橋梁抗震擋塊設(shè)計(jì)研究

楊鵬

橋梁抗震擋塊設(shè)計(jì)研究

楊鵬

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅蘭州730030）

擋塊作為橋梁重要的橫向限位裝置，在地震過程中，可有效限制上部結(jié)構(gòu)位移，防止落梁的發(fā)生，但上部結(jié)構(gòu)與擋塊間的碰撞也會(huì)增加傳至下部結(jié)構(gòu)的作用力，增大下部結(jié)構(gòu)的損傷。論文首先介紹了各國(guó)規(guī)范中對(duì)擋塊的設(shè)計(jì)要求，針對(duì)規(guī)范中擋塊設(shè)計(jì)規(guī)定欠缺的情況，論文進(jìn)一步介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于擋塊試驗(yàn)研究進(jìn)展，總結(jié)了試驗(yàn)類型及力學(xué)模型，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

橋梁抗震；擋塊；力學(xué)模型；試驗(yàn)研究

1　概述

中、小跨徑梁橋中，常在蓋梁和臺(tái)帽的兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋塊，用于限制地震作用下主梁在的側(cè)向位移。但國(guó)內(nèi)外對(duì)于擋塊的設(shè)計(jì)并沒有足夠重視，通常是作為一種構(gòu)造的形式進(jìn)行處理，以至于在地震中并沒有起到理想的作用。2008年汶川地震中，多達(dá)5560座公路橋梁遭到毀壞，其中最明顯的震害之一是大量擋塊發(fā)生斜截面脆性剪切破壞，簡(jiǎn)支梁橋中擋塊破壞數(shù)量多達(dá)720組［1］。

鑒于擋塊在橋梁抗震中的重要性及我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其設(shè)計(jì)規(guī)定的欠缺，論文對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于擋塊的較全面的試驗(yàn)研究進(jìn)行了闡述，總結(jié)了試驗(yàn)類型及力學(xué)模型，研究成果可供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。

2　規(guī)范中擋塊設(shè)計(jì)

1）美國(guó)AASHTO規(guī)范［2］。AASHTO規(guī)范要求擋塊在設(shè)計(jì)地震作用下作為犧牲性單元，而在多遇地震地震下保持彈性。規(guī)定擋塊超強(qiáng)能力：

Vok=2Vn（1）式中：Vok為用于保護(hù)相鄰構(gòu)件時(shí)的擋塊超強(qiáng)能力；Vn為擋塊名義抗剪能力，按相關(guān)規(guī)范計(jì)算。

同時(shí)，AASHTO規(guī)范還對(duì)橋臺(tái)處擋塊、墩柱上擋塊、非整體性擋塊和鋼構(gòu)件的擋塊等不同部位擋塊的設(shè)計(jì)做了規(guī)定。

2）美國(guó)加州規(guī)范［3］。對(duì)于座式橋臺(tái)擋塊的能力取0.75×ΣVpile和0.3×pdlsup的較小值，其中ΣVpile為樁的橫向能力之和，pdlsup為橋臺(tái)的軸向恒荷載效應(yīng)，當(dāng)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，則為0.3pdlsup。

3）歐洲規(guī)范［4］。歐洲規(guī)范規(guī)定：擋塊一類的抗震連接件，在非地震荷載作用下，連接件應(yīng)允許結(jié)構(gòu)的位移而不傳遞荷載，在地震作用下，連接件起作用，作為力傳遞路徑將荷載傳至下部結(jié)構(gòu)，此時(shí)連接件應(yīng)正確模擬，最少采用等效線性力-位移關(guān)系來處理。

4）新西蘭規(guī)范。新西蘭規(guī)范中沒有專門對(duì)擋塊設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行規(guī)定，而是對(duì)橫向連接措施進(jìn)行了說明。為了防止強(qiáng)震作用下墩梁發(fā)生過大的相對(duì)位移，要求在橋跨與支座之間提供可靠的連接系統(tǒng)，包括擋塊、連接螺栓以及專門設(shè)計(jì)的支座，其中“緊”連接系統(tǒng)保證使用荷載和地震荷載作用下要求無(wú)相對(duì)橫向位移，“松”連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不應(yīng)小于設(shè)計(jì)地震荷載，并設(shè)置橡膠緩沖墊，具體根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用。同時(shí)連接系統(tǒng)應(yīng)為延性構(gòu)件，在較大的相對(duì)位移下不會(huì)斷裂［5］。

