梁橋限位擋塊震害分析及優(yōu)化設(shè)計

韓錚 崔軍 劉源 李建中

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在交通運輸中有著舉足輕重的地位，當(dāng)重大災(zāi)害發(fā)生時，防止路橋的毀滅性破壞更是抗災(zāi)救援的前提。

汶川地震發(fā)生后，四川省部分國省干道上的橋梁受到不同程度的損傷，其中擋塊的破壞尤甚。限位擋塊遭到嚴(yán)重破壞，主要是由梁體與擋塊之間的碰撞引起。限位擋塊一旦開裂失效，便會失去與蓋梁間的可靠連接。導(dǎo)致上部梁體失去橫向約束，橫向位移增大、支座失效，甚至落梁。因此，雖然擋塊在我國規(guī)范中只是作為構(gòu)造措施，但在罕遇地震中卻發(fā)揮著巨大的作用。優(yōu)化橫向限位擋塊的設(shè)計，可以有效提高橋梁的抗震能力。

1 梁橋限位擋塊相關(guān)震害總結(jié)分析

汶川震區(qū)梁式橋的典型震害主要是由于梁底與板式橡膠支座頂產(chǎn)生相對滑動，致使梁體位移過大，從而引起梁體移位、擋塊破壞、支座滑移撕裂、落梁等與擋塊休戚相關(guān)的典型震害。

1.1 梁體移位

梁體移位是極為常見的橋梁震害，主要表現(xiàn)為縱橋向移位、橫橋向移位和梁體平轉(zhuǎn)三種，如圖1，圖2所示。震區(qū)橋梁多為梁式橋，普遍采用板式橡膠支座，梁體直接擱置在橡膠支座上，缺少水平面內(nèi)的約束。當(dāng)?shù)卣饎×?，梁體與支座間的摩擦力以及橡膠支座的抗剪強度不足以抵抗水平地震力時，梁體與橋墩便會發(fā)生相對滑動。

圖1 主梁縱向移位

圖2 梁體平轉(zhuǎn)

1.2 擋塊破壞

主梁移位的同時與橫向擋塊發(fā)生碰撞，造成擋塊的大量損壞。擋塊典型破壞如圖3所示。限位擋塊強度不足以抵抗梁體碰撞傳來的慣性力，便會開裂失效，失去與蓋梁間的可靠連接。導(dǎo)致上部梁體失去側(cè)向約束，發(fā)生過大的橫向位移、支座失效，甚至落梁。

1.3 落梁

當(dāng)梁體位移過大，超過墩梁的搭接長度，主梁失去支撐，便會發(fā)生落梁，是主梁移位的極端破壞形式。如圖4所示為廟子坪大橋引橋第5跨整跨落梁。

圖3 擋塊破壞

圖4 廟子坪大橋引橋第5跨落梁

1.4 支座破壞

地震時，支座承受剪力，產(chǎn)生很大變形。當(dāng)所受剪力超過支座的容許剪力時，制作被撕裂;當(dāng)變形超過支座的容許剪切變形時，梁體與支座相對滑動，支座滑移滑脫。橡膠支座撕裂如圖5所示。

1.5 地震中混凝土擋塊的作用

地震災(zāi)區(qū)的梁式橋大都采用板式橡膠支座，支座與梁體和墩臺間無可靠連接，僅依靠接觸面間的摩擦力提供水平約束。這種連接形式的安全儲備相對不足，直接促進了以上各類震害的發(fā)生。板式橡膠支座安裝示意圖見圖6。

圖5 支座撕裂

圖6 板式橡膠支座安裝示意圖

摩擦力的值為:f=μN。

其中，N為支座的恒載反力。

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)地震慣性力傳到支座，支座所受水平力大時，梁體與支座便產(chǎn)生相對滑移。在橫橋向，梁體與限位擋塊碰撞，引起擋塊的損傷;縱橋向則會擠壓橋臺或拉裂伸縮縫止水帶;當(dāng)梁體的位移超過梁體的支承長度時，便發(fā)生落梁。

盡管梁體滑移會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞，但梁體與支座間的滑動確實起到了隔震作用。從災(zāi)區(qū)的震害特征可以看出，幾乎所有的簡支梁橋下部結(jié)構(gòu)都未出現(xiàn)嚴(yán)重損毀，說明這種隔震作用有效減小了下部結(jié)構(gòu)所受的地震力。

在我國，混凝土擋塊廣泛用于安裝有板式橡膠支座的各式梁橋及城市高架中。因此，對于這種形式橋梁的抗震設(shè)計，關(guān)鍵是采用合理的擋塊設(shè)計，耗散地震能量，設(shè)置足夠的墩梁搭接長度，以保證控制梁體位移在可接受范圍內(nèi)而又不增加墩柱的地震力。

