寶天高速公路麥積山互通式立交大橋震后加固方案研究

趙立

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

寶天高速公路麥積山互通式立交大橋震后加固方案研究

趙立

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

以寶天高速公路麥積山互通式立交大橋的震后加固設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)震害的調(diào)查和原因分析研究，針對(duì)大橋震后蓋梁開裂問題，分析形成的原因，對(duì)橋梁加固方案多方面研究分析，最終確定合理可行的橋梁加固方案。

加固設(shè)計(jì)；震害；蓋梁開裂；橋梁加固方案

1 概述

寶天高速公路麥積山互通式立交大橋采用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，左右幅橋分別布設(shè)。左幅橋布孔形式為7×21.3 m（鋼筋混凝土連續(xù)箱梁）+3×（5×25 m）（預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）的連續(xù)結(jié)構(gòu)。右幅橋布孔形式為7×25 m（預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）+4×20 m（鋼筋混凝土連續(xù)箱梁）+7×25 m+4×25 m（預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁）的連續(xù)結(jié)構(gòu)。橋墩采用鋼筋混凝土獨(dú)柱式矩形墩，20號(hào)橋墩采用鋼管混凝土獨(dú)柱墩。橋臺(tái)為肋板式橋臺(tái)。

2 震害情況

2008年“5·12”汶川特大地震災(zāi)害中，寶天高速公路麥積山互通立交大橋墩身、蓋梁個(gè)別部位出現(xiàn)了不同程度的裂縫。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，下行線2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)、12號(hào)、16號(hào)、17號(hào)橋墩墩頂蓋梁主要在凸榫部位局部出現(xiàn)了裂縫，裂縫最大長度約2.2m，檢測(cè)點(diǎn)裂縫寬度最大值約為2.9 mm，向下延伸的裂縫寬度最大點(diǎn)檢測(cè)其裂縫深度為11.8 cm。上行線7號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、18號(hào)橋墩墩頂蓋梁主要在凸榫部位局部出現(xiàn)了裂縫，裂縫最大長度約2.6 m，檢測(cè)點(diǎn)裂縫寬度最大值約為5.0 mm，向下延伸的裂縫寬度最大點(diǎn)檢測(cè)其裂縫深度為12.1 cm。沿蓋梁頂部也出現(xiàn)了貫穿蓋梁的裂縫。

3 震害原因分析

3.1 墩梁連接剛度較弱

彎梁橋在溫度力、混凝土收縮徐變作用下，不僅發(fā)生縱向移動(dòng)，還發(fā)生橫向較大的爬移，為滿足縱橫向變形的要求，設(shè)計(jì)中中間墩選用各向變形一致的圓板式橡膠支座，聯(lián)端橋墩選用雙向滑板式橡膠支座。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，基頻為梁體與墩相對(duì)橫向反對(duì)稱移動(dòng)，在地震激勵(lì)下是極易發(fā)生變形的，本橋所有聯(lián)端墩出現(xiàn)擋塊破損，即為梁體與橋墩發(fā)生相對(duì)反對(duì)稱移動(dòng)與橫向防落梁擋塊發(fā)生碰撞而引起。中間墩較集中出現(xiàn)在右幅7～25 m一聯(lián)，即本次重點(diǎn)分析的一聯(lián)，是由于本聯(lián)聯(lián)長較長，橋面較寬，且整體位于圓曲線上，橫向位移及質(zhì)量較大所致，而其他聯(lián)中也大多發(fā)生在橋面較寬和平面線形復(fù)雜處。即本次發(fā)生的撞擊局部破損是由結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，可進(jìn)行修復(fù)處理。

3.2 地震激勵(lì)方向以橫橋向?yàn)橹?/p>

汶川地震的地震波傳播方向?yàn)槟媳毕颍斐蓸蛑诽幍卣鸩ㄒ詸M橋向激勵(lì)為主。根據(jù)Elcentro波時(shí)程分析結(jié)果，如圖1所示，地震波橫向激勵(lì)作用下，聯(lián)端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了較大的加速度，即橫向地震力作用下，梁段發(fā)生橫向變位移動(dòng)。Elcentro波橫向激勵(lì)作用下時(shí)，在無約束的條件下最大橫向位移可達(dá)9.9cm。

4 地震響應(yīng)分析

4.1 抗震計(jì)算模型

全橋動(dòng)力分析采用MIDAS空間分析軟件進(jìn)行，并利用SAP2000軟件進(jìn)行復(fù)核。首先進(jìn)行了模態(tài)分析，然后利用模態(tài)分析成果進(jìn)行抗震分析。計(jì)算中運(yùn)用了子空間迭代法將逆迭代法和瑞雷-李茲法相結(jié)合求解系統(tǒng)特征值低階振型和頻率，并保證振型貢獻(xiàn)率達(dá)到95%以上。

