大跨度桥梁抗震设计措施探讨

2022-09-10

地震是地球内部的突然震动, 它起因于构造运动或者火山活动, 并且产生弹性。这种地震波通过地球传播, 常在地球表面引起破坏性震颤。一旦某地发生地震, 当地的地面和所有建筑物都会受到破坏性影响。提高大跨度桥梁抗震功能, 必须设计完善的抗震结构与加固方案。本文将简析大跨度桥梁抗震设计问题, 论述大跨度桥梁抗震结构设计方案, 并探索提升大跨度桥梁抗震能力的措施。

一、大跨度桥梁抗震设计问题

大跨度桥梁抗震设计难度通常远远高于中小跨度的桥梁, 因为桥梁的跨度越大, 桥梁对不同级别的地震的反应越复杂。地震波分为横波与纵波, 这两种地震波对桥梁的影响不同。而且, 一般来说, 震动强度距离震中距离越远就越小, 但是对地面的地质状况影响很大, 必然也会殃及桥梁。而目前我国桥梁抗震结构设计方案大多只针对中等桥梁, 对于大跨度桥梁抗震结构设计缺乏足够的重视, 《公路工程抗震设计规范》中也指出桥梁抗震设计的基本原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”, 这一原则并不全面, 没有明确规定确保大跨度桥梁的完好无损, 尚未细分如何设计大跨度桥梁抗震结构的有效方法。

二、大跨度桥梁抗震结构设计方案

抗震结构起源于英文earthquake-resistant structure, 是为了防止受到地震或者剧烈震动时建筑物全面倒塌、保全生命并减少损失的建筑结构设计。地震产生侧向与垂直向的力, 要处理这些随机且突如其来的运动是一项错综复杂的任务, 现仍在初级阶段。抗震结构利用几种方法组合来吸收并消散地震造成的运动, 即阻尼降低结构的振幅, 使用具备延展性的材料, 通过加劲角钢抵抗侧向荷重, 并允许建筑物各区域略微独立移动。其中, 阻尼降低结构的振幅使用了物理原理, 阻尼 (damping) 在物理学中指应能耗散使机械震荡、噪声、交流电之类的震动所受到的遏制。阻尼借助空气的摩擦会阻挠运动并转移系统的能量, 在大跨度桥梁中安装调频阻尼器和阻尼避震器就可以转移并耗散地震所释放的能量, 减轻地震对桥梁的损伤。

桥梁设计中所使用的具备延展性的材料以具备一定塑性变形的优质钢为主, 这种材料可以保护桥梁结构及其构件, 维护桥梁的稳定性, 确保桥梁在地震中不会倒塌。而且, 为桥梁加劲角钢和斜梁拉筋可以增强桥梁对来自侧向与纵向震动的抵抗能力, 桥梁各区域能够略微独立移动则能够保证桥梁不会因为严重的非弹性变形而被破坏。另外, 中国现存最早的大跨度石拱桥赵州桥的结构设计也有值得借鉴的方案, 赵州桥全长50.82米, 桥面宽为10米, 主拱跨径37.02米, 拱圈矢高7.23米, 弧形平缓, 拱圈由28条并列石条组成, 上设4个小拱, 可以减轻重量、排洪, 耗散来自地震的压力。而且, 赵州桥所采用的坦拱和敞肩拱等工艺也值得当代桥梁建设采纳。

三、大跨度桥梁抗震能力的措施

加固大跨度桥梁, 优化桥梁的抗震功能, 可以综合采用五种方法, 即喷射混凝土、运用锚杆支护、挂钢筋网、采用钢支撑和用导管注浆支护。为桥梁表面喷射混凝土可以使整座桥梁从内到外能够很好的镶嵌与咬合, 增加桥梁的密度以及黏结性, 以此来起到避免桥梁出现裂缝和组成松动的作用, 更重要的是防止在桥梁在地震过程中发生严重的坍塌现象。使用锚杆支护的目的是防止桥梁因为风吹日晒、长期使用、雨雪侵蚀以及跨度过大而加大裂缝, 甚至出现桥梁变形, 抗震、抗压功能降低。

锚杆支护是通过向桥梁内部结构加固锚杆而加强内部结构的稳定性。它的使用原理是将之前的二维应力转为三维甚至多维的受力面, 从而防止桥梁内表面的硬度的弱化以及受外部因素影响而产生的倾斜、变形甚至坍塌。它的主要作用是防止桥梁因剧烈的地震而发生倒塌。另外, 采用悬吊式的锚杆支持就可以减轻桥梁内表面的不稳定性, 同时在桥梁跨度偏小或者呈水平状的部位使用组合梁式的锚杆设计可以有效的增加桥梁结构的稳定性。但是, 锚杆式的支护方法虽然可以有效加大桥梁内层表面的稳定性, 但是在锚杆之间的缝隙较大, 因此会在一定程度上滋生裂缝, 使用挂钢筋网的支护方法就可以弥补锚杆式的缺陷, 从而使得较为松散的桥梁组合材料能够有效整合到一起, 弥补施工裂缝的缺陷, 从外部施加压力, 防止桥梁因为施工缝过大而抗震能力下降。

钢支撑的支护方法的适用性较强, 既可以弥补由于雨水的冲刷而造成的无法使用喷射混凝土和锚杆支护缺陷, 也可以为在新桥梁提供有力的安全保护, 同时, 对于已经出现坍塌迹象的桥梁, 也可以使用此方法进行加固。

导管注浆支护的方法与锚杆的作用类似, 它的作用是支撑桥梁纵向上的结构的稳定性, 主要是用于跨度过大、过弯的部位与钢支撑未达到的部分, 并起到有力的纵向压力支撑的作用。通过使用导管灌注砂浆加大锚杆与钢丝网之间的咬合度, 从而进一步的增加桥梁结构的稳定性, 避免桥梁因为剧烈的震动而出现坍塌迹象。