采用高强轻质混凝土桥梁抗震性能的影响分析

胡玥珥，方瑞星

(九江市公路管理局修水分局)

0 引 言

在公路交通运输中，桥梁工程在地震中往往容易受到不同程度的损坏，轻者造成交通线路的中断，影响物流运输与抢险救灾，重者引起多种次生灾害，造成国家和人们巨大的经济损失和生命安全危害。随着交通运输业的不断发达，桥梁工程的质量安全问题也就成为了当前工程人员亟需重视的问题。尽管我国的桥梁工程在最初设计时已经将防震理念融入工程建设，但由于桥梁架构时相关材料的选用不够准确合理，在实际投入使用中目标桥梁无法抵御地震的破坏。高强轻质混凝土是一种高抗震性的工程材料，将其应用于桥梁安全防护工程中，能够有效降低地震风险。

1 高强轻质混凝土特点

由于普通混凝土的主要组成部分是水泥、石、砂和相关外加剂等，水、泥、石之间的粘结强度也就直接决定着混凝土的质量强度。但是传统的混凝土在水、泥、石方面的粘结性比较弱，这就直接导致其强度低，无法应用于高强度材料需求的工程建设活动当中。高强轻质混凝土则是采用高强轻骨料配制的，一般强度等级达到CL40 以上的轻质混凝土。与传普通混凝土相比较，高强轻质混凝土具有轻质、高耐久、低造价、灵活性好等优点。首先，高强轻质混凝土比普通的混凝土要轻20%左右，这就能够有效地节约钢筋材料，节制造价成本，在实施投入使用中，可以根据实际需求进行及时地翻新与加宽，从而减少地震的反力;其次，高强轻质混凝土具有高抗渗性、高抗冻、高抗腐蚀能力等特点，由于混凝土内部轻骨料与砂浆具有良好的结构协调性，直接减少了钢材内部可能出现的裂纹现象;第三点是基于高强轻质混凝土的轻质特点上的施工低成本，在实际的桥梁维修和翻新作业中，高强轻质混凝土只需进行及时地稳定及加固作业，这样以来可以大大缩短工程施工时间，减少施工成本，降低基础结构造价，从而进一步地激发桥梁质量安全防护工程中灵活性，促进工程施工的结构优化。在当前的桥梁质量安全监测工作中，出现了众多桥梁对修补材料有着巨量需求的缺口。而高强轻质混凝土的特性恰好能够有力地填补这一缺口，它能够在不进行过多工程成本计算的前提条件下，最大限度地提高修补材料的使用效率，切实提高桥梁的耐久性和承载能力，真正地满足桥梁质量安全防护工程和交通运输生产的现实需求。

高强轻质混凝土与普通混凝土的典型物理力学性能比较具体详情，见表1。

表1 高强轻质混凝土与普通密度混凝土的典型物理力学性能比较

2 高强轻质混凝土对桥梁抗震的影响

2.1 有限元分析模型

某处连续混凝土桥梁其结构跨径为6 ×25 m，中间分布4 个双柱墩，主梁采用整体式的箱梁结构。针对这一情况，工程人员运用SAP2000 软件建立桥梁动力有限元分析模型。该模型以顺桥方向为x 轴，横桥方向为y 轴，垂直方向为z 轴。主梁及桥墩等均采用空间梁单元模拟方式。

2.2 工况分析

在桥梁质量的监测实验中，桥梁结构的桥墩和采用C40混凝土进行抗震计算，主梁采用了LC40 混凝土进行抗震计算，LC40 混凝土根据实际情况中弹性模量的差异，取值不同的混凝土密度。与此同时，该混凝土密度取为配筋轻骨料混凝土，泊松比取为0.2。

2.3 结果分析

(1)动力特性影响。高强轻质混凝土在桥梁建设工程中的具体监测数据结果表明，混凝土的材料密度与混凝土弹性模量对桥梁结构的高阶模态的影响较大，高强轻质混凝土能够有效使桥梁的前三阶自振周期缩短，从第4 阶开始对桥梁的振动周期影响不大。而与高强轻质混凝土相对的同一强度普通轻质混凝土对桥梁结构的振动周期的影响不大。

(2)地震响应的影响。在多跨连续梁桥梁结构中，地震对于桥梁结构的影响作用，纵向影响要大于横向影响，同时桥梁结构的主梁纵向位移的大小也直接决定了桥梁伸缩缝结构的大小。普通混凝土桥梁结构的墩底轴力、墩底剪力、墩底弯矩响应均要比高强轻质混凝土要大。由此我们可以得知，高强轻质混凝土能有效地降低桥梁结构的地震内力响应。另一方面，不同高强轻质混凝土由于自身密度的不同，其对于桥梁结构地震内力响应的影响也不尽相同。经有关研究实验论证，当配筋轻骨料混凝土的密度为19.5 时，此时桥梁结构墩底的内力响应最小，弹性模量为2.3E+04 MPa。另外，高强轻质混凝土桥梁结构的梁端位移程度远远低于普通轻质混凝土桥梁结构的梁端位移程度，而且高强轻质混凝土的密度越大，梁端架构的位移下降程度就越深。

2.3 高强轻质混凝土对桥梁抗震的案例分析

上世纪六七十年代，铁道部大桥局联合上海建筑科学研究所等单位共同合作，全面深入地研究论证了高强轻质混凝土在铁路和公路桥梁中的实际应用效果及其影响。相关专家使用高强混凝土配制技术，以高强粉煤灰陶粒配置生产CLSO 级别的高强轻质混凝土，并先后采用粘土陶粒混凝土或粉煤灰陶粒混凝土实验建成了30 多座公路桥.这些公路桥属于16.0～21.4 m 之间的小跨度公路桥，在桥梁构造上兼有钢筋轻质混凝土和少量的预应力轻质混凝土。每隔5年，专家组对这些公路桥工程进行实地调查，经过数据分析和判断，部分轻质混凝土出现随着时间增长强度也随之增加的特征，目标地区的轻质混凝土碳化深度平均达到1.2～1.4 mm，数据低于同龄期普通混凝土;多年使用监测，桥体未发现明显的钢筋锈蚀现象;桥面轻质混凝土耐磨性良好，外露的陶粒并未受到损耗或者破坏。实践证明，将高强轻质混凝土投入应用于桥梁安全防护工程中，能够有效提高桥梁质量，提高抵御地震风险的能力。

3 结 语

在当前的桥梁工程建设活动中，桥梁质量安全工程是工程人员需要认真对待的重大任务。高强轻质混凝土具有轻质、高耐久、低造价、灵活性好等优点，在相关的建筑工程、交通工程等领域已经展示出其显著的特点和优势。通过研究分析高强轻质混凝土桥梁结构对地震响应的影响，具体的实验数据和结果表明，高强轻质混凝土能够有效地减小桥梁高阶自振周期，减小桥梁结构的地震内力响应和位移响应，值得在桥梁建设工程中推广使用。

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