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桥梁抗震加固方法

桥梁抗震加固方法

1引言

    桥梁工程是公路工程的咽喉要道,在保障公路通畅中起着至关重要的作用。一旦地震就会使交通线路瘫痪,将会给国家和人民带来极大的损失和不便。因此对其进行有效的抗震设计,确保其抗震安全性意义深远。


2抗震概念设计

由于地震发生具有不确定性和复杂性的特点,再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异,使“概念设计”比“计算设计”更为重要。“计算设计”很难控制结构的抗震性能,因而不能完全依赖计算。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。因此,在桥梁的方案设计阶段,应考虑桥梁的抗震性能,尽可能选择良好的抗震结构体系。在抗震概念设计时,为了保证桥梁结构的经济性和抗震安全性,要特别重视上、下部结构连接部位的设计,桥墩形式的选取,过渡孔处连接部位的设计以及塑性铰预期部位的选择。通常允许桥梁结构在强震下进入塑性工作状态,在预期的部位形成塑性铰以耗散能量,但不允许出现脆性破坏,如剪切破坏。为了保证所选择的结构体系在桥址处的场地条件下确实是良好的抗震体系,必须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应评估),然后结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位,并进一步分析是否能通过配筋或构造设计保证这些部位的抗震安全性。最后,根据分析结果综合评判结构体系抗震性能的优劣,决定是否要修改设计方案。

3震后检测加固必要性

结构破坏及规范要求

    来自两个方面:首先是地震中的部分桥梁遭受严重破坏,需要进行修复或加固;其次是随着新规范的颁布执行!设计方法的发展和更新,许多按以前方法设计的或根本就没有进行抗震设计的桥梁的抗震性能需要重新进行评估。相当数量的桥梁,尤其是早期修建的桥梁,由于资金短缺,设计!施工标准低,加上技术管理薄弱,施工质量不能保证这些桥梁的使用寿命,有些很快就变成危桥;由于桥梁管护不善!大自然风霜雨雪的侵蚀以及环境污染的日益加重,造成桥梁自身老化破损,衰老加快,寿命缩短。对这些桥梁,通过评估及有效的加固,力求能够提高单个构件以及整个桥梁体系的抗震性能,以满足现存规范及交通提出的抗震设防要求。

地震特征的要求  

    通过对世界范围内历次发生的地震特征进行分析发现,地震在空间上和时间上具有丛集的特征。在一定时间内,发生在同一震源区的一系列大小不同的地震,且其发震机制具有某种内在联系或有共同的发震构造的一组地震总称为地震序列。在地震序列中,震级最大的称为主震,主震前的小震则称为前震,主震后发生的地震称为余震。强度等级高的地震,往往会伴随着强余震的发生。现行的国内外抗震规范在确定地震载荷时,只考虑了主震影响,没有考虑地震序列中的强余震对结构的抗震性能造成的影响,这对于结构抗震来说既不安全也不全面。目前国内外对地震序列作用下结构物的破坏研究很少涉及。中国地震局地球物理研究所赵金宝以量化形式研究了建筑物相继经历主震!余震作用下的破坏状态。然而,各类桥梁在余震中的抗震能力并没有具体的研究,桥梁在震后的抗震能力评估与加固仍是保证结构在地震中通行能力的有效措施。

4震害产生原因分析

(1)支承连接件失效—————由于上下部结构产生了支承连接件不能承受的相对位移,使支承连接件失效,上部与下部结构脱开,导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力,下部结构将遭受严重破坏。支承连接件失效的原因,主要是设计低估了相邻跨之间的相对位移。为了解决这个问题,目前国内外的通常做法是增加支承面宽度和在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。    

