宝天高速公路麦积山互通式立交大桥震后加固方案研究

2017-01-05赵立

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：麦积山墩顶桥墩

赵立

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

宝天高速公路麦积山互通式立交大桥震后加固方案研究

赵立

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

以宝天高速公路麦积山互通式立交大桥的震后加固设计为例，通过对震害的调查和原因分析研究，针对大桥震后盖梁开裂问题，分析形成的原因，对桥梁加固方案多方面研究分析，最终确定合理可行的桥梁加固方案。

加固设计；震害；盖梁开裂；桥梁加固方案

1 概述

宝天高速公路麦积山互通式立交大桥采用钢筋混凝土和预应力混凝土箱梁，左右幅桥分别布设。左幅桥布孔形式为7×21.3 m（钢筋混凝土连续箱梁）+3×（5×25 m）（预应力混凝土连续箱梁）的连续结构。右幅桥布孔形式为7×25 m（预应力混凝土连续箱梁）+4×20 m（钢筋混凝土连续箱梁）+7×25 m+4×25 m（预应力混凝土连续箱梁）的连续结构。桥墩采用钢筋混凝土独柱式矩形墩，20号桥墩采用钢管混凝土独柱墩。桥台为肋板式桥台。

2 震害情况

2008年“5·12”汶川特大地震灾害中，宝天高速公路麦积山互通立交大桥墩身、盖梁个别部位出现了不同程度的裂缝。根据检测结果，下行线2号、3号、7号、12号、16号、17号桥墩墩顶盖梁主要在凸榫部位局部出现了裂缝，裂缝最大长度约2.2m，检测点裂缝宽度最大值约为2.9 mm，向下延伸的裂缝宽度最大点检测其裂缝深度为11.8 cm。上行线7号、11号、12号、13号、15号、16号、18号桥墩墩顶盖梁主要在凸榫部位局部出现了裂缝，裂缝最大长度约2.6 m，检测点裂缝宽度最大值约为5.0 mm，向下延伸的裂缝宽度最大点检测其裂缝深度为12.1 cm。沿盖梁顶部也出现了贯穿盖梁的裂缝。

3 震害原因分析

3.1 墩梁连接刚度较弱

弯梁桥在温度力、混凝土收缩徐变作用下，不仅发生纵向移动，还发生横向较大的爬移，为满足纵横向变形的要求，设计中中间墩选用各向变形一致的圆板式橡胶支座，联端桥墩选用双向滑板式橡胶支座。

根据模态分析结果，基频为梁体与墩相对横向反对称移动，在地震激励下是极易发生变形的，本桥所有联端墩出现挡块破损，即为梁体与桥墩发生相对反对称移动与横向防落梁挡块发生碰撞而引起。中间墩较集中出现在右幅7～25 m一联，即本次重点分析的一联，是由于本联联长较长，桥面较宽，且整体位于圆曲线上，横向位移及质量较大所致，而其他联中也大多发生在桥面较宽和平面线形复杂处。即本次发生的撞击局部破损是由结构特点决定，可进行修复处理。

3.2 地震激励方向以横桥向为主

汶川地震的地震波传播方向为南北向，造成桥址处地震波以横桥向激励为主。根据Elcentro波时程分析结果，如图1所示，地震波横向激励作用下，联端节点产生了较大的加速度，即横向地震力作用下，梁段发生横向变位移动。Elcentro波横向激励作用下时，在无约束的条件下最大横向位移可达9.9cm。

4 地震响应分析

4.1 抗震计算模型

全桥动力分析采用MIDAS空间分析软件进行，并利用SAP2000软件进行复核。首先进行了模态分析，然后利用模态分析成果进行抗震分析。计算中运用了子空间迭代法将逆迭代法和瑞雷-李兹法相结合求解系统特征值低阶振型和频率，并保证振型贡献率达到95%以上。

4.2 地震荷载组合

特征值计算中考虑结构前100阶振型计算，质量分布采用一致质量法进行计算。结构的地震响应分析考虑水平方向和竖直方向的组合，采用CQC组合法，组合情况如下：

组合1：Ci×Cz×（水平纵向激励+1/2竖直方向激励）

组合2：Ci×Cz×（水平横向激励+1/2竖直方向激励）

其中：Ci为重要性修正系数，取Ci=1.7；Cz为综合影响系数，取Cz=0.3。

4.3 反应谱分析

不同地震动峰值加速度作用下计算了典型截面的地震响应，振型空间组合采用CQC振型组合法，通过计算与分析，14号墩为最不利墩，墩身及墩顶支点截面为控制截面。主梁及墩身最不利截面组合内力见表1。

