浅谈简支梁桥的抗震加固设计
2015-07-09
简支梁桥震害的破坏形式及震害原因分析
（一）简支梁桥震害的破坏形式
1、上部结构破坏
对于梁式结构由于地震效应造成结构本身的破坏在报道中见的不多。梁式结构破坏多是在地震作用下支撑连接构件破坏或下部结构失效导致的落梁。而落梁对墩台侧壁的撞击又对下部结构造成破坏。
2、下部结构破坏圬工
下部一般出现倾斜、倒塌、开裂破坏。钢筋混凝土结构会出现轻微开裂、保护层混凝土剥落、纵向受力主筋压曲，截面变化处核心混凝土压碎等。
3、基础破坏
扩大基础和桩基的承台因本身刚度比较大，自身震害极少见。多是地基发生沉降、滑移造成基础变位。桩基础却有发生剪断、倾斜的破坏。
（二）震害原因
1、地基土的影响
由于地基土(如饱和粉细纱和饱和粘沙土)的地震液化影响，同样加大了地震位移的影响，进而放大了结构的振动反应，使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时，则使桩基的承载力降低，从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移，而简支梁桥对此尤为明显。另外，由于地基软弱，地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜，下沉等严重变形，进而导致结构物的破坏，震害较重。
2、支座破坏
在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，导致了支座发生过大的位移和变形，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进而对结构的其他部位产生不利的影响。
下部结构缺陷
由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力，导致结构下部的开裂、变形和失效，甚至倾覆，并由此引起全桥的严重破坏。
简支梁桥抗震设计的思想
（一）抗震概念设计
由于地震的发生存在不确定因素和复杂因素，同时结构计算模型需要假定结果且与实际情况存在较大差异，以致“计算设计”在一定程度上较难控制结构的抗震性能，因此，对于结构抗震设计来说，不能完全依赖计算，“概念设计”其实比“计算设计”更加重要。而良好的“概念设计”将直接影响着结构抗震性能。良好的“概念设计”必须是，在设计桥梁方案阶段应根据功能要求、静力分析和桥梁的抗震性能等取舍抗震结构体系。
在抗震概念设计时，应重视上、下部结构连接部位和过渡孔处连接部位的设计及塑性铰预期部位和桥墩形式的选取；应对动力特性进行简单的分析、对地震反应进行评估，接着结合结构设计对结构的抗震薄弱部位、构造设计及是否能通过配筋等进行进一步地分析。以分别保证桥梁结构的经济性、抗震安全性和在桥址处的场地条件下所选择的结构体系是良好的结构体系。最后，应根据分析结果对抗震性能的优劣进行综合性评判，再决定是否对设计方案进行修改。
（二）延性抗震设计
简支梁桥的抗震延性设计主要是反复进行以下两项工作：
仔细地对预期会出现的塑性铰部位进行配筋设计；
为保证抗震安全性应分析并验算整个桥梁结构的抗震能力这两个阶段，直到通过抗震能力验算。
（三）桥梁减、隔震设计
此设计可以较好地提高桥梁抗震能力，并且具有简便、先进、经济等优点。此种设计的装置主要是通过对结构的能量耗散能力的增大或者增大结构主要振型周期使其落在能量较少的范围内两种措施使结构地震反应减少。在进行减、隔震设计时应充分结合结构特点和场地地震波频率特性，选用适合的设置方案、相应参数、及减隔震装置，并对结构的受力和变形进行合理地分配。
简支梁桥抗震设计及加固的要点
（一）抗震设计要点
1、利用桥墩延性减震
利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。
