山区公路桥梁抗震设计与抗震加固措施分析

2022-06-27马志翔

建筑与装饰 2022年12期

马志翔

安徽省交通勘察设计院有限公司安徽合肥 230000

引言

随着我国交通设施的发展，山区公路建设已步入新的发展阶段。桥梁作为公路建设的主要部分和连接枢纽，在山路交通环境下发挥着至关重要的作用。由于山区地震灾害频发，公路桥梁的抗震设计与抗震加固措施的应用得到人们的重视，地震灾害不仅威胁建筑物安全，也给交通路网带来破坏。因此，应按照当地抗震设防等级，在桥梁设计当中强化抗震设计，保障公路交通安全。

1 山区公路桥梁的常见震害及特征分析

1.1 梁与支座部分震害

桥梁地震灾害中，梁部的震坏是地震作用下最严重的破坏形式，如果梁板受到破坏，桥面也将会断裂或者崩塌，甚至引发下部结构墩柱与支座受到影响。山区桥梁中，桥梁纵坡一般比较大，梁板的破坏主要有两种形式，一种是梁板结构震坏，另一种是地震下的位移而引发的破坏，其中后者最为常见，位移震害主要有横向、纵向、扭转位移震害三种，桥梁端头位置设置了伸缩缝，该部位最容易受到位移震害，如果梁板位移超出限制，梁板移动到支撑面之外，就会引发落梁震害，并引发桥梁崩塌事故。

支座是连接桥梁上下部结构的重要部分，也是十分重要的传力构件，在地震力的作用之下，梁体产生位移，导致瞬间上部结构作用力向支座部位传递，支座难以承受变形。出现该问题的原因与桥梁设计未按照实际防震等级选择支座有关。地震作用之下，支座构件应剪力作用而造成螺栓破坏，并使支座发生脱落，给桥梁抗震性能带来影响。

1.2 桥墩与桥台震害

公路桥梁的建设受到山区特殊地形地貌的影响，桥墩与桥台高度一般比较高，墩柱与台柱能够将上部作用的力传递到基础部分，并承受着来自水平方向的剪切应力。地震影响下容易给桥墩桥台部位带来剪切破坏的风险，刚性墩台中，上部结构变形后会发生位移，并形成地震力，墩台在水平的地震作用下剪切变形，地震力增大后，墩柱会在反复的地震力作用下造成剪切破坏，给桥梁结构带来坍塌的风险。柔性墩台在反复的地震作用下，墩台柱连接位置产生塑性铰，混凝土也会因此脱落，并因承受能力不足而发生破坏。

1.3 基础破坏

山区公路桥梁基础的自身震坏情况很少，基础破坏一般与基础土层有关。受到地震反复作用的影响，山区地质不良，或者地基当中存在砂土液化现象，导致桥梁基础承载能力降低，并造成基础下沉与水平移动现象，地面也会因此产生不均匀的沉降现象。因地基与基础属于桥梁承力层，如果基础破坏，整个桥梁结构将有可能难以修复[1]。

2 山区公路桥梁的抗震设计

2.1 设计原则

为了实现对公路桥梁的抗震设计，应遵循以下设计原则：①公路桥梁的定位选择。选择桥梁线位时，不仅要考虑桥梁类型，还需要对地基的承载能力加以考虑，布设桥梁线位时综合桥梁抗震性能、土质条件以及地基承载能力等因素。如果地基不够稳固，桥梁将有可能发生破坏，因此桥梁所在的位置不能选择软土或黏土地区，土的侧压力可能对桩体产生剪切破坏影响，所以桥梁不能选在陡峭坡地。②桥梁结构性能的优化设计，保证桥梁上部结构连续性，保持桥梁整体性，确保桥梁在地震荷载作用下拥有足够的承受能力，桥梁的上部结构连续性比较好，有利于抵御地震荷载带来的破坏，且结构连接点位置还需要合理设置减震措施。③设置抗震防线。为了解决地震荷载给桥梁带来的破坏问题，在抗震结构设计时应同时设置多道防线，确保桥梁在各方向上都有抵抗能力，保证桥梁的稳固性，谨防桥梁坍塌事故发生[2]。