4.2 地震荷載組合

特征值計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)前100階振型計(jì)算，質(zhì)量分布采用一致質(zhì)量法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析考慮水平方向和豎直方向的組合，采用CQC組合法，組合情況如下：

組合1：Ci×Cz×（水平縱向激勵(lì)+1/2豎直方向激勵(lì)）

組合2：Ci×Cz×（水平橫向激勵(lì)+1/2豎直方向激勵(lì)）

其中：Ci為重要性修正系數(shù)，取Ci=1.7；Cz為綜合影響系數(shù)，取Cz=0.3。

4.3 反應(yīng)譜分析

不同地震動(dòng)峰值加速度作用下計(jì)算了典型截面的地震響應(yīng)，振型空間組合采用CQC振型組合法，通過計(jì)算與分析，14號(hào)墩為最不利墩，墩身及墩頂支點(diǎn)截面為控制截面。主梁及墩身最不利截面組合內(nèi)力見表1。

表1 最不利截面組合內(nèi)力表（動(dòng)峰值加速度0.15 g）

本次地震特點(diǎn)為南北向橫橋向激勵(lì)為主，橋址處地震動(dòng)峰值約0.15 g（參照附近實(shí)測(cè)資料），相當(dāng)于“三級(jí)設(shè)防”概念中的中震，為了貫徹“三級(jí)設(shè)防”理念，并基于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震思想，結(jié)合本次地震特點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)0.15 g（中震）的動(dòng)峰值加速度進(jìn)行檢算，根據(jù)表格中計(jì)算結(jié)果，通過檢算，最不利截面偏壓受力狀態(tài)下設(shè)計(jì)荷載：N=-8 960.9 kN，M=10780.9 kN·m，容許承載力〔N〕=-9 570 kN,大于-8 960.9 kN，結(jié)構(gòu)滿足承載要求。

4.4 地震響應(yīng)時(shí)程反應(yīng)分析

4.4.1 地震波選取

計(jì)算中選用Elcentro波，加速度波形中南北分量最大峰值加速度為0.33 g，其記錄的主要周期范圍為0.25～0.60 s，譜最大加速度為0.88 g，動(dòng)力放大系數(shù)為2.689。加速度反應(yīng)譜主峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期為0.55 s。受汶川地震影響，橋址處實(shí)測(cè)地震動(dòng)峰值加速度最大達(dá)0.15 g（參照附近實(shí)測(cè)資料），因此，根據(jù)實(shí)際地震參數(shù)將Elcentro波進(jìn)行修正，修正后的Elcentro波如圖1所示。

圖1 修正后的Elcentro波波形曲線

4.4.2 時(shí)程分析結(jié)果

地震響應(yīng)時(shí)程反應(yīng)分析法采用節(jié)點(diǎn)多自由度的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型建立地震振動(dòng)方程，然后采用逐步積分法對(duì)方程進(jìn)行求解，計(jì)算地震過程每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度反應(yīng)，計(jì)算結(jié)果可以較真實(shí)地反映地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。縱橋向、橫橋向和豎橋向激勵(lì)下主梁與橋墩控制截面內(nèi)力時(shí)程曲線如圖2～圖4所示。

圖2 縱向激勵(lì)墩頂梁支點(diǎn)截面彎矩時(shí)程曲線

圖3 橫向激勵(lì)墩頂梁支點(diǎn)截面彎矩時(shí)程曲線

圖4 豎向激勵(lì)墩頂截面軸力時(shí)程曲線

根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)果，地震波縱向激勵(lì)作用下，墩頂截面彎矩峰值為32 580 kN·m，若考慮彈塑性非線性效應(yīng)影響后，峰值為9 774 kN·m，與反應(yīng)譜結(jié)果10 780.9 kN·m接近，相互驗(yàn)證了時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果的可靠性。

5 麥積山互通式立交大橋地震受害后加固

通過對(duì)震害的調(diào)查和原因分析研究，麥積山互通式立交大橋震害主要為橫向撞擊所造成的局部破損，部分墩頂出現(xiàn)了不同程度的裂縫，為了確保大橋的正常使用與安全，必須對(duì)該橋進(jìn)行維修與加固。

5.1 加固方案比選

針對(duì)本橋震害情況及震害原因，提出了以下4種加固維修方案。

5.1.1 方案一

（1）裂縫封閉處理。裂縫封閉處理按照裂縫寬度分別選用鑿槽嵌補(bǔ)、壓力灌漿和涂膜處理。

（2）粘貼鋼板加固。粘鋼加固法是在混凝土構(gòu)件表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。將鋼板在墩頂環(huán)形封閉，由于各聯(lián)中間固定墩也承受較大的地震作用力，同時(shí)對(duì)中間墩墩頂與梁體連接處進(jìn)行粘貼鋼板加固（也可采用碳、芳綸等纖維材料）。