2 各國規(guī)范對限位裝置的設(shè)計比較與分析

2.1 中國擋塊設(shè)計現(xiàn)狀及規(guī)范說明

在我國，鋼筋混凝土限位擋塊廣泛應(yīng)用于路橋，普遍用于安裝有板式橡膠支座的中小跨徑路橋和城市高架中。

但是，目前國內(nèi)的各式橋梁規(guī)范，無論是《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》《橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，還是《公路橋梁抗震設(shè)計細則》都沒有關(guān)于擋塊的硬性規(guī)定，導(dǎo)致國內(nèi)擋塊設(shè)計缺乏統(tǒng)一的、足夠的認識，以至于實際工程中的擋塊難以充分發(fā)揮應(yīng)有的限位功能。不僅如此，擋塊的破壞經(jīng)常波及到蓋梁以及臺帽內(nèi)，大大增加了橋梁震后修復(fù)的難度［5］。

2.2 國外擋塊設(shè)計發(fā)展及規(guī)范比較分析

美國AASHTO規(guī)范中明確規(guī)定了橋梁合理抗震體系，即ERS(Earthquake Resistance System)，重點提出了傳力路徑的連續(xù)性以及橋梁的整體性。其中，保證橋梁整體性的措施有三類:足夠的支承長度，縱向限位器和橫向剪力鍵。

在美國，混凝土梁橋通常不在蓋梁外側(cè)設(shè)置擋塊，而采用框架結(jié)構(gòu)充當(dāng)蓋梁。我國所謂的橫向擋塊在國外通常只用于橋臺處，稱作“外部剪力鍵”。美國的各個規(guī)范中均有對于外部剪力鍵的詳細說明，如加州CALTRANS規(guī)范以及AASHTO規(guī)范中都明確表示:剪力鍵的設(shè)計應(yīng)作為橋梁抗震的“保險絲”，即小震及使用荷載作用下，剪力鍵提供上部結(jié)構(gòu)以側(cè)向約束，并將地震力傳遞至下部結(jié)構(gòu)，起到限位和傳力兩個作用;但為了保護下部結(jié)構(gòu)，防止過大的地震力傳到橋臺和基礎(chǔ)，必須限制剪力鍵的強度及剛度。當(dāng)主梁橫向力超過剪力鍵最大承載力時，要求剪力鍵作為犧牲構(gòu)件及時開裂耗能，保護橋墩和基礎(chǔ)。

擋塊的設(shè)計作為可犧牲構(gòu)件，一定要保證墩梁支承長度的滿足。否則梁體失去擋塊的限位作用極易落梁。所以要保證支承長度足夠，避免落梁發(fā)生。

由以上比較，顯然美國AASHTO規(guī)范對剪力鍵、支承長度的設(shè)計有著明確且細致的規(guī)定，而在中國的抗震規(guī)范中仍然是一個盲區(qū)，我國的擋塊設(shè)計實則全憑經(jīng)驗或是通用圖。由汶川地震的典型震害分析得出:尋找橫向限位與傳力大小之間的平衡，以及保證足夠的支承長度是我國橋梁抗震研究的重點。

3 擋塊的合理構(gòu)造

擋塊作為“限位構(gòu)造措施”，在約束主梁橫橋向位移的同時，也應(yīng)兼顧下部結(jié)構(gòu)墩柱的地震響應(yīng)變化。因此，擋塊的強度、剛度、延性等性能對橋梁抗震特性均有不可忽略的影響。然而，我國規(guī)范幾乎沒有明確規(guī)定擋塊在設(shè)計過程中的具體細則，有鑒于此，合理確定鋼筋混凝土限位擋塊的功能定位、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和布置形式均具有非常重要的工程實用價值?！氨ｋU絲”的思想，要求擋塊既可限定梁體位移，又可在大震下犧牲，由此確定擋塊的兩個功能定位:1)中小地震下，梁體與擋塊碰撞的慣性力小于擋塊自身最大承載力，擋塊處于彈性狀態(tài);2)罕遇地震下，擋塊屈服或破壞，耗散能量，有限減小傳至下部結(jié)構(gòu)的地震力。以上兩則功能定位作為擋塊設(shè)計的目標(biāo)，可從擋塊剛度、構(gòu)造設(shè)計以及材料選用等方面尋求突破。

3.1 彈塑性擋塊

限位擋塊作為橋梁抗震的保險絲，首先保證的就是當(dāng)?shù)卣鹆^大時，擋塊犧牲，或者屈服或者破壞。由此，在傳統(tǒng)彈性擋塊的基礎(chǔ)上提出彈塑性擋塊的設(shè)計概念。彈塑性擋塊在罕遇地震下，過大的地震力作用使擋塊屈服，進入塑性，可依靠材料變形耗散能量，有效減小下部結(jié)構(gòu)受到的地震力，又能夠起到一定的“殘余限位”作用。彈塑性擋塊震時進入塑性，保證其他構(gòu)件完好，震后更換維修方便，這是傳統(tǒng)的混凝土彈性擋塊所做不到的。在材料的選用上，可選擇塑性好，耐疲勞的軟鋼。利用軟鋼的屈服點低，塑性好，變形能力強等特性在地震碰撞中進入塑性變形以耗散能量。甚至未來可以將記憶合金應(yīng)用于實際工程，震后可自行修復(fù)，免去更換維修工作。