在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正。桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响，其理论依据是，当结构进入塑性阶段时，地震荷载可以比弹性结构的地震荷载折。结构综合影响系数主要考虑了这一因素。
对常规的简支桥梁结构应加强桥面的连续构造，以及需提供足够的加固宽度以防止主梁发生位移落梁，另外还应适当的加宽墩台顶盖梁及支座的宽度，并增设防止位移的隔挡装置。
在地震区的桥梁结构以采用跨度相等、每联连续跨内下部墩身刚度相等为宜。跨度不均，墩身刚度不等极易发生震害，这已经为国内外许多震害所证实。对各墩高度相差较大的情况可采用调整墩顶支座尺寸和桩顶设允许墩身位移的套筒来调整各墩的刚度，以便使之刚度尽量保持一致。
对高烈度区的桥梁设计应在纵向设置一定的消能装置，如采用减、隔震支座(如聚四氟乙烯支座、迭层橡胶支座、铅芯橡胶支座等)以及在梁体和墩台的连接处增加结构的柔性和阻尼以便共同受力和减小水平桥梁荷载。
墩柱设计中应尽可能的使用螺旋形箍筋，以便为墩柱提供足够的约束。另外墩身及基础的纵向钢盘伸入盖梁和承台应有一定的锚固长度以增强连接点的延性，并且，桥墩基脚处应有足够的抵抗墩柱弯矩与剪切力的能力，不允许有塑性铰接。
6、桥梁位置应选在良好和稳定的河段，如果必须在稳定性差的软弱场地上河段通过时，应尽量采用桥梁中线与河流正交，这样即使地震产生河岸滑移，影响也较小；若采用斜交，地震时极易产生河岸向河心滑移，会使桥梁随之发生错动或扭转破坏。
另外，应注意在主河槽与河滩分界的地形突变处，应尽量避免设墩，否则应予以加强措施以减免滑移。
（二）加固设计的要点
1、维护结构连接件
当支承连接件不能承受桥梁上、下部结构产生的相对位移时可能会失去相应的作用，并导致梁体坠毁。而这种情况往往都是由施工单位和养护单位在桥梁支承连接件的性能质量的重视度不够所引起的。因此，我们应定期对桥梁支座、伸缩缝等连接构件进行维护。在国内目前采用较多的维护方法有采用挡块、连梁装置等安装于伸缩缝等上部接缝处；安装限位装置于简支的相邻梁间；为耗散作用于机构的地震能量增加耗能装置及减隔震支座；增加支承面的宽度等措施。此外，在桥梁使用期间定期检查并维护支座时应随时清除伸缩缝内的杂物。
2、加固上部结构
加固上部结构主要有粘贴钢板加固法、增大截面加固法和结构体系转换法。粘贴钢板加固法主要在梁板桥的主梁底部出现严重横向裂缝时使用。在粘贴钢板、钢筋或纤维时应特别注意粘贴位置，即粘贴位置应尽量远离中性轴加固区。同时还应注意黏结剂的性能以保证锚固的可靠性；增加截面加固法主要是增设钢筋在桥梁下部以提高主梁的抗弯能力。同时，如果增设的钢筋较多可考虑将主梁下部的截面面积增大以避免超筋构件的出现。
另外，应设置锚固筋、传力销、剪力键等可靠的连接物在新老结构材料之间以避免增加的重量破坏原截面；结构体系转换法主要指将可承受负弯矩的钢筋设置在简支梁的梁端，使相邻两主梁连起来就可形成多跨连续梁，进而达到提高桥梁承载力的目的。
3、加固下部结构
下部结构的加固主要有柱罩、填充墙、连梁、加固支座、加固帽梁、桥台和加固基础等措施。填充墙具有提高柱的横向能力和限制柱的横向位移等特点，可用于多柱桥梁；连梁可提高混凝土排架的横向能力。连梁可置于排架底部标高处替代墩帽，也可置于地面标高和排架底部标高之间的某个位置以调整特定排架的横向刚度；一直以来支座都是地震中受损最容易的部位，而为加固支座现在一般都采用隔震支座加固桥梁的方式，此外还有用铅芯橡胶支座或者缆索与弹性支座配套使用代替弹性支座的方法。
结语
综上，简支梁桥结构有效的抗震和加固措施还有许多,因此我们在桥梁设计过程中只要认真分析和了解结构的地震反应和特性,精心设计并采取一系列有效的抗震措施,我们不但可以很好地达到结构的防震和抗震效果,同时对提高和完善桥梁结构物的各项功能性、经济性和社会效应性同样是有益的。