由上述可知，除美國(guó)規(guī)范外，其他規(guī)范一般只對(duì)擋塊設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)建議，而沒有給出擋塊設(shè)計(jì)計(jì)算方法。然而橋梁擋塊在地震中對(duì)上部結(jié)構(gòu)有很好的限制作用，減少了落梁的可能性，一些延性擋塊還可以耗散部分地震能量，減輕結(jié)構(gòu)損傷。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擋塊進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。

3　橋梁擋塊設(shè)計(jì)方法

3.1國(guó)外試驗(yàn)研究

對(duì)擋塊較早進(jìn)行且較系統(tǒng)研究的是Megally團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目在加州交通局的資助下進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究［6］。Megally等在試驗(yàn)前確定了3目標(biāo)：其一，確定擋塊承載能力，作為犧牲構(gòu)件，在限制上部結(jié)構(gòu)位移的同時(shí)，又不能太強(qiáng)，否則會(huì)增大下部結(jié)構(gòu)荷載，引起損傷；其二，確定其達(dá)到峰值荷載前后的滯回性能，以提供一定耗能作用；其三，對(duì)擋塊進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，確保擋塊損傷位置易于檢查和修復(fù)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ推茐奶卣骷霸囼?yàn)結(jié)果，Megally等根據(jù)不同破壞形式提出了三種計(jì)算模型。

1）剪切摩擦模型。這一計(jì)算模型適合于擋塊與根部（蓋梁或橋臺(tái)根墻）形成剪切破壞面，如圖1所示，其承載力由該剪切面的摩擦力決定，計(jì)算式如下：

VN=μ（Avfyf+Avs+fys）（2）式中：μ為接觸面摩擦系數(shù)，取1.4λ，當(dāng)為整體澆筑時(shí)λ為1.0；Avf和fvf分別為剪切面處豎向抗剪鋼筋面積和屈服強(qiáng)度；Avs和fvf分別為伸入根部的豎向受拉鋼筋面積和屈服強(qiáng)度。

圖1　剪切摩擦破壞模式

2）斜剪破壞計(jì)算模型。試驗(yàn)破壞一般均為斜剪破壞形式，由擋塊與根部首先形成裂縫，并逐漸延伸至根部底面，如圖2所示，其承載力計(jì)算如式：

式中，VC和VS分別為混凝土和鋼筋的抗剪強(qiáng)度；是根部的高度；h為根部的寬度；b為混凝土受壓強(qiáng)度；fc1是由根部頂面受拉鋼筋計(jì)算的拉力，如圖2中所示；T2=AS，2fy，s是由通過破壞面的第一排鋼筋計(jì)算得到。

圖2　斜剪破壞模式

3）彎矩-曲率計(jì)算模型。對(duì)于彎曲破壞型擋塊，如圖3所示，其承載力應(yīng)通過截面力平衡進(jìn)行分析，計(jì)算式如下：

截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示，ΣCC為受壓區(qū)混凝土所受壓力；ΣC′S為受壓區(qū)鋼筋所受壓力ΣTS；為受拉區(qū)鋼筋所受拉力。

圖3　彎曲破壞模式

圖4　彎曲破壞模式下截面應(yīng)力、應(yīng)變圖示

3.2國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究

國(guó)內(nèi)擋塊沒有專門的設(shè)計(jì)，且實(shí)際工程中的擋塊與國(guó)外擋塊的結(jié)構(gòu)不一致，借鑒國(guó)外研究成果，同濟(jì)大學(xué)的徐略勤通過試驗(yàn)［7，8］，如圖5所示，提出適合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際的擋塊強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式，如下式：

