公路橋梁震害分析及抗震加固方法的探討
2015-12-03
近幾年不斷發(fā)生各種等級(jí)的地震。在地震發(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。若作為抗震救災(zāi)生命線工程之一的公路交通（尤其是鐵路橋梁、城市高架、公路橋梁等公路工程的咽喉要道）受到較大損壞，將會(huì)給后續(xù)救助工作造成極大的困難。此外，目前我國(guó)公路行業(yè)現(xiàn)采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)較《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004-89)在設(shè)計(jì)思想、安全設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序和構(gòu)造細(xì)節(jié)等諸多方面均有很大的變化和深入。
一、橋梁抗震設(shè)計(jì)與震后檢測(cè)加固的必要性
對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行震后檢測(cè)及加固技術(shù)的研究, 其必要性來(lái)自兩個(gè)方面:首先是地震中的部分橋梁遭受嚴(yán)重破壞,需要進(jìn)行修復(fù)或加固;其次是隨著新規(guī)范的頒布執(zhí)行!設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和更新,許多按以前方法設(shè)計(jì)的或根本就沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的橋梁的抗震性能需要重新進(jìn)行評(píng)估。相當(dāng)數(shù)量的橋梁,尤其是早期修建的橋梁,由于資金短缺,設(shè)計(jì)!施工標(biāo)準(zhǔn)低,加上技術(shù)管理薄弱,施工質(zhì)量不能保證這些橋梁的使用壽命,有些很快就變成危橋;由于橋梁管護(hù)不善!大自然風(fēng)霜雨雪的侵蝕以及環(huán)境污染的日益加重,造成橋梁自身老化破損,衰老加快,壽命縮短。對(duì)這些橋梁,通過(guò)評(píng)估及有效的加固,力求能夠提高單個(gè)構(gòu)件以及整個(gè)橋梁體系的抗震性能, 以滿足現(xiàn)存規(guī)范及交通提出的抗震設(shè)防要求。
二、抗震震害抗震加固實(shí)施時(shí), 必須了解橋梁的構(gòu)造特性與地震震害之間的關(guān)系。根據(jù)公路橋至今的震害實(shí)例分析結(jié)果,針對(duì)發(fā)生震害的主要原因提出相應(yīng)的措施,從而保證結(jié)構(gòu)在地震中的抗震能力。
1、上部結(jié)構(gòu)震害:上部結(jié)構(gòu)本身遭受震害而被毀壞的情形較為少見(jiàn),往往是由于橋梁結(jié)構(gòu)其他部位的毀壞而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的損壞如地震時(shí)相鄰梁體相互碰撞而引起的破損, 因支座的螺栓起拔或剪斷引起撞擊而使變形過(guò)大等損傷。
2、支座震害:地震中,橋梁支座的震害極為普遍。其原因主要是支座設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮抗震的要求,構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足, 某些支座形式和材料的缺陷等因素。破壞形式主要表現(xiàn)為支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。
3、落梁震害:橋梁落梁有的是墩倒梁落,也有的是梁落而毀墩。其主要原因有:橋臺(tái)傾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、橋墩破壞、支座破壞、梁體碰撞、相鄰墩發(fā)生過(guò)大相對(duì)位移等。
4、下部結(jié)構(gòu)和地基震害: 下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁震后難以修復(fù)的主要原因。橋梁墩臺(tái)因砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或開(kāi)裂引起破壞很難加強(qiáng)它們的抗震能力。
三、橋梁設(shè)計(jì)與抗震措施
1、防止落梁的措施
