桥梁震害分析及加固维修措施
2015-07-13
1 引言
近年来地震灾害频发，不断危害人民的生命财产安全。地震中由于山体滑坡、桥梁倒塌和公路损毁，使得震中区交通完全中断，救援人员及物资受阻，给地震应急救援工作带来了极大困难。地震中保障交通运输生命线工程的安全十分重要。
2008年的汶川大地震（M8.0），2009年的青海玉树大地震（M7.1）都造成了大量桥梁的严重破坏。本文通过对上述桥梁震害的研究分析，揭示其在设计和施工方面的缺陷，结合现有的抗震设计理论及方法，提出了相关改进的措施和加固维修方法。
2 桥梁震害的特征及其分析
桥梁工程结构物的破坏与其所处的环境、地基和基础密切相关。汶川地区地形复杂，属于典型的高山峡谷地形，地形大落差大，地震作用突出；玉树地区位于青藏高原冻土地区，地基受温度作用影响大，同等级烈度的地震对该地区的桥梁建筑物作用更明显。
汶川地区和玉树地区的桥梁结构形式包括：简支梁桥、连续梁桥、曲线梁桥和连续刚构桥、斜拉桥和拱桥
等。通过统计发现[1-3]，梁式桥整体抗震性能较拱桥和斜拉桥差，在地震作
用下，主要发生以下破坏形式：1、上部结构梁板偏移、落梁（图1）。这主要是由于主梁和桥墩之间的连接比较薄弱造成。早期的桥梁板自重大，地震作用下剪力也大，并且很多只是简单的搭接在桥墩上，没有固定锚固，地震中容易偏位；后期的桥梁在主梁和桥墩之间一般设置板式橡胶支座，地震中稳定性能较差，导致主梁易发生横、纵向位移，乃至发生落梁。2、连续梁桥的震害主要集中在支座与下部结构中。连续梁桥的墩柱主要震害有弯曲型、剪切型及弯剪混合型破坏。比如，高桥墩连续梁桥易发生弯曲型破坏，固定墩底出现塑性铰（图2），保护层混凝土的开裂、剥落，随后受拉钢筋屈服。若塑性铰区约束箍筋配置或者纵向钢筋搭接、焊接技术有缺陷，极易产生由于墩柱的延性能力不足导致的墩柱的倒塌。尽管现阶段桥梁抗震规范多采用依靠连续梁桥固定墩损伤耗能的延性设计的抗震设计思想，但从震后桥梁破坏的形态来看，随着桥梁抗震技术的发展，靠固定墩延性抗震设计的连续梁桥体系也不再是最理想的桥梁抗震体系。3 连续刚构桥虽然整体性较好，但在震害中桥墩容易受损裂开，对桥梁的耐久性影响很大，且产生的裂缝需要维修。连续刚构桥总体的震害明显轻于相近的简支梁桥和连续梁桥。4 拱桥震害在这些地区不太常见，除了斜腿刚构桥和刚架拱桥，一般石拱桥、钢管混凝土拱桥、卵石实腹式拱桥等显示除了良好的抗震性能。
3 桥梁抗震设计理念及加固措施
针对不同形式的桥梁，有关学者提出了不同的抗震设计理念。
关于梁式桥防落梁的设计理念，主要有以下几种。台湾学者张国镇在集地震桥梁震害经验基础上，提出了“功能性支承”的设计概念。王东升等[4]也提出了相似的理念，比如允许主梁在橡胶支座顶部滑移，底部与桥墩锚栓连接采用“浮放”模式，以提供相对稳定的滑动面；加大盖梁的支承宽度，以消耗地震能量，同时防止落梁；通过一些辅助设备，比如盖梁边缘设置挡块或墩梁间设置拉索限位器等防止落梁。
地震区的桥梁应根据桥址地震烈度和场地地质条件合理的选择抗震体系。若桥址处于高烈度地震区，应优先选择采用减、隔震措施的连续梁桥。即使采用了减、隔震装置的简支梁，由于整体性不强，发生落梁及梁端碰撞等震害的机率仍较高。由于现有的减、隔震技术的局限性，将其应用在拱桥、连续刚构桥的技术尚不成熟，并且关于连续刚构桥的抗震性能还没有明确的研究结果。若桥址处于良好的地址条件，应优先选择连续刚构桥和拱桥桥型。
对于产生震害的桥梁，首先应对桥梁受损程度进行评估鉴定。若破坏情况不是特别严重，基于经济性的考虑，应对其进行加固修护。常见的修护加固技术包括桥梁裂缝的修复和桥梁结构的加固。
对于桥梁裂缝的修复，主要采用以下方式：（1）)表面喷涂：在处理后的裂缝表面喷射一层粘度极高且密度极大的水泥砂浆保护层，进行裂缝的修补。（2）粘贴钢板法：对于已经产生主裂缝的钢筋混凝土构件，先对裂缝进行处理，在此基础上再在裂缝处粘结钢板并对钢板进行有效加压。（3）粘贴碳纤维布加固法：碳纤维布自重轻，施工方便，且不增加结构荷载。其加固施工的原理类似粘钢加固法，施工程序为：表面处理-涂刷底胶-修补找平-胶料配制-粘贴碳纤维布-修护检验。
若震后桥梁桥墩出现轻微破坏，比如墩柱顶部开裂或者墩底出现损坏，可以考虑在墩顶采用粘贴碳纤维布进行结构的加固补强；墩底部位采用外包混凝土的方法进行结构的加固补强或者加大墩底截面面积进行加固补强。
4实例介绍
下面以玉树地震中禅古寺一号桥的震害及加固措施为例，说明震害桥梁的实际加固处理办法。该桥主要出现了以下破坏形式：1、抗震挡块出现断裂；2、墩顶、墩底出现环向裂缝；3、支座出现移位、脱空、开裂现象。对其的维修及加固措施如下：对于工况1，首先对梁板顶升进行纠偏，恢复至原位； 然后对抗震锚栓进行复位；用C40细石混凝土修复破损挡块 ，内侧增设橡胶垫块。对于工况2，墩柱顶部裂缝采用粘结碳纤维板的加固处理办法；墩柱底部，封闭处理后外包20cm的C40细石混凝土（参入了适量纤维和膨胀剂）进行修复。对于工况3，在梁板顶升纠偏复位之后，落梁之前，更换全桥支座；利用环氧砂浆修复开裂、破损的支座垫石。
5结束语
本文对汶川地震和玉树地震中的桥梁震害进行了分析，讨论了不同形式桥梁的震害特征，并提出了相关的抗震设计理念和加固维修措施，希望对实际工程有一定的帮助作用。
