大下部結(jié)構(gòu)的接觸面積或者重力。

4.3 連接件的加固技術(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)為若干結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)一定連接構(gòu)成，不同構(gòu)件的連接方面需利用連接件。根據(jù)橋梁的整體性能，連接件的類(lèi)型、應(yīng)用方法等對(duì)橋梁抗震性有一定影響。為此，為實(shí)現(xiàn)橋梁加固、抗震，相關(guān)人員也需從實(shí)際出發(fā)采用連接件加固技術(shù)。在大跨度橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)等均利用了連接件，如連接件使用不當(dāng)，橋梁局部位置可能發(fā)生位移、變形，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

為達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)，相關(guān)人員需熟悉橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，計(jì)算橋梁的受力特點(diǎn)，從保障受力均衡性出發(fā)，在連接件上采取恰當(dāng)?shù)募庸烫幚矸绞剑绻x擇連接件時(shí)，有關(guān)人員需分析待連接構(gòu)件的特征，選用材質(zhì)、性能等符合要求的連接件，并選擇恰當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)。橋梁工程投入使用后，有關(guān)人員需密切關(guān)注連接部位，檢查連接件是否損壞，如連接件失效，則需要更換新的連接件，保障所選用連接件的性能符合構(gòu)件連接規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系龐大，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工有嚴(yán)格規(guī)定，尤其是在抗震方面，相關(guān)人員需結(jié)合大跨度橋梁的各方面情況，科學(xué)選擇抗震施工技術(shù)。橋梁工程中需繼續(xù)創(chuàng)新大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)、施工技術(shù)，保持技術(shù)多樣性和先進(jìn)性。

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