大跨度悬索桥抗震设计与加固方法

2024-05-19周筱雯

上海建材 2024年1期

周筱雯

（同创工程设计有限公司杭州分公司，浙江杭州 310052）

0 引言

我国位于环太平洋地震带和欧亚大陆地震带之间，地震频繁，1900 年以来已发生7 次强震，造成巨大的经济损失。随着经济发展和城市规模扩大，公路交通重要性突出，桥梁工程是关键枢纽。地震可能导致桥梁坍塌，从而无法保障交通和人民生命安全[1]。因此，需深入分析桥梁抗震性能，提出加固措施和方法，保证其抗震安全。

1 悬索桥的发展及设计特性

悬索桥是具有大跨度、高抗风能力、造型美观的桥梁，适用于复杂地形条件（如峡谷、江河和海湾等）。其发展历史可追溯到20 世纪初，早期结构简单，由吊索和主缆组成，材料选择范围有限。随着科技的发展，悬索桥设计和施工方法得到改进。20 世纪30 年代，美国发明缆索吊机，施工更高效安全。20 世纪70 年代，美国建成世界首座全悬臂悬索桥——帕特森特大桥。

悬索桥技术在中国应用较晚但发展迅速，自20 世纪80 年代以来得到广泛应用，成为重要的交通基础设施，对经济建设和交通发展起着重要作用。设计需考虑构造特征、受力特点、设计方法和抗震性能等多个方面，其中抗震性能是重要因素之一。地震作用下，悬索桥的主缆、主梁和加劲梁等结构会受到不同程度的震动和变形。设计师需要在设计过程中充分考虑这些因素，确保悬索桥在地震作用下的安全性和稳定性。

2 地震对桥梁的影响

2.1 地震对悬索桥的影响

在地震作用下，结构位移峰值主要集中在主缆中心处，并逐渐向两侧延伸，说明地震对悬索桥的影响主要体现在主缆中心处，并向两侧延伸。地震作用下主缆索力沿纵向分布不均[2]。

由于该悬索桥主缆高度较高，地震作用下产生的侧向位移相对较小，可忽略不计。悬索桥为吊杆式的悬索桥，其抗风稳定性能较差，地震作用下会产生较大的横摇和竖摇的附加作用力，因此在地震作用下可能发生倾覆、倒塌和吊杆破坏等现象[3]。

2.2 悬索桥设计中地震分析的相关部位

1）地震作用下，悬索桥关键部位位移大，可能出现断索和脱索。2）悬索桥抗震性能受抗剪能力影响，主缆与吊索连接处是薄弱环节。3）悬索桥主要承重结构是主缆与吊索，地震会影响其稳定性，可能导致损坏。4）地震作用下，悬索桥产生大应力和位移，导致破坏。5）大跨度桥梁扭转振动易产生扭转变形和内力，影响其稳定性。

3 悬索桥抗震加固措施

3.1 索面

悬索桥的索面是桥梁的重要组成部分，对桥梁的抗震性能具有重要影响。在地震作用下，索面承受巨大的拉力，同时产生相应的变形。为了提高悬索桥的抗震性能，可以采取一系列措施来加强索面。其中一种常见的加固方法是施加预应力。通过在索面中施加预应力，可以增加索面的刚度和强度，从而增强其抵抗地震作用的能力。在实际工程中，可以根据地震烈度和桥梁规模等因素来确定预应力的大小和分布。另一种有效的加固方法是采用预应力索面和钢板索面等加固方式。该方法可以显著提高索面的承载能力和变形性能，从而增强悬索桥的抗震性能。在采用钢板索面时，可以通过优化钢板的厚度、排列和连接方式等参数来增强加固效果[4]。除了以上2 种方法外，还可以采取其他措施来增强索面的抗震性能。例如，可以对索面进行定期检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，从而保证悬索桥的安全性和可靠性。

3.2 梁体

悬索桥的梁体作为抗震的关键构件，应按照“强柱弱梁”的原则进行抗震设计。根据桥梁设计规范规定，当抗震设防烈度为6～8 度时，梁体可以不设置抗震缝，但应根据抗震计算结果进行合理的抗震设计[5]。因此，为了提高梁体的抗震性能，可以采取以下措施：

1）在梁体中设置纵向限位装置或横向限位装置，则梁体在地震作用下可以更加安全可靠地工作。设置纵向限位装置和横向限位装置时，需要考虑与主塔连接处的构造措施和安装方法。根据抗震计算结果进行合理的设计，可以有效防止地震引起的主塔偏位、主梁开裂和索鞍与主塔之间的脱空等现象。