2.2 延性抗震设计

山区公路工程中，桥梁的延性指的是初始强度保持不变时桥梁的非弹性变形能力，可使用无量纲比值u来表示延性计算公式，公式如下：

公式当中，右侧分别代表桥梁经历的最大变形与结构首次屈服。桥梁结构破坏取决于塑性消耗能量，而不是仅仅取决于结构强度。目前，桥梁的抗震设计中应用的延性抗震表达方式为u≤[u]，u指的是实际延性比，[u]指的是允许的延性比。

2.3 抗震设计方法

山区公路桥梁的抗震设计方法主要分为以下几种：①静力法，该方法应用起来十分便捷，但是应用时没有将桥梁在地震波作用下的变形与动力特性考虑在其中，静力法一般用于桥台和挡土墙等刚性结构部位。②时程分析法，该方法可以计算桥梁结构在地震下的结构内力、结构变形以及加速度等数据，同时对桩与土之间的相互作用模拟出来。一般情况下，时程分析可以用于跨度较大或者结构复杂的桥梁结构抗震设计中。选择抗震设计方法时，应结合桥梁结构自身特点与所在地质条件，了解到地震波的复杂性特点，计算桥梁结构时应合理设置假设条件，保证桥梁抗震设计方法下计算结果的准确性，设计人员在重视概念设计的同时，还要从强度控制、位移设计、延性控制等方面入手，不断优化设计理念。

2.4 抗震设计要点

2.4.1 桥位与桥型的选择与设计。山区公路桥梁当中，不仅山路崎岖，且地势高低不平，各路段地质条件差距较大，所以选择桥位的时候不能影响线路总体设计，在相对良好的地质条件下设计桥梁，避开地震时给地基带来破坏，防止地基松软，优选基岩或碎石地基。山区中，多数地质都是坚硬的地质，选择桥位时应关注滑坡与地震频发地带，避开这些地区建设桥梁。

关于桥型的设计，应依据地质条件和实际施工要求，选择抗震性能较高的桥型，或者选择结构稳定的大跨度连续桥梁，减少伸缩缝数量，或者选择隔震效果较好的钢桁架结构。抗震设计时不仅要选择新型且技术先进的桥型，还应选择容易在震后修复的结构，尽可能地降低地震作用下的经济损失[3]。

2.4.2 桥梁结构设计。桥梁结构设计中，应尽可能地选择对称形式或者规则形式的桥梁结构，同时降低结构自重与刚度中心，使其处于中心线中，降低地震作用下的冲击力，保持桥梁结构稳定。不仅如此，尽可能地减小桥梁结构刚度，应用延性材料，降低地震给桥梁结构带来的脆性破坏，提升桥梁结构抗震能力。

3 山区公路桥梁抗震加固措施

3.1 主梁与支座部分的加固措施

常见的桥梁主梁结构加固措施主要有两种，即增大截面加固措施与粘贴钢板加固措施。为了提高主梁抗震能力，建议在梁板下部增加钢筋，提升结构延性。如果钢筋过多将有可能产生超筋的问题，对混凝土结构造成破坏。因此，建议增加桥梁下部界面，提升结构整体性能，梁板桥可以增大马蹄高度与宽度，扩大梁板截面积。如果主梁梁底出现横纵向裂缝问题时，建议采取粘贴钢板的加固措施，提高主梁抗震能力，但必须按照一定的规范使用黏结剂，明确钢板锚固位置，最大程度上保障结构稳定性。在加固桥梁支座部分时，应选择减震支座，或者选择挡块来限制结构纵向位移，降低地震对桥梁结构的冲击，防止桥梁在地震作用下产生落梁现象。

3.2 墩台与墩柱结构的抗震加固措施

一般情况下，桥梁桥墩设置的较高，所以危险性较大。针对桥墩部分进行抗震设计时，可采用提高结构延性的加固措施。桥墩设计时可使用钢混结构与空心截面，并在横向墩柱间设置系梁，以此提高结构间连接性。依据墩台的受力情况，增加柱的直径，使用加密箍筋，提升墩台结构抗剪性能。在梁和挡块之间的连接位置增加弹性垫块，尽可能减小结构变形，经过增加桩柱数量，提升墩台抗剪能力，降低地震带来的危险。