3.2 人為設(shè)置薄弱層

當(dāng)?shù)卣鹆^大，要求擋塊作為犧牲部件及時開裂耗能，保護下部結(jié)構(gòu)不被過大的外力震壞，起到“保險絲”的作用。故此，可以在擋塊與蓋梁連接處設(shè)置一薄弱層。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，較小的地震力不會破壞擋塊，擋塊足以起到限位作用;當(dāng)較大的地震力傳來時，超過擋塊的極限承載能力，于是薄弱層處的鋼筋發(fā)生剪切滑移，擋塊作為犧牲件失效，但保護了下部結(jié)構(gòu)。薄弱層可以是施工時預(yù)留的干施工縫，或者合理配筋形成有效薄弱層。比如只將擋塊的剪切鋼筋伸入蓋梁，而豎向構(gòu)造鋼筋等不伸入蓋梁受力，也可采用只單排布筋等方法。構(gòu)造見圖7。

3.3 雙保險式擋塊

傳統(tǒng)擋塊往往在與蓋梁的連接面處破壞，且只有一處破壞截面。不妨設(shè)計一種雙保險式的擋塊，即設(shè)置兩個破壞截面，保證限位功能的同時也可以大大提高橋梁的抗震整體性及安全性［6］。

雙保險擋塊類似于人為設(shè)置薄弱層的擋塊，只不過要將薄弱層上升至擋塊中部，構(gòu)造如圖8所示。采取部分豎向鋼筋截斷并設(shè)置擋塊頂部突起，以保證梁體先與擋塊上部碰撞，薄弱層截面滑移;之后如果梁體繼續(xù)滑動，則薄弱層以下?lián)鯄K起作用，發(fā)生二次碰撞，作用發(fā)揮如傳統(tǒng)擋塊。

圖7 設(shè)置薄弱層的擋塊

圖8 雙保險式擋塊[6]

3.4 構(gòu)造措施

注重擋塊自身設(shè)計的同時也要兼顧墩梁支承長度以及梁體與擋塊初始間隙的設(shè)置。合理的支承長度既可保證橋梁的整體性，也能在橫向擋塊犧牲后保護梁體不落梁;而合理的初始間隙設(shè)置可以一定程度上調(diào)節(jié)梁體碰撞所帶來的慣性力。

設(shè)計擋塊的同時也要考慮與支座的配合，“保險絲”的思想也可用于支座的設(shè)置。同時，支座同樣可以設(shè)計成減隔震單元，可以摩擦耗能或發(fā)生塑性形變，與擋塊配合共同抵抗地震力。

4 結(jié)語

本文從汶川地震典型震害著眼，對梁體移位、擋塊破壞、落梁、支座破壞等與擋塊休戚相關(guān)的幾類典型震害進行歸納分析。對擋塊的抗震原理進行分析，得出采用板式橡膠支座的隔震梁橋，其抗震設(shè)計的關(guān)鍵是采用形式合理的擋塊，設(shè)置足夠的墩梁搭接長度，以控制梁體位移在可接受范圍內(nèi)而又不增加墩柱的地震力。從國內(nèi)外擋塊研究的發(fā)展及中外規(guī)范探究擋塊設(shè)計的優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)中國規(guī)范的不足之處，并提出建議。通過規(guī)范比較，取長補短，從國內(nèi)災(zāi)害實例及擋塊設(shè)計功能定位出發(fā)，提出三類擋塊優(yōu)化方案，即彈塑性限位擋塊、有薄弱層擋塊及雙保險式擋塊，希望對我國的擋塊設(shè)計與工程應(yīng)用有所幫助。

［1］JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計細則［S］.

［2］AASHTO.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications.American Association of State Highway and Transportation Officials，Washington，D.C.，USA，2004.

［3］Caltrans.SDC Caltrans Seismic Design Criteria version 1.4.California Department of Transportation，Sacramento，California，2006.

［4］莊衛(wèi)林，劉振宇，蔣勁松.汶川大地震公路橋梁震害分析及對策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(7):1377-1387.

［5］徐略勤，李建中.鋼筋混凝土橫向擋塊抗震性能試驗研究［D］.上海:同濟大學(xué)土木工程學(xué)院博士學(xué)位論文，2011.

［6］許 詳，劉偉慶，徐秀麗.新型抗震擋塊的抗震性能［J］.東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，39(Ⅱ):166.