2）桥梁在地震作用下会产生过大的变形，因此桥梁上部结构应考虑与其连接部位的刚度问题。为了提高桥梁抗震性能，可在桥梁上部结构中增加纵向和横向钢筋。为了增加结构刚度并降低地震作用下的变形量，可在桥梁上部结构中设置纵向、横向和竖向钢筋。

3）为了提高结构刚度和强度，应加强梁体与主塔之间的连接部位。目前常用的方法是在梁中设置纵向和横向钢筋。设置纵向钢筋可以增加主塔与主梁之间的连接刚度，并提高主梁结构刚度。因此，可以在梁体中设置纵向钢筋并在梁体与主塔之间设置横向钢筋，以提高桥梁的抗震性能。当在梁体中设置纵向、横向和竖向钢筋时，由于梁体与主塔之间存在摩擦阻尼作用，因此梁体的动力响应会增加。

3.3 主塔

悬索桥的主塔是悬索桥的关键构件，其抗震性能直接影响主塔的安全。由于悬索桥的结构比较特殊，其主要特点是塔梁一体化。为了保证悬索桥在地震作用下的安全性，通过增加主塔的高度，将主塔、塔梁一体化。

在地震作用下，悬索桥主塔中的预应力筋和塔梁之间会产生相对运动，从而增加了主塔的横向水平地震力。对于桥梁抗震加固来说，提高结构抗震性能最有效的方法是在主塔上设置支座。当桥梁的跨度较大时，主塔本身所承受的地震作用很大。为了减小地震对桥梁造成的损害，需要在主塔上设置支座来减小地震作用。对主塔来说，最理想的支座形式是在塔身和塔顶之间设置滑动支座。根据不同的桥梁结构形式和材料强度，可以将滑动支座分为以下2种类型：摩擦摆支座和球铰支座。

3.4 防落梁

针对大跨度悬索桥在地震作用下的主要破坏形式，提出一种基于防落梁的加固方法。该方法主要通过在结构设计中布置纵向防落梁和横向防落梁来增强桥梁的稳定性。纵向防落梁被设置在主缆和梁端之间，而横向防落梁则位于梁体中间。采用这种防落梁加固方法对某悬索桥进行了加固设计。通过动力分析可知，该悬索桥的墩底最大弯矩并未超出预设的范围，此外主塔和边墩的位移相应减小，表明该加固方法有效地控制了结构在地震作用下的位移和内力。加固设计后的结果表明，防落梁加固方法是一种有效的抗震加固方法，该方法不仅能够提高桥梁的稳定性，还能有效地减少地震对桥梁造成的损害。因此，应该在更多的悬索桥设计中采用这种加固方法，以提高桥梁的安全性和使用寿命。

3.5 抗震设计

3.5.1 塔梁连接优化设计

为了提高塔梁连接的抗震能力，可以采取以下措施。首先，选择具有高强度、高韧性和高耐久性的抗震材料（如高强度钢材和混凝土）。其次，通过优化结构设计（如采用预应力混凝土结构和改变截面形状，来提高塔梁连接的抗震性能）以及安装阻尼装置（如黏滞阻尼器和调谐质量阻尼器）可以有效减少地震振动和位移响应；设置抗震支座（如摩擦摆支座和高阻尼橡胶支座）可以适应地震作用下的位移和转动需求。最后，确保施工质量也是至关重要的，包括对施工人员的专业培训、对施工过程的严格监督和对施工材料的质量检验。通过这些措施，可以提高塔梁连接的抗震能力，保证桥梁的安全使用。

3.5.2 主缆和吊索加固设计

通过选用高强度钢材和优化主缆及吊索的布置，可以提高桥梁的抗震性能。高强度钢材具有更高的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度，能够有效抵抗地震应力和变形。优化主缆和吊索的布置可以提高桥梁结构的刚度，使其在地震作用下更加稳定。此外，安装减震装置也是提高抗震能力的重要措施。减震装置（如减震器和阻尼器等）能够有效减小地震作用下的振动和位移响应，可以通过调整减震装置的参数和布置方式来满足不同桥梁的抗震需求。优化锚固系统的设计也是提高抗震性能的关键。锚固系统是主缆和吊索与桥梁结构连接的重要部分，需要确保其强度和耐久性。定期检测与维护主缆和吊索也是保证桥梁安全使用的重要措施。定期检查可以发现潜在的安全隐患，及时修复受损部位。维护工作包括清洁、涂装防护层和更换损坏部件等，以提高桥梁的抗震能力。最后，在抗震加固设计中还应考虑气候效应对材料的影响，选择具有良好耐候性的材料，已经采用特殊的防腐涂层等，以确保桥梁在不同气候条件下的稳定性，提高全天候抗震能力。