墩柱发生开裂的原因主要为横向约束箍筋数量不足，最终无法对混凝土产生约束效果，所以在墩柱设计时应采用螺旋式箍筋。桥墩端部安装减震阻尼装置，山区桥梁在地震作用下的位移比较明显，阻尼装置可以防止上部结构位移与下部墩柱弯矩效应过大，防止连接件承载能力的位移超出范围，解决弯曲失效的问题，并做好高墩位移的有效控制。

3.3 常见的加固措施及技术应用

3.3.1 加固方法。首先，结构加固方法。清理好表层，找出钢筋混凝土层的薄弱区域，使用环氧树脂材料，发挥材料的高度黏结性特点，将型钢和斜杆黏结在相应位置，保持构件良好的抗拉性能，改善结构受力情况，为桥梁整体式结构完成应力分布，发挥构件与桥墩位置的使用性能。山区公路桥梁施工对现场施工环境的要求很高，应用结构加固法不仅操作便捷，且不会对原有结构造成影响。

其次，构造加固法。该方法旨在扩大截面面积，提升结构承载力，在保障桥墩抗弯性能的同时，提升构造刚度。构造加固法的应用主要包含三方面内容：①混凝土外包加固方法，通过采用锚固钢筋与增设钢筋网的方式扩大混凝土面积，该方法便捷，但是需要较长的养护时间，可用于梁柱等结构。②粘贴钢板加固法，该方法适合用于工程量小的部分，能够提高结构受力稳定性，如果桥梁受拉结构的承载力较低，可应用环氧树脂将钢板黏结在薄弱位置，保证钢板整体刚度。为了保证钢板的粘贴质量，应及时处理残留碳化混凝土，并用黏合剂做好修补处理，等待混凝土干燥后再打磨，基于钢板的受力方向，使用黏结剂增加其厚度。与此同时，还应减小钢板和混凝土之间的间隙，经过1天的养护后再拆模，再经过5天后即可达到良好的受力效果。③喷射砂浆加固方法。在砂浆钢筋网中加入纤维材料，使其置于结构受力较低的位置，达到拉应力传递效果。这一砂浆主要为胶凝材料，有着较好的黏合效果，一般可采用高速喷射的方法将材料填入空隙，再对表面凿毛，使加固区域粗糙度提高，强化新旧材料的黏结能力。

最后，材料加固方法。采用碳纤维材料加固的方式，提升材料抗拉性能，发挥预应力钢束的加固效果。与传统材料不同，碳纤维材料应用效果更好，能够提升受剪结构间的延性，常见的材料有碳纤维布和碳纤维板两种，对受弯构件进行加固处理时，可使用黏合剂提升构件的紧固性。

3.3.2 加固技术。山区公路桥梁施工中，常用到的加固技术主要有以下几种：

3.3.2.1 钢板加固技术。为了避免桥梁在地震灾害中产生较大的裂痕，应以提高桥梁结构刚度为重点，采用加固稳定钢板的技术方法，控制桥梁中轴与加固位置安全范围，使其处于安全距离。

3.3.2.2 部件加固技术。该技术的应用应做好部件的加固处理，避免关键部位在桥梁应用期间出现老化或者位移的现象，防止地震灾害带来严重的损害。部件加固时应关注连接处部件的伸缩性能否达到标准需求，同时考虑到灾害发生时桥梁是否具有足够的冲击力适应能力，谨防传递性裂痕发生。加固部件时应做好连接部件的定期检查和维修，强化部件的抗震性能[4]。

3.3.2.3 桥梁连接部件的加固技术。桥梁连接部件能否妥善处理，将会对桥梁的连续性与受力抗压能力产生至关重要影响，为了防止连接处存在潜在性结构开裂，保证连接结构的承受力。做好邻近桥梁间的结构加固，防止连接部件出现位移，了解到部件会长期受地震微小阻力的影响而产生反复冲击，从而造成变形与老化问题，应对部件反复检查，及时处理问题，优化桥梁连接处的抗震性能。