《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》指出上部結(jié)構(gòu)主梁的支承長(zhǎng)度a≥70+0.5L(L 為梁的計(jì)算跨徑，L 單位為m，a 單位為cm)，該取值沿用自日本抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，多數(shù)設(shè)計(jì)者認(rèn)為規(guī)范取值較為保守，比上一代規(guī)范《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004-89))有較大提高(a≥50+L)這里需指出該種認(rèn)識(shí)屬于誤區(qū)，當(dāng)“長(zhǎng)橋高墩”時(shí)應(yīng)在規(guī)范基礎(chǔ)上給予更多的安全富余。
根據(jù)震后的調(diào)查表明橫橋向抗震擋塊的破壞非常普遍，說(shuō)明當(dāng)前擋塊設(shè)計(jì)存在薄弱的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為構(gòu)造尺寸偏小，主筋配筋偏少，擋塊內(nèi)側(cè)缺少減震橡膠塊，特別是在斜彎橋設(shè)計(jì)中應(yīng)比直線橋具備更多的考慮。擋塊內(nèi)側(cè)不僅應(yīng)設(shè)置橡膠塊，還應(yīng)考慮留有不小于5cm 的縫隙，多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)將橋墩擋塊設(shè)置為與蓋梁邊緣齊平的方法是欠考慮的，往往造成施工誤差調(diào)整困難以及上述 5cm 縫隙難以保證，故建議橋墩蓋梁端部懸出擋塊外1Ocm為宜。
2、支座型式和布置方式
支座選型長(zhǎng)期以來(lái)被忽視，常規(guī)梁橋多采用普通橡膠支座，汶川地震后的調(diào)查表明普通橡膠支座破壞后加劇了橋梁損傷，建議根據(jù)橋梁設(shè)防要求，選用適用的支座類型?；镜卣饎?dòng)峰加速度峰值0.1g地區(qū)和以上地區(qū)應(yīng)選擇減震型橡膠支座。支座的布置是否合理至關(guān)重要，汶川百花大橋第5 聯(lián) (5×20m)采用一個(gè)固定支座，其余墩為活動(dòng)支座，導(dǎo)致全聯(lián)上部結(jié)構(gòu)水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔(dān)，該橋墩迅速破壞后，造成全聯(lián)坍塌。對(duì)于連續(xù)梁橋在設(shè)置固定支座后，應(yīng)充分考慮固定支座設(shè)置對(duì)抗震的不利影響，慎用墩梁固結(jié)方案，應(yīng)注重考慮各墩水平受力的平均分擔(dān)。
3、柱式橋墩的合理設(shè)計(jì)
柱式墩是橋梁設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)首先盡量避免選用抗震性能差的圓形獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)先選擇矩形截面形式。其次應(yīng)重視橋墩中間的橫梁設(shè)置，橫梁剛度不宜過(guò)大，避免導(dǎo)致“強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)”的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在墩柱之上，而不是橫梁上，致使結(jié)構(gòu)失效。
結(jié)構(gòu)剛度的均衡是總的設(shè)計(jì)原則，一般指縱橋向相鄰高度不宜相差過(guò)大，同時(shí)注意當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡時(shí)，橫橋向也會(huì)出現(xiàn)墩柱高度差異，條件容許時(shí)可以考慮進(jìn)行開(kāi)挖，以保證橫橋向墩柱剛度的均衡。
四、橋梁的抗震加固技術(shù)
對(duì)于處于地震多發(fā)區(qū)的已經(jīng)修建的橋梁，應(yīng)根據(jù)更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想對(duì)其進(jìn)行抗震性能評(píng)價(jià)，并結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果考慮是否應(yīng)給予相應(yīng)的抗震加固措施。
1、維護(hù)結(jié)構(gòu)連接件
