橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)探討

1、橋梁抗震設(shè)計(jì)及加固技術(shù)探討    摘要：震區(qū)橋梁的破壞不僅直接阻礙了抗震搶險(xiǎn)，使得次生災(zāi)害加重，也給災(zāi)后恢復(fù)重建帶來(lái)了巨大的困難。因此，調(diào)查與了解橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因是建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法，采取有效抗震措施的依據(jù)。本文結(jié)合工作實(shí)踐，分析了橋梁抗震設(shè)計(jì)方法和橋梁加固方法。    關(guān)鍵詞：橋梁 ； 抗震設(shè)計(jì) ； 加固技術(shù) 我國(guó)處于環(huán)太平洋帶和亞歐帶這兩大地震之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，地震頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，震災(zāi)較為嚴(yán)重，尤其是近幾年不斷發(fā)生各種等級(jí)的地震。在

2、地震發(fā)生時(shí)，不僅會(huì)有大量的地面建筑物及各種設(shè)施遭到破壞或倒塌，大量人員傷亡，而且還會(huì)嚴(yán)重造成交通中斷。公路交通往往是作為抗震救災(zāi)的重要生命線，若其處于交通咽喉部位的橋梁受到較大損壞，將會(huì)給后續(xù)救助工作造成極大的困難。本文簡(jiǎn)要闡述橋梁抗震的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)一步對(duì)震后的加固措施進(jìn)行了分析與探討。一、橋梁抗震設(shè)計(jì)方法長(zhǎng)期以來(lái)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度和剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是常說(shuō)的“硬抗”。這種設(shè)計(jì)方法容許很大的地震能量通過(guò)地面直接傳給結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)設(shè)計(jì)成具有抵抗這種地震作用的能力。盡管這種設(shè)計(jì)方法可以保證地震作用下結(jié)構(gòu)的整體性并能防止結(jié)構(gòu)的倒塌，但結(jié)構(gòu)損傷卻不可避免。鑒于傳

3、統(tǒng)的“硬抗”設(shè)計(jì)方法的局限性，近幾十年來(lái)，一些研究人員提出一些新的抗震技術(shù)，主要包括減隔震技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)、被動(dòng)控制技術(shù)及混合控制技術(shù)等。當(dāng)前,比較容易實(shí)現(xiàn)和有效的抗震方式主要有以下幾種：1.延性減震設(shè)計(jì)目前大多數(shù)多地震國(guó)家的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過(guò)渡。延性抗震設(shè)計(jì)主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來(lái)抵抗地震作用。設(shè)計(jì)時(shí)是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件延性來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部分進(jìn)行專門的延性設(shè)計(jì)。延性抗震設(shè)計(jì)的基本思想：結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以發(fā)生塑性變形，可以發(fā)生一定的損壞，但是必須保證結(jié)構(gòu)不倒塌。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使結(jié)構(gòu)具有一定的滯回特性，這種特性足以抵抗大地震產(chǎn)生的彈塑性

4、變形，設(shè)計(jì)預(yù)期的大地震發(fā)生時(shí)，滯回延性要低于地震激起的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)。2.采用減隔震裝置減隔震技術(shù)是指通過(guò)采用減隔震裝置來(lái)延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，減少橋墩頂部的地震位移反應(yīng)，同時(shí)減小了上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，保證了橋梁的安全。減隔震技術(shù)理念就是采用減隔震裝置把結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件與地震運(yùn)動(dòng)盡可能的分離開(kāi)來(lái)，大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震作用和地震能量。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，橋梁減隔震系統(tǒng)性能較為完善，它主要有隔震裝置、阻尼限位裝置、風(fēng)反應(yīng)控制裝置等部分組成。其中最主要的是隔震裝置，一方面支承橋梁上部結(jié)構(gòu)的全部重量，另一方面它應(yīng)具有彈性，能延長(zhǎng)橋梁的自震周期，使結(jié)構(gòu)的基頻處于高能量地震頻率范圍以外，從而

