桥梁抗震设计与加固技术探讨

李 影

（江苏纬信工程咨询有限公司，江苏 南京 210014）

作为地震多发的国家之一，我国许多地区时常出现地震灾害，给当地建筑物、构筑物等基础设施以及人身安全造成了很大的影响。特别是桥梁作为确保交通正常运输的基础，常常在地震灾害下受到严重破坏，所以必须要采取有效的抗震设计策略，以及必要的加固技术。在这样背景下，对桥梁抗震设计的策略以及常用的加固技术进行探讨具有重要的现实意义。

1 桥梁抗震设计的必要性

我国是一个地震多发国家，地震会给当地基础设施、人民生命安全等带来严重危害。其中桥梁是地震灾害下开展抢险救灾，重建家园的重要保障，其结构稳定性至关重要。但是在地震作用下，桥梁结构却非常容易因为设计不合理等原因而遭到破坏，如落梁破坏、墩柱破坏、盖梁破坏、桥台沉陷、节点破坏等等，并且这几种桥梁结构破坏彼此之间是相互影响的。比如，在桥梁结构设计中如果采取了“头重脚轻”这一结构形式，那么容易在地震作用下因为弯曲或剪切强度不足等造成墩柱破坏，进而可能会诱发落梁乃至整个桥梁结构倒塌。此外，不同抗震措施与地质条件下所造成的桥梁结构破坏类型及程度等也不相同。在强烈地震作用之下，桥梁结构整体会受到地震作用的影响，所以为了最大程度减少地震作用对桥梁结构带来的不利影响，对大跨度桥梁或不规则桥梁等进行抗震设计，力求最大程度提升桥梁结构抗震性能，保证桥梁结构不会在地震作用下受到严重破坏。

2 桥梁抗震设计的有效策略

2.1 优化桥梁抗震总体设计

在桥梁抗震设计期间，先是对总体设计进行优化。首先，合理选择桥梁建设地址。一般需要保证桥梁建设场地的土质具有良好的承载性与坚硬性，避免现场存在软土地基，保证桥梁结构在地震作用下不会造成地基失效问题，如粘土地基、人工填土或者存在松散的粉细砂等地区都不适宜为桥梁工程建设的区域。而比较理想的区域主要以硬粘土地基、基岩以及碎石类的地基等坚实度比较好的地基为主。其次，在确定桥型时需要综合考虑桥梁工程建设现场的地形和地质条件、桥梁工程规模以及地震灾害防治经验等，优先选择便于进行维修、加固且合理经济的桥梁结构形式。比如，型钢混凝土结构本身具有质轻、跨度大以及减震效果好等应用特征，成为桥梁抗震设计中比较重要的一种桥型结构型式。最后，针对桥孔的设置，要采取等跨设置方式来改善其抗震性能，同时要避免大跨和高墩二者结合；并且选择质量与刚度分布均匀，自重较轻且比较简单的体型，相应的重心也要尽可能降低，这样不仅可以改善其抗震性能，也有利于更便捷地开展施工。如果桥梁位于地震作用下容易诱发泥石流的沟谷区域中，桥下净高与孔跨都需要结合流域之内的地质和地形条件等来进行综合考虑，必要的时候可以适当地做加大处理。

2.2 增强桥梁体系的规则性

桥梁结构体系的规则性会对整体桥梁结构的稳定性带来极大影响，进而会影响地震作用下桥梁结构的可靠性，所以在桥梁结构抗震设计过程中要保证其规则性，尤其是上部桥梁结构要保持良好的连续性。如果桥梁结构体系的规则性比较好，那么可以避免地震作用下桥梁的结构或非结构构件出现掉落问题，最大化提升桥梁结构空间布置的合理性。这就需要在设计桥梁结构期间在立面或平面上的设计中都要保持结构在几何尺寸、刚度与质量分布上做到规整的同时，还应保持良好的对称性与均匀性，避免发生结构突变问题，否则都会对桥梁结构体系规则性带来不利影响。比如，在桥梁结构设计中，除了对桥墩、桥跨度等进行合理设计外，还要保证整体桥梁结构设置的对称性，如图1所示的桥梁以中间跨为对称轴，可以保证左右两部分结构保持良好对称性，这样可以更好地提升桥梁结构稳定性。

图1 某三跨桥桥梁结构示意图

2.3 提升桥梁结构使用性能

地震作用下桥梁结构会受到复杂的地震作用力，这样容易破坏桥梁结构，影响其使用性能。所谓的桥梁结构使用性能，主要是指桥梁结构或者桥梁构件的延性与强度等，它们直接决定着整个桥梁结构设计的稳定性与可靠性，要高度重视提升桥梁结构的延性、强度等使用性能。在地震发生后，地震波会使桥梁结构出现振动破坏，严格控制从地基传入桥梁结构的振动能量，该值越小越能够保证桥梁结构稳定性。与此同时，要提升桥梁结构的延性、刚度与强度等，避免它们在过大地震力作用下受到严重破坏。在不对刚度及重量进行改变的情况下，通过对桥梁结构的总体延性与强度进行提升也是非常有效的抗震设计举措。通过改善桥梁结构的刚度，可以对地震作用下的桥梁结构变形情况进行有效控制；而桥梁结构延性与强度也会直接影响桥梁结构抗震性能，尤其是地震作用下的作用力是具有周期性的，在桥梁结构设计中要考虑周期反复作用下的结构强度或刚度退化效应。比如，针对桥梁单墩结构设计，为了提升桥墩结构的延性，避免其在过大地震作用下出现延性破坏，可以按照如图2所示的单墩模型结构来科学设置一些弹性支座，保证可以更好地改善相应结构部位的弹性变形性能，避免其出现延性破坏。又或者通过扩大桥梁结构的截面及配筋率来改善钢筋混凝土结构的强度，使其可以在地震作用下更好地保持稳固，避免其在地震作用下出现失稳破坏而造成桥梁结构破坏。