(2)下部结构失效—————主要是指桥墩和桥台失效。桥墩和桥台如果不能抵抗自身的惯性力和由支座传递来的上部结构的地震力,就会开裂甚至折断,其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。钢筋混凝土柱式桥墩大量遭受严重损坏,是近期桥梁震害的一个特点。其原因主要是横向约束箍筋数量不足和间距过大,因而不足以约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲。目前的解决办法是通过能力设计和延性设计,使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位,其余结构保持弹性。    (3)软弱地基失效—————如果下部结构周围的地基易受地震震动而变弱,下部结构就可能发生沉降和水平移动。如砂土的液化和断层等,在地震中都可能引起墩台的毁坏。地基失效引起的桥梁结构破坏,有时是人力所不能避免的,因此在桥梁选址时就应该重视,并设法加以避免。如果无法避免时,则应考虑对地基进行处理或采用深基础。

现结合国内外以往的地震,大部分桥梁都会受到不同程度的破坏,分析其震害原因,主要有以下几点:

1.桥台震害其主要表现为桥台与路基一起滑动并移向河心,以致桥头、重力式桥台的胸腔及桩柱式桥台的桩柱不同程度沉降、开裂、倾斜和折断等。另外,桥头的沉降会导致翼墙损坏并开裂,而重力式桥台胸腔开裂会引起整个台体被移动并下沉。

2.桥墩震害在地震力作用下桥墩会不同程度的倾斜、沉降、滑移、开裂、剪断和钢筋裸露扭曲。

3.支座震害根据以往工作经验,会发现某些桥梁的支座设计并未充分考虑抗震的需求,如某些支座形式和材料上存在缺陷、在构造上连接与支挡等构造措施不足等,以致支座在地震力作用下会发生较大的变形和位移。

4.地基与基础震害在地震力作用下地基中的砂土会被液化,以致地基失效,基础沉降或不均匀沉降,从而导致地面较大变形,地层发生水平滑移、下层、断裂等。地基与基础震害会使桥梁发生坍塌,给震后修复工作带来困难。

5.梁的震害梁的震害主要是有桥台震害、桥墩震害、支座震害等引起的,其主要表现为主梁坠落,这也是最严重的震害现象。

5桥梁抗震加固技术

加固原则,简单来说,就是通过一定的措施使构件乃至整个结构的承载能力及其使用性能得到提高,以满足新的要求。桥梁维修加固应注重四大原则:桥梁加固是种借加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力或通过能力的措施。故桥梁维修加固时.应以不更改原有建筑形式为原则,只有在复杂情况下,才能更改其结构。桥梁维修加固时存在多种不同方式,据服役桥实际情况、承载能力的减弱程度和今后任务,而采用相应恰当的维修加固方式。桥梁的加固多有四种方式:扩大或增加原有结构构件截面.以提高原结构的强度和刚度;用新的结构代替服役的应力不够的结构:改变原结构的受力体系,使原结构减少受力;对原结构施加外应力,来改变原结构的受力图形,并提高桥梁刚度和强度。连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应,利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的。在伸缩缝、铰和梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块、连梁装置或者增加支承面宽度等措施,以防止落梁震害的发生。针对支座及支撑连接件的震害,目前的做法是增加支承面宽度和在简支的相邻梁间安装纵向约束装置,或者增加支承面宽度。对于下部结构震害,应通过能力设计和延性设计,提高其抗弯延性和抗剪强度,防止桥墩弯曲和剪切震害,增加其耗能能力,使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位。目前桥墩加固的主要技术有:混凝土加大截面加固方法,钢板外包加固法,钢纤维混凝土加固法,复合材料、玻璃纤维、碳素纤维加固法等。对无筋混凝土结构,有可能产生脆性破坏,需要寻求结构上的抗震加固对策。可采用混凝土衬套方法和钢板衬套方法使衬套与既有的桥墩结合成一个整体。

具体方法:从桥梁加固的部位来分,桥梁可分为上部结构加固、下部结构加固。桥梁上部结构加固有常用方法有:加大截面法、粘贴加固法、体外预应力加固法、增加辅助构件法和体系转换法等。桥梁下部结构加固常用方法有:扩大基础加固法、高压旋喷注浆加固法、钢筋混凝土套箍及外包钢板等。

