公路桥梁震害分析及抗震加固方法的探讨
2015-12-03
近几年不断发生各种等级的地震。在地震发生时，不仅会有大量的地面建筑物及各种设施遭到破坏或倒塌，大量人员伤亡，而且还会严重造成交通中断。若作为抗震救灾生命线工程之一的公路交通（尤其是铁路桥梁、城市高架、公路桥梁等公路工程的咽喉要道）受到较大损坏，将会给后续救助工作造成极大的困难。此外，目前我国公路行业现采用的抗震设防标准是《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)较《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)在设计思想、安全设防标准、设计方法、设计程序和构造细节等诸多方面均有很大的变化和深入。
一、桥梁抗震设计与震后检测加固的必要性
对桥梁结构进行震后检测及加固技术的研究, 其必要性来自两个方面:首先是地震中的部分桥梁遭受严重破坏,需要进行修复或加固;其次是随着新规范的颁布执行!设计方法的发展和更新,许多按以前方法设计的或根本就没有进行抗震设计的桥梁的抗震性能需要重新进行评估。相当数量的桥梁,尤其是早期修建的桥梁,由于资金短缺,设计!施工标准低,加上技术管理薄弱,施工质量不能保证这些桥梁的使用寿命,有些很快就变成危桥;由于桥梁管护不善!大自然风霜雨雪的侵蚀以及环境污染的日益加重,造成桥梁自身老化破损,衰老加快,寿命缩短。对这些桥梁,通过评估及有效的加固,力求能够提高单个构件以及整个桥梁体系的抗震性能, 以满足现存规范及交通提出的抗震设防要求。
二、抗震震害抗震加固实施时, 必须了解桥梁的构造特性与地震震害之间的关系。根据公路桥至今的震害实例分析结果,针对发生震害的主要原因提出相应的措施,从而保证结构在地震中的抗震能力。
1、上部结构震害:上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形较为少见,往往是由于桥梁结构其他部位的毁坏而导致上部结构的损坏如地震时相邻梁体相互碰撞而引起的破损, 因支座的螺栓起拔或剪断引起撞击而使变形过大等损伤。
2、支座震害:地震中,桥梁支座的震害极为普遍。其原因主要是支座设计没有充分考虑抗震的要求,构造上连接与支挡等构造措施不足, 某些支座形式和材料的缺陷等因素。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏等。
3、落梁震害:桥梁落梁有的是墩倒梁落,也有的是梁落而毁墩。其主要原因有:桥台倾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、桥墩破坏、支座破坏、梁体碰撞、相邻墩发生过大相对位移等。
4、下部结构和地基震害: 下部结构和基础的严重破坏是导致桥梁震后难以修复的主要原因。桥梁墩台因砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或开裂引起破坏很难加强它们的抗震能力。
三、桥梁设计与抗震措施
1、防止落梁的措施
《公路桥梁抗震设计细则》指出上部结构主梁的支承长度a≥70+0.5L(L 为梁的计算跨径，L 单位为m，a 单位为cm)，该取值沿用自日本抗震设计规范，多数设计者认为规范取值较为保守，比上一代规范《公路工程抗震设计规范(JTJ004-89))有较大提高(a≥50+L)这里需指出该种认识属于误区，当“长桥高墩”时应在规范基础上给予更多的安全富余。
根据震后的调查表明横桥向抗震挡块的破坏非常普遍，说明当前挡块设计存在薄弱的问题，主要表现为构造尺寸偏小，主筋配筋偏少，挡块内侧缺少减震橡胶块，特别是在斜弯桥设计中应比直线桥具备更多的考虑。挡块内侧不仅应设置橡胶块，还应考虑留有不小于5cm 的缝隙，多数桥梁设计将桥墩挡块设置为与盖梁边缘齐平的方法是欠考虑的，往往造成施工误差调整困难以及上述 5cm 缝隙难以保证，故建议桥墩盖梁端部悬出挡块外1Ocm为宜。
2、支座型式和布置方式
