橋梁震害分析及加固維修措施
2015-07-13
1 引言
近年來(lái)地震災(zāi)害頻發(fā)，不斷危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。地震中由于山體滑坡、橋梁倒塌和公路損毀，使得震中區(qū)交通完全中斷，救援人員及物資受阻，給地震應(yīng)急救援工作帶來(lái)了極大困難。地震中保障交通運(yùn)輸生命線工程的安全十分重要。
2008年的汶川大地震（M8.0），2009年的青海玉樹(shù)大地震（M7.1）都造成了大量橋梁的嚴(yán)重破壞。本文通過(guò)對(duì)上述橋梁震害的研究分析，揭示其在設(shè)計(jì)和施工方面的缺陷，結(jié)合現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)理論及方法，提出了相關(guān)改進(jìn)的措施和加固維修方法。
2 橋梁震害的特征及其分析
橋梁工程結(jié)構(gòu)物的破壞與其所處的環(huán)境、地基和基礎(chǔ)密切相關(guān)。汶川地區(qū)地形復(fù)雜，屬于典型的高山峽谷地形，地形大落差大，地震作用突出；玉樹(shù)地區(qū)位于青藏高原凍土地區(qū)，地基受溫度作用影響大，同等級(jí)烈度的地震對(duì)該地區(qū)的橋梁建筑物作用更明顯。
汶川地區(qū)和玉樹(shù)地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)形式包括：簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、曲線梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋和拱橋
等。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)[1-3]，梁式橋整體抗震性能較拱橋和斜拉橋差，在地震作
用下，主要發(fā)生以下破壞形式：1、上部結(jié)構(gòu)梁板偏移、落梁（圖1）。這主要是由于主梁和橋墩之間的連接比較薄弱造成。早期的橋梁板自重大，地震作用下剪力也大，并且很多只是簡(jiǎn)單的搭接在橋墩上，沒(méi)有固定錨固，地震中容易偏位；后期的橋梁在主梁和橋墩之間一般設(shè)置板式橡膠支座，地震中穩(wěn)定性能較差，導(dǎo)致主梁易發(fā)生橫、縱向位移，乃至發(fā)生落梁。2、連續(xù)梁橋的震害主要集中在支座與下部結(jié)構(gòu)中。連續(xù)梁橋的墩柱主要震害有彎曲型、剪切型及彎剪混合型破壞。比如，高橋墩連續(xù)梁橋易發(fā)生彎曲型破壞，固定墩底出現(xiàn)塑性鉸（圖2），保護(hù)層混凝土的開(kāi)裂、剝落，隨后受拉鋼筋屈服。若塑性鉸區(qū)約束箍筋配置或者縱向鋼筋搭接、焊接技術(shù)有缺陷，極易產(chǎn)生由于墩柱的延性能力不足導(dǎo)致的墩柱的倒塌。盡管現(xiàn)階段橋梁抗震規(guī)范多采用依靠連續(xù)梁橋固定墩損傷耗能的延性設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)思想，但從震后橋梁破壞的形態(tài)來(lái)看，隨著橋梁抗震技術(shù)的發(fā)展，靠固定墩延性抗震設(shè)計(jì)的連續(xù)梁橋體系也不再是最理想的橋梁抗震體系。3 連續(xù)剛構(gòu)橋雖然整體性較好，但在震害中橋墩容易受損裂開(kāi)，對(duì)橋梁的耐久性影響很大，且產(chǎn)生的裂縫需要維修。連續(xù)剛構(gòu)橋總體的震害明顯輕于相近的簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋。4 拱橋震害在這些地區(qū)不太常見(jiàn)，除了斜腿剛構(gòu)橋和剛架拱橋，一般石拱橋、鋼管混凝土拱橋、卵石實(shí)腹式拱橋等顯示除了良好的抗震性能。
3 橋梁抗震設(shè)計(jì)理念及加固措施
針對(duì)不同形式的橋梁，有關(guān)學(xué)者提出了不同的抗震設(shè)計(jì)理念。
關(guān)于梁式橋防落梁的設(shè)計(jì)理念，主要有以下幾種。臺(tái)灣學(xué)者張國(guó)鎮(zhèn)在集地震橋梁震害經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了“功能性支承”的設(shè)計(jì)概念。王東升等[4]也提出了相似的理念，比如允許主梁在橡膠支座頂部滑移，底部與橋墩錨栓連接采用“浮放”模式，以提供相對(duì)穩(wěn)定的滑動(dòng)面；加大蓋梁的支承寬度，以消耗地震能量，同時(shí)防止落梁；通過(guò)一些輔助設(shè)備，比如蓋梁邊緣設(shè)置擋塊或墩梁間設(shè)置拉索限位器等防止落梁。