图2 基于弹性支座的桥梁结构设计

2.4 采取多道抗震设防设计

单一的结构设计无法有效保障地震作用下整体桥梁结构的稳定性，如果可以采取多道设防的方式则可以借助层层抵御地震作用的方式来更好确保桥梁结构稳固性，力求借助前几层防护体系的屈服作用来充分耗散或吸收地震作用下的冲击能量，那么最后一道抗震防线就能更好地提升结构抗震性。如此一来，借助层层抗震防线设计可以更好地确保桥梁结构整体的稳定性与安全性。

3 桥梁抗震设计中常用的加固技术

3.1 桥面补强层加固技术

在加固桥面期间借助补强层设置可以改善桥面的承载性，应用中需要首先清理掉原有桥梁桥面的铺装并进行凿毛处理，之后再在上面铺设一层厚度适宜的补强层。该种加固技术除了可以提升桥梁主梁结构的有效高度，也能够改善其横向荷载分布性能，尤其是显著改善单根梁柱结构乃至整体桥梁结构承载性能。但是这种加固技术需要采取人工作业方式，整体的工作量比较大，且耗时比较久，加之人工控制难度比较大，所以非常容易损坏原有的桥梁结构。

3.2 扩大结构截面加固技术

针对桥梁中的混凝土结构，通过适当扩大结构的横截面积，可以显著增强其强度，确保整体结构稳定性。比如，可以对桥梁面板进行加厚，或者可以对桥梁主梁的梁肋宽度进行增加来改善其承载性，保证其在地震作用下依旧保持很好的稳固性。该种加固技术应用中需要保证下部桥梁结构本身的承载性比较高，否则可能会因为上部荷载过大而危及桥梁结构本身的稳定性。

3.3 外粘加固材料加固技术

为了改善桥梁结构的稳固性与承载性，避免其在过大地震力作用下出现破坏，外粘加固材料也是比较多用的一种加固技术。而常用的加固材料主要包括钢板、FRP材料等等，这种加固技术本身的施工操作便捷，工作量比较小，且不会对原有桥梁结构造成破坏。其中钢板加固中需要借助粘结剂在加固的构件部位处粘贴钢板如图3所示，使其可以和桥梁结构同时受力，以此改善整体桥梁结构的刚度与承载性。而FRP材料本身是采用弹性与强度等性能优异的复合型纤维材料，粘贴到桥梁当中用混凝土进行填充的结构及构建，使它们构成一体之后来共同承受外部荷载。

图3 桥梁结构外粘钢板

3.4 预应力加固技术

小体积的桥梁结构涉及到比较少的用量，并且各项指标在地震作用下可能无法满足抗震规定及要求，通过附设一些钢质杆来提前对桥梁结构预设预紧力，从而加固桥梁结构。通过有效应用预应力加固技术，可以对桥梁结构的抗裂性、刚度乃至承载性等进行显著改善。而其中所用到的钢质杆根据使用方式的不同可以分为拉杆和撑杆两种类型。针对那些在承受荷载作用下出现变弯的桥梁结构，可以借助设计拉杆的方式对桥梁结构本身施加一定的拉力来抵消掉一部分桥梁结构本身的自重作用力，以此可以降低通车过程中桥梁结构所承受的荷载，改善桥梁结构本身的抗裂性能，延长它们的使用年限。而撑杆主要设置于桥梁下端部位处，主要是对桥梁的轴心墩柱进行支撑，有效改善整体结构的承载性。

3.5 裂缝修补加固技术

在现阶段许多服役的桥梁中，由于年久失修或者其他原因，都或多或少出现了一些病害，裂缝就是最为常见的一种病害，会对整体桥梁结构稳定性带来不利影响，甚至可能会因为钢筋混凝土内部钢筋锈蚀而逐渐出现结构破坏问题，最终可能会使桥梁结构出现坍塌破坏。而在桥梁结构出现裂缝后，可以采取孔道灌浆施工技术来开展及时修补，保证防范裂缝的出现，从整体上确保结构的稳固性。

4 结束语

总之，抗震设计是桥梁结构中不可或缺的设计要素，关系桥梁结构整体安全性与稳固性。在桥梁抗震设计期间，要注意优化桥梁抗震总体设计，增强桥梁体系的规则性，提升桥梁结构使用性能以及采取多道抗震设防设计提升整体结构设计效果。与此同时，要结合桥梁结构的现况，灵活选用裂缝修补加固技术、预应力加固技术等一些加固技术来对桥梁结构进行加固，保证从整体上提升桥梁结构稳固性。