支座选型长期以来被忽视，常规梁桥多采用普通橡胶支座，汶川地震后的调查表明普通橡胶支座破坏后加剧了桥梁损伤，建议根据桥梁设防要求，选用适用的支座类型。基本地震动峰加速度峰值0.1g地区和以上地区应选择减震型橡胶支座。支座的布置是否合理至关重要，汶川百花大桥第5 联 (5×20m)采用一个固定支座，其余墩为活动支座，导致全联上部结构水平地震力几乎完全由固定支座下的桥墩承担，该桥墩迅速破坏后，造成全联坍塌。对于连续梁桥在设置固定支座后，应充分考虑固定支座设置对抗震的不利影响，慎用墩梁固结方案，应注重考虑各墩水平受力的平均分担。
3、柱式桥墩的合理设计
柱式墩是桥梁设计中最为常见的结构形式，抗震设计中应首先尽量避免选用抗震性能差的圆形独柱结构，同时优先选择矩形截面形式。其次应重视桥墩中间的横梁设置，横梁刚度不宜过大，避免导致“强梁弱柱效应”的出现，造成结构的第一塑性铰出现在墩柱之上，而不是横梁上，致使结构失效。
结构刚度的均衡是总的设计原则，一般指纵桥向相邻高度不宜相差过大，同时注意当地面横坡较陡时，横桥向也会出现墩柱高度差异，条件容许时可以考虑进行开挖，以保证横桥向墩柱刚度的均衡。
四、桥梁的抗震加固技术
对于处于地震多发区的已经修建的桥梁，应根据更为先进的设计思想对其进行抗震性能评价，并结合评价结果考虑是否应给予相应的抗震加固措施。
1、维护结构连接件
当支承连接件不能承受桥梁上、下部结构产生的相对位移时可能会失去相应的作用，并导致梁体坠毁。而这种情况往往都是由施工单位和养护单位在桥梁支承连接件的性能质量的重视度不够所引起的。因此，我们应定期对桥梁支座、伸缩缝等连接构件进行维护。在国内目前采用较多的维护方法有采用挡块、连梁装置等安装于伸缩缝等上部接缝处；安装限位装置于简支的相邻梁间；为耗散作用于结构的地震能量增加耗能装置及减隔震支座；增加支承面的宽度等措施。此外，在桥梁使用期间定期检查并维护支座时应随时清除伸缩缝内的杂物。
2、加固上部结构
加固上部结构主要有粘贴钢板加固法、增大截面加固法和结构体系转换法。粘贴钢板加固法主要在梁板桥的主梁底部出现严重横向裂缝时使用。在粘贴钢板、钢筋或纤维时应特别注意粘贴位置，即粘贴位置应尽量远离中性轴加固区。同时还应注意黏结剂的性能以保证锚固的可靠性；增加截面加固法主要是增设钢筋在桥梁下部以提高主梁的抗弯能力。同时，如果增设的钢筋较多可考虑将主梁下部的截面面积增大以避免超筋构件的出现。另外，应设置锚固筋、传力销、剪力键等可靠的连接物在新老结构材料之间以避免增加的重量破坏原截面；结构体系转换法主要指将可承受负弯矩的钢筋设置在简支梁的梁端，使相邻两主梁连起来就可形成多跨连续梁，进而达到提高桥梁承载力的目的。
3、加固下部结构
下部结构的加固主要有柱罩、填充墙、连梁、加固支座、加固帽梁、桥台和加固基础等措施。填充墙具有提高柱的横向能力和限制柱的横向位移等特点，可用于多柱桥梁；连梁可提高混凝土排架的横向能力。连梁可置于排架底部标高处替代墩帽，也可置于地面标高和排架底部标高之间的某个位置以调整特定排架的横向刚度；一直以来支座都是地震中受损最容易的部位，而为加固支座现在一般都采用隔震支座加固桥梁的方式，此外还有用铅芯橡胶支座或者缆索与弹性支座配套使用代替弹性支座的方法；帽梁加固方法最常见的是给现有帽梁增设垫板；桥台加固主要有两种方法，一是支座延长装置，二是用木材、混凝土或钢筋填塞夹缝，后者采用较多；通常基础加固的方法是增设覆盖层、均匀增加基础、增加接触面积或将基础锚固于土中等。
4 结论
桥梁的抗震减灾涉及桥梁工程、地震、防灾减灾等多方面的研究,尽管我国桥梁抗震与加固的水平已有较大的提高,但仍远远落后于国外。我国的桥梁抗震缺乏持之以恒的基础性研究,对于公路桥梁抗震能力的评估和加固至今仍没有相应的标准。哪些桥梁可能会在地震中损坏甚至倒塌仍然没有清晰的概念。我国要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。结合小震不坏、中震可修、大震不倒的分级设防标准,尽快提高我国桥梁抗震加固的技术水平, 确保公路工程各结构具有足够的抗震安全度。