5、有效降低橋梁的地震反應(yīng)，同時(shí)還能均勻分布地震力到每一跨橋墩上，避免地震力集中。應(yīng)用較為廣泛的隔震裝置有聚四氟乙烯支座、疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等。大量的試驗(yàn)和理論分析都表明其聯(lián)結(jié)方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有很大的影響,在梁體與墩、臺(tái)的聯(lián)結(jié)處安裝隔震支座能有效地減小墩、臺(tái)所受的水平地震力。3.采用減震的新結(jié)構(gòu)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土上包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)。它與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有一系列優(yōu)點(diǎn),其承載力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力一倍以上,并具有較好的抗剪能力,延性比明顯高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),滯回曲線較為飽滿,耗能能力有顯著的提高,從而呈現(xiàn)出良好的抗震性能，能夠隔離、吸收和耗散地震能量,減小

6、橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),使橋梁的變形限制在彈性范圍,避免由于產(chǎn)生塑性變形而造成累積損傷破壞和永久殘余變形,這大大提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全度，同時(shí)可以節(jié)約材料,降低造價(jià)。在上述幾種抗震方式中，延性抗震設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)是目前橋梁抗震設(shè)計(jì)中兩種常用的設(shè)計(jì)思想。兩種設(shè)計(jì)思想機(jī)理不同、適用范圍不同，抗震設(shè)計(jì)采用的方法和措施也不同。但兩種抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)避免相互獨(dú)立，而應(yīng)該做到相互協(xié)調(diào)，達(dá)到優(yōu)化的效果。二、橋梁加固常用方法要做好橋梁的抗震設(shè)計(jì)，就要不斷加深對(duì)地震機(jī)理的認(rèn)識(shí),提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的各項(xiàng)功能,以及橋梁抗震構(gòu)造措施進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。目前我國(guó)對(duì)于橋梁抗震加固技術(shù)相對(duì)比較成熟,在實(shí)踐過(guò)程當(dāng)中應(yīng)結(jié)合公路橋梁的

7、特點(diǎn),有效提高我國(guó)公路橋梁的抗震性能和抵御地震災(zāi)害的能力。橋梁加固常用的方法有以下幾種：1.橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法在梁頂上加鋪一層鋼筋混凝土層，一般先鑿除舊橋面，使其與原有主梁形成整體，達(dá)到增大主梁有效高度和抗壓截面強(qiáng)度，改善橋梁荷載橫向分布能力，從而達(dá)到提高橋梁的承載能力的目的。2.外包混凝土加固法外包混凝土加固法又稱增大截面加固法，它是通過(guò)增大構(gòu)件的截面和配筋，以提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性并減少裂縫寬度。對(duì)于梁橋、拱橋、剛架橋、墩臺(tái)、基礎(chǔ)等，在條件許可的情況下均可采用該方法加固。外包混凝土將使原結(jié)構(gòu)增加一部分恒載重量，因而在擬定外包混凝土尺寸時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮外包構(gòu)件以下的結(jié)構(gòu)承載能力是否足夠，這

8、是外包混凝土方案是否成立的前提。3.鋼板粘貼加固法由于交通量的增加，主梁承載力不足，或縱向主筋出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕，或梁板橋的主梁出現(xiàn)嚴(yán)重橫向裂縫，此時(shí)，可用粘結(jié)劑及錨栓將鋼板粘貼錨固在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使其與結(jié)構(gòu)形成整體，以鋼板代替增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，提高橋梁的承載能力與耐久性。4.噴錨混凝土加固法首先是用植筋法將錨筋植入待補(bǔ)強(qiáng)部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)，掛設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋網(wǎng)，然后再噴射一定厚度的混凝土，形成與原結(jié)構(gòu)共同受力的組合結(jié)構(gòu)。噴錨混凝土是借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣將新混凝土混合料，通過(guò)噴嘴高速噴射到已錨固好鋼筋的受噴面上，凝結(jié)硬化后形成一種鋼筋混凝土。5.改變結(jié)構(gòu)受力體系的加固法這種加固、改造方法是