式中，b為擋塊的厚度；w擋塊的寬度；a為加載點(diǎn)距底座頂面的高度；s為水平構(gòu)造筋的間距；At和fyt分別為水平拉筋總面積及屈服強(qiáng)度；Av和fyv分別為剪切鋼筋總面積及屈服強(qiáng)度；As和fys分別為穿過開裂面的單根水平分布筋的截面積及屈服強(qiáng)度。

由于斜剪破壞為脆性破壞，不利于抗震。為此，徐略勤等基于限制擋塊破壞范圍和提高擋塊塑性變形能力的目標(biāo)，提出了一種新型擋塊（如圖6所示）：在擋塊與蓋梁/臺(tái)帽間設(shè)置光滑的干施工縫，形成剪切薄弱面。擋塊的構(gòu)造鋼筋不可伸入蓋梁/臺(tái)帽，即不參與受剪；剪切鋼筋單獨(dú)布置為一排，且盡量靠近擋塊的內(nèi)側(cè)面，以保證水平拉筋充分發(fā)展強(qiáng)度；剪切鋼筋伸入蓋梁/臺(tái)帽后須滿足最小錨固長(zhǎng)度要求。蓋梁/臺(tái)帽上表面布置一層數(shù)量足夠的水平拉筋，且延伸至蓋梁/臺(tái)帽的端部，并采用90o的長(zhǎng)彎鉤，以避免蓋梁/臺(tái)帽的開裂受損。此外，在實(shí)際工程中，擋塊的尺寸不宜過小。對(duì)此新型抗震擋塊，其承載力計(jì)算如下：

圖5　斜剪擋塊計(jì)算圖示

圖6　新型滑移擋塊

式中，pv為剪切鋼筋率；Ac為擋塊底面積；fvf為剪切鋼筋的極限強(qiáng)度。

該公式引入了混凝土粘聚力修正項(xiàng)來表征接觸面的粗糙程度及其對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，可大大拓寬滑移剛體模型的適用范圍，且計(jì)算精確，形式簡(jiǎn)單，便于工程設(shè)計(jì)。

4　結(jié)論

地震作用下，橫向擋塊作為限位裝置，在設(shè)計(jì)時(shí)既要有足夠強(qiáng)度來抵擋上部結(jié)構(gòu)的碰撞，并限制其位移，防止落梁。但若設(shè)計(jì)得過于強(qiáng)大，則可能傳遞更大地震力到下部結(jié)構(gòu)，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大下部結(jié)構(gòu)的破壞。論文通過對(duì)國(guó)外試驗(yàn)研究成果進(jìn)行闡述，從力學(xué)性能上介紹了擋塊的強(qiáng)度預(yù)測(cè)。然后針對(duì)國(guó)內(nèi)擋塊實(shí)際工程，介紹了普遍使用強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法及一種新型抗震擋塊，該新型擋塊預(yù)測(cè)模型計(jì)算精確，形式簡(jiǎn)單，便于工程設(shè)計(jì)。

［1］ 莊衛(wèi)林，陳樂生.汶川地震公路震害分析［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［2］American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic BridgeDesign［S］.Washington，DC，USA：AASHTO，2011.

［3］ DivisionofstructuresofCALTRANS.SeismicDesignCriteria：v1.6［S］.California：Caltrans，2010.

［4］Eurocode 8-design of structures for earthquake resistance-Part2：Bridges［S］.BSEN1998-2：2005.

［5］ 貢金鑫，張勤，王雪婷.從汶川地震中橋梁震害看現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)方法［J］.公路交通科技，2010，27（10）：35－46.

［6］Megally S.H，Silva P F，Seible F.Seismic response of sacrificial shear keys in bridge abutments［R］.Structural SystemsResearchRep.UniversityofCaliforniaSanDiego，La Jolla，California，2001.

［7］ 徐略勤，李建中.基于修正滑移剛體模型的擋塊抗震強(qiáng)度預(yù)測(cè)及其應(yīng)用［J］.振動(dòng)與沖擊，2014，33（17）：55-61.

［8］ 徐略勤，李建中.新型滑移擋塊的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及防震效果研究［J］.工程力學(xué)，2016，33（2）：111-118.

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