橋梁抗震設(shè)計中滑移擋塊作用機理

劉榮燦，王克成，唐紅梅，陳洪凱

(1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074;2.重慶市交通旅游投資集團有限公司，重慶 400021)

汶川地震災(zāi)區(qū)的國道干線大部分分布在高山區(qū)和丘陵地區(qū)，大部分橋梁橫橋向設(shè)有防震擋塊，在本次地震考察中，大量橋梁防震擋塊出現(xiàn)了不同程度的損害，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)位移過大。例如，國道213線都江堰至映秀公路是通往災(zāi)區(qū)映秀、汶川的南線通道，地震發(fā)生后該段道路橋梁均出現(xiàn)了比較嚴重的病害，在K 1020+592.03壽江大橋的0#橋臺，多處蓋梁擋塊破壞，梁體橫移，導(dǎo)致梁體扭轉(zhuǎn)下沉，面臨整孔落梁危險;在K 1012+020小黃溝中橋，0#橋臺擋塊開裂至蓋梁下端，裂縫寬度5～10 cm，橫向錯位25 cm，高差3 cm，4#橋臺橫向錯位，高差3 cm;在K 1011+611蒙子溝中橋，0#樁柱式橋臺后擋塊破壞嚴重，左側(cè)樁身分布大量環(huán)向裂縫，右側(cè)樁身剪斷，全橋主梁橫向向江心側(cè)移動，左右兩側(cè)擋塊均破壞;在映秀鎮(zhèn)魚子溪大橋1#大橋，蓋梁擋塊破壞，裂縫向下延伸至蓋梁根部，主梁整體向岷江側(cè)橫向移動約10 cm，橋臺伸縮縫破壞，與橋臺連接的擋墻下沉約 20 cm［1］，如圖 1、圖 2。

圖1 彭州中壩中橋Fig.1 The Zhongba bridge in Pengzhou

圖2 都江堰水井灣大橋Fig.2 The Shuijingwan bridge in Dujiangyan

1 滑移擋塊作用機理

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計存在問題

現(xiàn)在傳統(tǒng)方法［2］是通過加大防震擋塊的尺寸及鋼筋數(shù)量來抵御地震的，人們普遍認為擋塊做得越強越好。這種觀點也許在中小地震中是對的，但在大地震中，這些強壯的擋塊反而會起到反作用，其導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)過大的剛度，把巨大的地震沖擊力傳給了下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)［3］，尤其是橋臺和樁基，其破壞程度難以確定，也難以修復(fù)。近年來擋塊減震控制技術(shù)一直是結(jié)構(gòu)抗震研究中一個活躍的分支，包括結(jié)構(gòu)主動和被動控制以及兩者組合控制，實際上反映了能量概念的應(yīng)用，是設(shè)法減小地震輸入能量，或通過能量轉(zhuǎn)移和補充，增大結(jié)構(gòu)耗能有效供給能力，來抵御強震作用。例如，研究開發(fā)中的結(jié)構(gòu)基底隔震技術(shù)［4］，從能量的角度來看，正是設(shè)法減小地震輸入能量，使結(jié)構(gòu)耗能與之平衡，人們通過提高橋梁與擋塊的柔性系數(shù)，使動力放大系數(shù)減小;提高橋梁與擋塊間的耗能能力，在梁體與擋塊之間設(shè)置橡膠減震器［5］來承受橋梁縱向水平振動反應(yīng)，或借助阻尼器的摩阻耗能來實現(xiàn)減震目的。但這些措施往往存在很大缺陷，因為結(jié)構(gòu)柔度的提高伴隨著結(jié)構(gòu)強度的下降，減震器及阻尼器的設(shè)置使得橋梁的設(shè)計復(fù)雜化，耗資巨大。

擋塊出現(xiàn)病害［6］的原因是多方面的，主要原因有以下幾方面:在地震力的作用下，當梁體與擋塊發(fā)生橫橋向的相對移動時，擋塊受到較強的撞擊，擋塊與蓋梁連接處存在較強的剪切作用;部分橋梁因擋塊的截面尺寸偏小，配筋不足，擋塊與蓋梁之間鋼筋連接考慮不周，斜截面的強度不足;擋塊混凝土與蓋梁混凝土澆筑時間不一致，使該處混凝土聯(lián)結(jié)較薄弱，抗剪強度降低。