9、通過(guò)改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系，達(dá)到提高橋梁的承載能力的目的。它的基本原理是以減少控制截面的內(nèi)力為目的進(jìn)行加固。對(duì)于拱橋加固，可通過(guò)體系轉(zhuǎn)換法將單純拱的受力狀態(tài)改變?yōu)楣傲航M合體系受力狀態(tài)，即將拱上建筑變?yōu)榱菏浇Y(jié)構(gòu)，拱梁組合體系受力狀態(tài)較單純拱更為均     勻。另外，對(duì)于拱式拱上建筑的舊橋，改拱式為梁式拱上建筑，所帶來(lái)的恒載重量減少量是非常顯著的。6.體外預(yù)應(yīng)力加固法體外預(yù)應(yīng)力加固法主要用于梁式橋(包括簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、連續(xù)體系梁橋等)正常使用極限狀態(tài)超限的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)舊橋施加體外預(yù)應(yīng)力，能夠達(dá)到減少或消除裂縫，減小梁體下?lián)?，改善結(jié)構(gòu)各截面應(yīng)力狀態(tài)的目的。其基本

10、原理是通過(guò)在梁體外設(shè)鋼質(zhì)的拉桿或撐桿，并與被加固梁體錨固連接，然后施加預(yù)應(yīng)力，強(qiáng)迫后加拉桿受力，從而改變?cè)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，并降低原結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，使結(jié)構(gòu)承載力顯著提高，且可減少結(jié)構(gòu)變形，縮小裂縫寬度甚至閉合。7.更換減隔震支座除常規(guī)加固方法之外，對(duì)于原有支撐系統(tǒng)進(jìn)行更換，引入隔震支座改變結(jié)構(gòu)在地震中的動(dòng)力響應(yīng)特性，從而減少地震輸入，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震為輔。其基本目的是要大大減小傳遞到結(jié)構(gòu)上的地震力和能量，橋梁的抗震能力通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自震周期，增加耗能能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。8.減輕拱上自重加固法減輕拱上自重也是一種調(diào)整拱上恒載分布的手段，盡管它們的目的都是為了恢復(fù)和提高原橋的承載能力，但它們的出發(fā)點(diǎn)和適用場(chǎng)合卻是不

11、相同的。調(diào)整拱上恒載分布是針對(duì)主拱圈變形過(guò)大，通過(guò)調(diào)整拱上恒載的辦法來(lái)調(diào)整拱軸線與壓力線；采用減輕拱上建筑的自重，則主要是針對(duì)某些雙曲拱橋的基礎(chǔ)承載能力較低，通過(guò)這一措施降低對(duì)基礎(chǔ)承載力的要求。9.拱橋的拱圈和拱肋常用的幾種加固方法為了提高拱橋的承載能力，往往采用增加拱圈厚度和剛度，加大拱肋截面、增設(shè)新拱肋等方法，下面介紹不同情況下的不同加固方法。(1)磚石拱橋的拱圈內(nèi)壁出現(xiàn)表層剝落、松散、老化等情況且不適應(yīng)目前交通時(shí)，可采用在肋圈內(nèi)壁掛鋼絲網(wǎng)，并噴射水泥砂漿的加固法。(2)鋼筋混凝土拱圈內(nèi)壁澆筑加固法。拱橋拱圈內(nèi)壁損壞嚴(yán)重時(shí)可采用此法，具體做法與上述方法相似。(3)原拱上增設(shè)鋼筋混凝土拱圈加

12、固法。此法是拱橋中較常用的加固法之一，它不僅加固了拱圈，且將原有開(kāi)裂拱聯(lián)結(jié)在一起，也利于橋面排水。(4)拱橋鋼板箍與螺栓錨固法。石拱橋可在拱圈的跨中和1/4 處加設(shè)三道(或多道，視情況而定)鋼板箍(鋼板厚可用6 8mm)或鋼拉桿，用螺栓在拱底及拱側(cè)鉆孔錨固，并注意將錨固點(diǎn)設(shè)在拱圈厚度的1/3 處，此法可提高拱橋的整體強(qiáng)度，達(dá)到較好的加固效果。以上介紹的常用加固方法為傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，均受到一定條件的限制，存在以下缺點(diǎn)：對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀及使用空間均有一定的影響；施工時(shí)的濕作業(yè)和大型設(shè)備對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)有一定影響；在有的方法中新舊兩部分的連接對(duì)原結(jié)構(gòu)有一定的損傷；加固材料易腐蝕或脫落；增加結(jié)構(gòu)物的荷重等。各種加固方式均有其適用性，對(duì)于結(jié)構(gòu)不同的震害進(jìn)行具體分析研究，確定合理的加固方式，以得到最優(yōu)的加