當(dāng)支承連接件不能承受橋梁上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相對(duì)位移時(shí)可能會(huì)失去相應(yīng)的作用，并導(dǎo)致梁體墜毀。而這種情況往往都是由施工單位和養(yǎng)護(hù)單位在橋梁支承連接件的性能質(zhì)量的重視度不夠所引起的。因此，我們應(yīng)定期對(duì)橋梁支座、伸縮縫等連接構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)。在國(guó)內(nèi)目前采用較多的維護(hù)方法有采用擋塊、連梁裝置等安裝于伸縮縫等上部接縫處；安裝限位裝置于簡(jiǎn)支的相鄰梁間；為耗散作用于結(jié)構(gòu)的地震能量增加耗能裝置及減隔震支座；增加支承面的寬度等措施。此外，在橋梁使用期間定期檢查并維護(hù)支座時(shí)應(yīng)隨時(shí)清除伸縮縫內(nèi)的雜物。
2、加固上部結(jié)構(gòu)
加固上部結(jié)構(gòu)主要有粘貼鋼板加固法、增大截面加固法和結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法。粘貼鋼板加固法主要在梁板橋的主梁底部出現(xiàn)嚴(yán)重橫向裂縫時(shí)使用。在粘貼鋼板、鋼筋或纖維時(shí)應(yīng)特別注意粘貼位置，即粘貼位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離中性軸加固區(qū)。同時(shí)還應(yīng)注意黏結(jié)劑的性能以保證錨固的可靠性；增加截面加固法主要是增設(shè)鋼筋在橋梁下部以提高主梁的抗彎能力。同時(shí)，如果增設(shè)的鋼筋較多可考慮將主梁下部的截面面積增大以避免超筋構(gòu)件的出現(xiàn)。另外，應(yīng)設(shè)置錨固筋、傳力銷、剪力鍵等可靠的連接物在新老結(jié)構(gòu)材料之間以避免增加的重量破壞原截面；結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法主要指將可承受負(fù)彎矩的鋼筋設(shè)置在簡(jiǎn)支梁的梁端，使相鄰兩主梁連起來(lái)就可形成多跨連續(xù)梁，進(jìn)而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。
3、加固下部結(jié)構(gòu)
下部結(jié)構(gòu)的加固主要有柱罩、填充墻、連梁、加固支座、加固帽梁、橋臺(tái)和加固基礎(chǔ)等措施。填充墻具有提高柱的橫向能力和限制柱的橫向位移等特點(diǎn)，可用于多柱橋梁；連梁可提高混凝土排架的橫向能力。連梁可置于排架底部標(biāo)高處替代墩帽，也可置于地面標(biāo)高和排架底部標(biāo)高之間的某個(gè)位置以調(diào)整特定排架的橫向剛度；一直以來(lái)支座都是地震中受損最容易的部位，而為加固支座現(xiàn)在一般都采用隔震支座加固橋梁的方式，此外還有用鉛芯橡膠支座或者纜索與彈性支座配套使用代替彈性支座的方法；帽梁加固方法最常見(jiàn)的是給現(xiàn)有帽梁增設(shè)墊板；橋臺(tái)加固主要有兩種方法，一是支座延長(zhǎng)裝置，二是用木材、混凝土或鋼筋填塞夾縫，后者采用較多；通?；A(chǔ)加固的方法是增設(shè)覆蓋層、均勻增加基礎(chǔ)、增加接觸面積或?qū)⒒A(chǔ)錨固于土中等。
4 結(jié)論
橋梁的抗震減災(zāi)涉及橋梁工程、地震、防災(zāi)減災(zāi)等多方面的研究,盡管我國(guó)橋梁抗震與加固的水平已有較大的提高,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。我國(guó)的橋梁抗震缺乏持之以恒的基礎(chǔ)性研究,對(duì)于公路橋梁抗震能力的評(píng)估和加固至今仍沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。哪些橋梁可能會(huì)在地震中損壞甚至倒塌仍然沒(méi)有清晰的概念。我國(guó)要充分吸收國(guó)外已有的研究成果,針對(duì)我國(guó)橋梁的實(shí)際情況,開(kāi)展必要的試驗(yàn)研究和理論分析工作。結(jié)合小震不壞、中震可修、大震不倒的分級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),盡快提高我國(guó)橋梁抗震加固的技術(shù)水平, 確保公路工程各結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震安全度。