地震區(qū)的橋梁應(yīng)根據(jù)橋址地震烈度和場(chǎng)地地質(zhì)條件合理的選擇抗震體系。若橋址處于高烈度地震區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇采用減、隔震措施的連續(xù)梁橋。即使采用了減、隔震裝置的簡(jiǎn)支梁，由于整體性不強(qiáng)，發(fā)生落梁及梁端碰撞等震害的機(jī)率仍較高。由于現(xiàn)有的減、隔震技術(shù)的局限性，將其應(yīng)用在拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋的技術(shù)尚不成熟，并且關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能還沒(méi)有明確的研究結(jié)果。若橋址處于良好的地址條件，應(yīng)優(yōu)先選擇連續(xù)剛構(gòu)橋和拱橋橋型。
對(duì)于產(chǎn)生震害的橋梁，首先應(yīng)對(duì)橋梁受損程度進(jìn)行評(píng)估鑒定。若破壞情況不是特別嚴(yán)重，基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固修護(hù)。常見(jiàn)的修護(hù)加固技術(shù)包括橋梁裂縫的修復(fù)和橋梁結(jié)構(gòu)的加固。
對(duì)于橋梁裂縫的修復(fù)，主要采用以下方式：（1）)表面噴涂：在處理后的裂縫表面噴射一層粘度極高且密度極大的水泥砂漿保護(hù)層，進(jìn)行裂縫的修補(bǔ)。（2）粘貼鋼板法：對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生主裂縫的鋼筋混凝土構(gòu)件，先對(duì)裂縫進(jìn)行處理，在此基礎(chǔ)上再在裂縫處粘結(jié)鋼板并對(duì)鋼板進(jìn)行有效加壓。（3）粘貼碳纖維布加固法：碳纖維布自重輕，施工方便，且不增加結(jié)構(gòu)荷載。其加固施工的原理類似粘鋼加固法，施工程序?yàn)椋罕砻嫣幚?涂刷底膠-修補(bǔ)找平-膠料配制-粘貼碳纖維布-修護(hù)檢驗(yàn)。
若震后橋梁橋墩出現(xiàn)輕微破壞，比如墩柱頂部開(kāi)裂或者墩底出現(xiàn)損壞，可以考慮在墩頂采用粘貼碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)；墩底部位采用外包混凝土的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)或者加大墩底截面面積進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。
4實(shí)例介紹
下面以玉樹(shù)地震中禪古寺一號(hào)橋的震害及加固措施為例，說(shuō)明震害橋梁的實(shí)際加固處理辦法。該橋主要出現(xiàn)了以下破壞形式：1、抗震擋塊出現(xiàn)斷裂；2、墩頂、墩底出現(xiàn)環(huán)向裂縫；3、支座出現(xiàn)移位、脫空、開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)其的維修及加固措施如下：對(duì)于工況1，首先對(duì)梁板頂升進(jìn)行糾偏，恢復(fù)至原位； 然后對(duì)抗震錨栓進(jìn)行復(fù)位；用C40細(xì)石混凝土修復(fù)破損擋塊 ，內(nèi)側(cè)增設(shè)橡膠墊塊。對(duì)于工況2，墩柱頂部裂縫采用粘結(jié)碳纖維板的加固處理辦法；墩柱底部，封閉處理后外包20cm的C40細(xì)石混凝土（參入了適量纖維和膨脹劑）進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于工況3，在梁板頂升糾偏復(fù)位之后，落梁之前，更換全橋支座；利用環(huán)氧砂漿修復(fù)開(kāi)裂、破損的支座墊石。
5結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)汶川地震和玉樹(shù)地震中的橋梁震害進(jìn)行了分析，討論了不同形式橋梁的震害特征，并提出了相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)理念和加固維修措施，希望對(duì)實(shí)際工程有一定的幫助作用。