（3）加塞彈性緩沖設(shè)施。在聯(lián)端梁與梁、梁與背墻之間，橫向墩頂與梁體凸榫之間根據(jù)實(shí)際情況，選擇填塞橡膠塊、瀝青麻絮等彈性體以緩沖地震撞擊力。

5.1.2 方案二

在采取方案一的同時(shí)，為確保局部破損橋墩的承載能力，在保持橋墩厚度不變的條件下，將破損的Y形墩改為板式墩，同時(shí)增加新增部分的鋼筋數(shù)量，并采用植筋技術(shù)，將新老混凝土結(jié)合在一起，提高橋墩的整體性。

5.1.3 方案三

在采取方案一的同時(shí)，在所有墩頂增設(shè)減隔震擋塊，較好地抵抗強(qiáng)震作用下的縱橫向撞擊作用。

5.1.4 方案四

在采取方案一和方案二的同時(shí)，在所有墩頂增設(shè)減隔震擋塊，較好地抵抗強(qiáng)震作用下的縱橫向撞擊作用。加固方案比較見表2。

表2 加固方案比較表

通過以上4種方案加固效果的對(duì)比分析來看，方案四集前三種方案的優(yōu)點(diǎn)于一身，加固效果最優(yōu)，盡管造價(jià)最高，但是在恢復(fù)橋梁原有狀態(tài)的同時(shí)，可以更進(jìn)一步提高橋梁的抗震性能。綜上所述，推薦方案四為加固方案。

5.2 加固方案

5.2.1 裂縫封閉處理

對(duì)所有出現(xiàn)裂縫的蓋梁（全橋共有13個(gè)墩）進(jìn)行裂縫封閉處理，按照裂縫寬度的不同，采用不同的方法。首先對(duì)裂縫寬度大于3 mm的裂縫，沿裂縫鑿一條V形深槽，直至未破裂面；然后在槽內(nèi)嵌補(bǔ)甲基丙烯酸脂類化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑（甲凝）進(jìn)行修補(bǔ)；再對(duì)0.2～0.3 mm寬的裂縫采用注漿法修補(bǔ)；最后對(duì)所有出現(xiàn)小于0.2 mm的微小裂縫的面進(jìn)行涂膜處理，覆蓋所有細(xì)小裂縫。

5.2.2 粘貼鋼板與碳纖維布加固

通過采用礬-JGN型黏合劑將鋼板粘貼在自由墩墩頂，進(jìn)行環(huán)形封閉，使之形成共同受力的整體，從而提高橋墩整體剛度，改變?cè)Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，提高其承載能力。此外，由于各聯(lián)中間固定墩也承受較大的地震作用力，同時(shí)對(duì)中間墩墩頂與梁體連接處進(jìn)行粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。粘貼鋼板示意圖如圖5所示。

圖5 粘貼鋼板示意圖

5.2.3 加塞彈性緩沖設(shè)施

在聯(lián)端梁與梁、梁與背墻之間，橫向墩頂與梁體凸榫之間根據(jù)實(shí)際情況，選擇填塞橡膠塊等彈性體以緩沖地震撞擊力。

5.2.4 設(shè)置減隔震擋塊

通過在除固定墩以外的橋墩墩頂增設(shè)限位和減隔震裝置，完全避免梁墩之間的撞擊力，增加大震下各墩的聯(lián)合作用，以降低固結(jié)墩地震效應(yīng)并提高本橋超過預(yù)期地震時(shí)的抗震能力。減隔震擋塊示意圖如圖6所示。

圖6 減隔震擋塊示意圖

6 結(jié)語

（1）根據(jù)震后橋梁特點(diǎn)，建立震后橋梁調(diào)查工作程序，確定震后橋梁病害情況。

（2）通過建立抗震計(jì)算模型，對(duì)震害原因分析及地震響應(yīng)分析研究，確定橋梁結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的原因。

（3）對(duì)震后橋梁病害的加固方案進(jìn)行多方案對(duì)比分析，確定有效、合理、可行的加固方案。

（4）通過對(duì)麥積山互通式立交大橋“5·12”震后橋梁病害的分析研究，并對(duì)加固后橋梁多年以后震后病害的進(jìn)一步觀察，橋梁整體狀況良好，震后橋梁病害得到有效控制，震后加固方案取得良好效果。

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圖4 成橋?qū)嵕?/p>

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U445.7+1

B

1009-7716（2016）12-0071-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.021

2016-09-05

趙立（1975-），男，甘肅蘭州人，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。