表1 最不利截面组合内力表（动峰值加速度0.15 g）

本次地震特点为南北向横桥向激励为主，桥址处地震动峰值约0.15 g（参照附近实测资料），相当于“三级设防”概念中的中震，为了贯彻“三级设防”理念，并基于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震思想，结合本次地震特点，重点针对0.15 g（中震）的动峰值加速度进行检算，根据表格中计算结果，通过检算，最不利截面偏压受力状态下设计荷载：N=-8 960.9 kN，M=10780.9 kN·m，容许承载力〔N〕=-9 570 kN,大于-8 960.9 kN，结构满足承载要求。

4.4 地震响应时程反应分析

4.4.1 地震波选取

计算中选用Elcentro波，加速度波形中南北分量最大峰值加速度为0.33 g，其记录的主要周期范围为0.25～0.60 s，谱最大加速度为0.88 g，动力放大系数为2.689。加速度反应谱主峰点对应的周期为0.55 s。受汶川地震影响，桥址处实测地震动峰值加速度最大达0.15 g（参照附近实测资料），因此，根据实际地震参数将Elcentro波进行修正，修正后的Elcentro波如图1所示。

图1 修正后的Elcentro波波形曲线

4.4.2 时程分析结果

地震响应时程反应分析法采用节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程每一瞬时结构位移、速度和加速度反应，计算结果可以较真实地反映地震激励下结构响应情况。纵桥向、横桥向和竖桥向激励下主梁与桥墩控制截面内力时程曲线如图2～图4所示。

图2 纵向激励墩顶梁支点截面弯矩时程曲线

图3 横向激励墩顶梁支点截面弯矩时程曲线

图4 竖向激励墩顶截面轴力时程曲线

根据弹性时程分析结果，地震波纵向激励作用下，墩顶截面弯矩峰值为32 580 kN·m，若考虑弹塑性非线性效应影响后，峰值为9 774 kN·m，与反应谱结果10 780.9 kN·m接近，相互验证了时程分析结果与反应谱分析结果的可靠性。

5 麦积山互通式立交大桥地震受害后加固

通过对震害的调查和原因分析研究，麦积山互通式立交大桥震害主要为横向撞击所造成的局部破损，部分墩顶出现了不同程度的裂缝，为了确保大桥的正常使用与安全，必须对该桥进行维修与加固。

5.1 加固方案比选

针对本桥震害情况及震害原因，提出了以下4种加固维修方案。

5.1.1 方案一

（1）裂缝封闭处理。裂缝封闭处理按照裂缝宽度分别选用凿槽嵌补、压力灌浆和涂膜处理。

（2）粘贴钢板加固。粘钢加固法是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,以提高结构承载力的一种加固方法。将钢板在墩顶环形封闭，由于各联中间固定墩也承受较大的地震作用力，同时对中间墩墩顶与梁体连接处进行粘贴钢板加固（也可采用碳、芳纶等纤维材料）。

（3）加塞弹性缓冲设施。在联端梁与梁、梁与背墙之间，横向墩顶与梁体凸榫之间根据实际情况，选择填塞橡胶块、沥青麻絮等弹性体以缓冲地震撞击力。

5.1.2 方案二

在采取方案一的同时，为确保局部破损桥墩的承载能力，在保持桥墩厚度不变的条件下，将破损的Y形墩改为板式墩，同时增加新增部分的钢筋数量，并采用植筋技术，将新老混凝土结合在一起，提高桥墩的整体性。

5.1.3 方案三

在采取方案一的同时，在所有墩顶增设减隔震挡块，较好地抵抗强震作用下的纵横向撞击作用。

5.1.4 方案四

在采取方案一和方案二的同时，在所有墩顶增设减隔震挡块，较好地抵抗强震作用下的纵横向撞击作用。加固方案比较见表2。

表2 加固方案比较表

通过以上4种方案加固效果的对比分析来看，方案四集前三种方案的优点于一身，加固效果最优，尽管造价最高，但是在恢复桥梁原有状态的同时，可以更进一步提高桥梁的抗震性能。综上所述，推荐方案四为加固方案。

5.2 加固方案

5.2.1 裂缝封闭处理

对所有出现裂缝的盖梁（全桥共有13个墩）进行裂缝封闭处理，按照裂缝宽度的不同，采用不同的方法。首先对裂缝宽度大于3 mm的裂缝，沿裂缝凿一条V形深槽，直至未破裂面；然后在槽内嵌补甲基丙烯酸脂类化学补强剂（甲凝）进行修补；再对0.2～0.3 mm宽的裂缝采用注浆法修补；最后对所有出现小于0.2 mm的微小裂缝的面进行涂膜处理，覆盖所有细小裂缝。

5.2.2 粘贴钢板与碳纤维布加固

通过采用矾-JGN型黏合剂将钢板粘贴在自由墩墩顶，进行环形封闭，使之形成共同受力的整体，从而提高桥墩整体刚度，改变原结构的应力状态，提高其承载能力。此外，由于各联中间固定墩也承受较大的地震作用力，同时对中间墩墩顶与梁体连接处进行粘贴碳纤维布进行加固。粘贴钢板示意图如图5所示。