橋梁防震擋塊的設(shè)置，其作用機制可概括為限制上部結(jié)構(gòu)與墩臺頂?shù)南鄬ξ灰?，以防止上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的位移或落梁［7］。擋塊的防震效果不僅與擋塊的強度相關(guān)，而且與擋塊的類型、剛度、擋塊與梁體的間隙等存在密切的關(guān)系。設(shè)置不同剛度的擋塊時，擋塊剛度減小，擋塊抗力峰值減小，且擋塊與上部結(jié)構(gòu)相互作用的時間也增大，即沖擊力減小。如在普通的混凝土擋塊內(nèi)側(cè)加墊橡膠擋塊，其防震效果會得到明顯改善，從橡膠擋塊與混凝土擋塊的隔震響應(yīng)上考慮，由于橡膠擋塊初始剛度較低，起到了一定的緩沖作用，橡膠擋塊的內(nèi)力和設(shè)有橡膠擋塊的墩臺所承擔(dān)的慣性力同混凝土擋塊相比顯著降低，但其對上部結(jié)構(gòu)與墩臺頂相對位移的約束也有所減弱，對抗震不利。

1.2 滑移擋塊設(shè)計原理

經(jīng)歷汶川地震后，為了分散和減輕上部結(jié)構(gòu)地震荷載以及對橋臺和樁基的作用力，筆者提出了滑移擋塊，即在擋塊和蓋梁間設(shè)置可滑移的柔性隔震層(聚四氟乙稀夾層［8］)，讓蓋梁在擋塊上消能、滑移，使傳輸?shù)较虏拷Y(jié)構(gòu)的能量達到最小，從而使下部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也最小。與一般防震擋塊相比，它會延長結(jié)構(gòu)振動周期，由于擋塊與主梁撞塊之間留有一定的縫隙，在中等以下的地震作用下，整個體系(包括擋塊)處于安全狀態(tài)。一旦發(fā)生強震，主梁的位移超過擋塊縫隙值時，擋塊即開始滑動，隔震材料限制產(chǎn)生位移并消耗能量。

如圖3所示，以平面滑移隔震剪切型結(jié)構(gòu)為研究對象，體系由箱梁、擋塊、限位擋塊［9］、滑移拉桿［10］、滑移隔震層及緩沖材料組成。假定地震作用的整個過程中主梁始終處于彈性狀態(tài)，滑移隔震層材料主要采用聚四氟乙稀、潤滑劑及河砂等，隔震層與地面之間的摩擦力為庫侖摩擦模型，假定隔震層滑動的過程中摩擦系數(shù)μ保持不變，而取靜摩擦系數(shù)μs為滑動摩擦系數(shù)μ的1.05倍。在地震作用比較小時，擋塊此時處于彈性階段［11］，僅依靠結(jié)構(gòu)彈性能就可平衡地震輸入能，擋塊不發(fā)生破損;當?shù)卣鹱饔贸^一定強度時，擋塊就將進入非彈性階段，此時擋塊依靠滑移拉桿在隔震層上滑移，隔震層將提供滑動摩擦阻力消耗能量［12］。河砂起緩沖作用，延長擋塊與箱梁之間的作用時間，當滑動摩擦阻力耗能平衡地震輸入能時，整個體系將處于安全狀態(tài);而當滑動摩擦阻力耗能不能平衡地震輸入能時，此時滑移拉桿的位移將達到最大值，這意味著結(jié)構(gòu)伴隨著某種程度上的破損存在，只要將這種破損控制在一定范圍內(nèi)，使結(jié)構(gòu)不致于倒塌，震后仍可修復(fù)破損，所以在左邊設(shè)置一限位擋塊，控制箱梁滑動位移在一定范圍內(nèi)，此時能量大部分由擋塊承擔(dān)，導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受損較小，而受損嚴重的擋塊在震后也容易快速修復(fù)。

圖3 橋臺處滑移系統(tǒng)構(gòu)造Fig.3 The slip system construction at abutment

2 滑移擋塊構(gòu)造細節(jié)

將擋塊做成薄而高的柔性鋼筋混凝土塊(圖3)［13］，在擋塊和蓋梁之間有意識地做成可滑移的薄弱面，即先澆蓋梁，并進行表面修光處理，刷油并涂上聚四氟乙稀做隔離層，然后在其上澆筑混凝土，在擋塊中部設(shè)置一排伸入蓋梁的鋼筋，其余箍筋和防裂鋼筋均在滑移面上方截斷，并在一部分滑移面上墊硬塑料板做隔離層。試驗結(jié)果證明，當上部構(gòu)造施加橫向力時，擋塊沿滑移面平移，甚至自身也不破壞，只是預(yù)埋的豎向鋼筋被扭彎，當被扭彎成約40°時，鋼筋屈服，此時蓋梁及以下各部位得到保護［14］。

