公路桥梁抗震设计及加固技术研究
2015-09-14
前言
近些年来，在我国乃至世界地震灾害频频发生，公路桥梁等交通工程在地震中遭到严重的破坏，为了在灾害中减轻公路桥梁的损害程度，我们都觉得有必要增强桥梁的抗震能力，加强桥梁工程抗震的研究。在桥梁的设计与施工当中对桥梁的抗震能力有着特殊的要求，要做到预防为主兼顾治理，对现有的桥梁做好全面的调查，建立档案，做好抗震设计工作，开展桥梁的抗震设计理论研究和试验，做好抗震强度和稳定的设计工作，满足抗震要求。
一、桥梁的震害原因分析
现结合国内外以往的地震，大部分桥梁都会受到不同程度的破坏，分析其震害原因，主要有以下几点：
1.桥台震害其主要表现为桥台与路基一起滑动并移向河心，以致桥头、重力式桥台的胸腔及桩柱式桥台的桩柱不同程度沉降、开裂、倾斜和折断等。另外，桥头的沉降会导致翼墙损坏并开裂，而重力式桥台胸腔开裂会引起整个台体被移动并下沉。
2.桥墩震害在地震力作用下桥墩会不同程度的倾斜、沉降、滑移、开裂、剪断和钢筋裸露扭曲。
3.支座震害根据以往工作经验，会发现某些桥梁的支座设计并未充分考虑抗震的需求，如某些支座形式和材料上存在缺陷、在构造上连接与支挡等构造措施不足等，以致支座在地震力作用下会发生较大的变形和位移。
4.地基与基础震害在地震力作用下地基中的砂土会被液化，以致地基失效，基础沉降或不均匀沉降，从而导致地面较大变形，地层发生水平滑移、下层、断裂等。地基与基础震害会使桥梁发生坍塌，给震后修复工作带来困难。
5.梁的震害梁的震害主要是有桥台震害、桥墩震害、支座震害等引起的，其主要表现为主梁坠落，这也是最严重的震害现象。
二、关于桥梁的抗震设计
1.体系的整体性和规则性
桥梁的整体结构要协调，上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性结构可有效防止构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。不管是在平面还是在立体上，结构的设计都要力求使桥梁在质量、刚度、几何尺寸等方面协调匀称，避免突然变化。
2．提高结构和构件的强度和延性
桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，并使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动可造成结构和构件周期反复变形，使其刚度与强度逐渐退化，因此，只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。
3.强度安全度差异适中
能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件与不同破坏模式之间建立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国以前的建筑工程抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想。
4.设置多道防线
尽量使桥梁设计成具有多道抵抗地震侧向力的体系，在高强度的地震中，一道防线遭到破坏后，则有另一道防线可以支撑着桥梁，不至于使桥梁出现倒塌的现象。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。
5.多阶段设计方法
随着对地震产生机理、地震动特性以及地震作用下各类结构动力特性、破坏机理、构件能力研究认识的加深以及对结构在不同发生概率地震作用下预期性能目标的不同，促使结构设计在设计原则、设防水准等各个方面进行不断改进。由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐改进为双水准或三水准两阶段设计、三阶段设计，以及多水准设防、多性能目标准则的基于结构性能的设计等。
三、桥梁抗震加固技术
地震波传到地基，使桥梁因受地震的影响而引起垂直和水平运动，导致桥梁桥体也会因此产生垂直和水平运动。桥体结构同时增加地震的荷载惯性力，加大他的变形和受力。竖直的惯性力只对不对称的、双悬臂结构的桥产生较大的地震力。
1．1伸缩缝加固
设置拉杆是针对桥梁结构出现位移时的一种有效方式。其在限制结构位移的同时，也可在相邻框架间传递纵向地震力。他们之间的相互作用是复杂的，并不能用简单的弹性分析方法就能获得结果，基于伸缩缝相对复杂的模型进行的非弹性动力分析，表明他们的最大纵向位移可以通过一定的公式计算出来。另外，可使用的方式还有拓宽支撑面，螺旋连接等方式进行加固。
1.2落梁抗震加固
落梁抗震加固可以从两方面入手，一方面是纵向落梁的抗震加固，一方面是横向落梁的抗震加固。横向落梁加固方面通常采用钢丝绳横向连接加固，另外可用横向挡板方式进行加固。
1.3结构抗弯能力加固
加固效果问题，与桥梁上部结构加固方法相类似，同时应确定上部结构强度在发挥出来时所需要的变位程度是否会落在桥台上，即地震是否被限制在纵向反应范围之内；上部结构是否有足够的延性承受等。此种方式主要从以下两个方面入手：提高强度问题：减少作用力。
2.1拱桥上部结构抗震加固技术与方法一般来讲，大跨径拱桥比小跨径拱桥更容易遭受地震破坏；高墩台比低墩台更容易遭受地震破坏；多孔连续拱桥比单孔桥更容易遭受地震破坏；双曲拱桥比板式拱桥更容易遭受地震破坏，这些都要引起足够的重视。拱桥的加固，主要以整体加固为主，并对薄弱部分进行强化处理。
1）石拱桥的加固中，在拱圈跨中，1/4跨处增设三道钢板、钢筋混凝土、预应力混凝土锚箍拱圈，对于拱上建筑的处理与梁式桥的处理方式相同。
2）双曲拱桥的加固。在拱波个拱肋之间的裂缝，可以用环氧混凝土、混凝土进行压浆处理；拱板上增设钢筋网并用混凝土填筑，厚度应达10cm；钢筋网的搭接应保证了拱圈的整体性；拱肋之间采用加强筋或梁进行连接；对桥墩、桥台的放拱脚处采用加强钢筋再浇筑混凝土进行增强处理，此时要注意负弯矩作用的影响。
2.2桥梁下部结构抗震加固技术与方法
在桥梁抗震加固设计中，基础加固可能是最昂贵的，所以，根据原来结构的受损状况，考虑到在受力状态下地震对整体结构的影响，确定出加固方法。除了地基土液化及斜坡上土体体滑移所引起损害外，其他应进行基础专项性考虑。
1）加固盖梁一柱节点区。其主要方法有减少盖梁中的地震力作用；提高盖梁的抗弯强度；提高盖梁的抗剪强度；提高盖梁的抗扭强度；修复的可行性处理；连接节点预加力应力；用外套层加固结构连接点；更换节点；
2）提高基础稳定性。在地震中，基础摇摆可以认为是隔震的一种措施，说明这种隔震方式有效的削减了桥墩和上部结构的地震影响。主要使用的加固方法有：锚杆法；增大基脚平面尺寸法；增设阻尼装置法；连续梁法；
3）提高基础抗剪能力。
四、结束语
总之，桥梁的抗震设计及抗震加固技术是一项很复杂的工程，我们应该充分吸收国外已有的研究成果，针对我国桥梁的实际情况，开展必要的试验研究和理论分析工作。以更好的实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分级设防标准，确保公路工程各结构具有足够的抗震安全度，使公路交通成为安全、可靠的“生命线工程”。