要说明的是,这些加固方法的应用有的并不是单一的,必须根据实际情况来选择加固的方法或者相互结合使用,并且在这些方法的使用之前,必须先将桥梁的裂缝、麻面等病害处理完之后方才进行加固。对于不同的损伤,应有针对性的在详细评价的基础上,按延性设计和能力设计的要求对桥梁实行抗震加固以提高桥梁结构的抗震性能。

桥面补强层加固法

在梁顶上加铺1层钢筋混凝土层, 一般先凿除旧桥面使其与原有主梁形成整体从而增大主梁有效高度改善桥梁荷载横向分布达到提高桥梁承载能力的目的, 该方法的缺点在于凿除桥面铺装时一般无法采用机械化施工手段全部作业需手工完成用工量较大工期较长并有可能对原结构造成一定的损伤。

适用性一般结合桥面铺装的大修工程进行,较少用于为提高承载能力而进行的加固。

增大截面及配筋加固法

当提高梁的强度刚度稳定性时常采用增大构件截面增加配筋的加固方法 ,此法是在梁底或侧面加大尺寸增配主筋提高梁的有效高度从而提高桥梁的承载力。适用性广泛用于梁桥拱桥刚架桥等的加固。

粘贴钢板加固法

采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固在混凝土结构的受拉面或其他薄弱部位 ,使钢板与加固的混凝土结构形成整体,提高承载力与耐久性该法具有不改变原结构尺寸,施工简单.技术可靠.短期加固效果好且工艺成熟等优点是近几年应用较多的加固方法。

适用性宜用于大型结构及大跨结构,不宜用于配筋较密且钢筋走向复杂的构件结点处。

体外预应力加固法

采用对钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板的受拉区施以体外预应力进行加固以抵消部分自重应力可较大幅度地提高梁的承载能力,该法的优点是在自重增加很小的情况下能大幅改善调整原结构的受力状况提高刚度及抗裂性, 由于自重增加小减小了对墩台及基础受力状的影响可节省对墩台及基础的加固量。

适用性可在不限制通行的条件下进行加固施工既可作为桥梁通过重车的临时加固手段也可作为永久提高承载能力的措施但需重视加固后体外预应力筋的防腐问题

锚喷混凝土加固法

借助高速喷射机械将新混凝土混合料连续喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上,经凝结硬化而形成钢筋混凝土从而增大桥梁的受力断面和钢筋用量加强结构的整体性使其能承受更大的外荷载作用。适用性适用于桥台、桥墩、梁桥板的加固。

增设纵梁加固法

在墩台地基安全性能好,并具有足够承载能力的情况下,可采用增设承载力高和刚度大的新纵梁使新旧梁相连接共同受力,由于荷载在新增纵梁后的桥结构中重新分布使原有梁中所受荷载得以减少。

适用性一般结合桥梁的拓宽工程进行并需做好新旧梁的横向连接一般不单独采用。

粘贴碳纤维布板加固法

粘贴碳纤维是一种新型高效的加固技术与传统加固技术,相比具有轻质高强耐腐蚀性和耐久性强施工便捷结构影响较小等优点,因此广泛应用于国内外结构加固。适用性该技术具有十分突出的优点虽然材料价格相对较高但具有广阔的应用前景。

总之根据桥梁病害特点因病施治采取多种加固办法对危旧桥梁进行综合改造是当务之急上述维修加固技术各有其优缺点和适用性在很多时候需要结合使用。我国的桥梁抗震加固仍旧处于依靠经验性方法解决加固问题的阶段,而对哪些桥梁可能会在地震中损坏、倒塌尚缺乏科学依据。对此,应充分吸收国外已有的研究成果,特别是美国和日本的相关标准,针对我国桥梁的实际情况,开展必要的试验研究和理论分析工作。以更好的实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分级设防标准,确保公路工程各结构具有足够的抗震安全度,使公路交通成为安全、可靠的“生命线工程”,降低公路抗震的设防成本。