擋塊下方設(shè)置滑移面，豎向預(yù)埋鋼筋成為唯一能阻止擋塊滑剪的部件，其力學(xué)模型［15］如圖4，它考慮了擋塊破壞時鋼筋被扭曲的形狀。

圖4 擋塊剪切滑動破壞Fig.4 The shear sliding damage of block

從滿足力的平衡條件出發(fā)，可求出擋塊的抗剪能力Vn:

式中:α為豎向鋼筋的扭曲角;β為擋塊內(nèi)側(cè)面的傾斜角;μf為混凝土的動摩擦系數(shù);fsu為豎向鋼筋極限抗拉強度。

為了保護蓋梁不受損傷，應(yīng)在蓋梁頂面設(shè)置水平拉筋，如圖5。而且拉筋要盡量靠近擋塊，采用端部帶90°的彎鉤鋼筋，底層拉筋的長度應(yīng)超過與豎向埋筋交點后一定的距離，并由圖中的Ldh和Lmin來控制，即:

式中:db為拉筋直徑;fc′為混凝土抗壓強度;a1為施力點到蓋梁頂面間的距離;a2為從蓋梁頂面到底層拉筋間的距離。

擋塊力的傳遞見圖5，圖中的虛線表示力傳遞到蓋梁拉筋上的路線，斜線段代表垂直于滑移面的力和平行于滑移面的摩擦力合力方向。由于靜摩擦系數(shù)有一假定值，故θ角可通過θ=arctanμ求出。

在防震擋塊和蓋梁接觸面之間要進行修光處理，形成光滑的施工縫，以便在地震時做相對滑動。擋塊不要和背墻、耳墻澆筑在一起，避免它們對擋塊的滑移起遏制作用。澆筑順序按先澆蓋梁、背墻和耳墻，然后對蓋梁頂面刷油并涂上聚四氟乙稀做隔離層，最后澆筑擋塊，擋塊中預(yù)埋入蓋梁中的鋼筋應(yīng)歸攏在一起，盡量接近擋塊中心部位，它和擋塊和蓋梁之間唯一的連接部件。擋塊和蓋梁中的構(gòu)造鋼筋仍按規(guī)定設(shè)置，但不允許它們穿過滑移面。

圖5 擋塊力的傳遞路徑Fig.5 The transmission path of block power

3 結(jié)論

筆者從能量耗散理論著手提出滑移擋塊，對其在地震荷載下的性能進行了分析，從理論的計算角度分析其在荷載作用下的能量變化過程及抗震效果，得出以下幾點結(jié)論:

1)現(xiàn)行的防震擋塊設(shè)計的指導(dǎo)思想是強力阻止落梁，擋塊越強越好。擋塊尺寸擬定和配筋具有很大的盲目性，這樣將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)剛度過大，把巨大的地震沖擊力傳給了下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，其破壞程度難以確定，結(jié)構(gòu)也難以修復(fù)。

2)樹立滑移擋塊理念，將擋塊做成薄而高的柔性鋼筋混凝土塊，在擋塊和蓋梁之間有意識地做成可滑移的施工縫，進行表面修光處理。在地震時，能使擋塊在滑移隔震層上移動，并消耗一定的能量，保證整個結(jié)構(gòu)在安全范圍內(nèi)。

3)滑移拉桿和限位擋塊控制擋塊在一定范圍內(nèi)平動，能量大部分由擋塊自身承擔(dān)，導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受損較小，受損嚴重的擋塊在震后容易快速修復(fù)。

4)在施工澆筑時，擋塊和蓋梁分兩次澆筑，即先澆蓋梁，進行表面修光處理，刷油并涂上聚四氟乙稀做隔離層;然后在其上澆筑混凝土，在擋塊中部設(shè)置一排伸入蓋梁的鋼筋，其余箍筋和防裂鋼筋均在滑移面上方截斷，并在一部分滑移面上墊硬塑料板做隔離層，以提供擋塊滑動的薄弱面。

5)為了保護蓋梁不受損傷，應(yīng)在蓋梁頂面設(shè)置水平拉筋，而且要盡量靠近擋塊，采用端部帶90°的彎鉤鋼筋，底層拉筋的長度應(yīng)超過與豎向埋筋交點后一定的距離。

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