橋梁抗震擋塊研究進(jìn)展

張 凌

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計研究院, 四川 成都 610000)

橋梁抗震擋塊研究進(jìn)展

張 凌

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計研究院, 四川 成都 610000)

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規(guī)范中對擋塊的設(shè)計要求，針對規(guī)范中擋塊設(shè)計規(guī)定欠缺的情況，論文進(jìn)一步介紹了國內(nèi)外關(guān)于擋塊試驗(yàn)研究進(jìn)展，以期為今后國內(nèi)橋梁抗震擋塊設(shè)置提供參考。

橋梁；抗震；擋塊研究

0 前言

通過對前人的橋梁震害調(diào)研結(jié)果總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，地震過程中公路橋梁遭到嚴(yán)重破壞，而擋塊破壞更為普遍、更為嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為： 剪裂、剪斷、撞裂、撞斷、撞碎等。其中，曲線橋較直線橋破損嚴(yán)重，斜交橋比正交橋破損嚴(yán)重，伸縮縫位置處抗震擋塊較非伸縮縫位置抗震擋塊破損嚴(yán)重。盡管，從保護(hù)下部結(jié)構(gòu)的角度講，橋梁擋塊破壞對于減小橋墩及基礎(chǔ)的地震損傷是有利的，但若擋塊設(shè)計得過弱，則在地震作用下破壞而使得梁體發(fā)生較大移位，加上梁格間整體性能差則可能引起橫向落梁，也給震后的修復(fù)和加固帶來很大不便，而擋塊設(shè)計的剛度過大，又會導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)承受彎矩和剪力過大，增大下部構(gòu)件遭受二次震害的風(fēng)險。所以擋塊設(shè)計問題值得深入思考。

1 滑移擋塊作用機(jī)理

擋橋梁防震擋塊的設(shè)置，其作用機(jī)制可概括為限制上部結(jié)構(gòu)與墩臺頂?shù)南鄬ξ灰疲苑乐股喜拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的位移或落梁。擋塊的防震效果不僅與擋塊的強(qiáng)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。

2 國外規(guī)范中的擋塊設(shè)計方法

2.1 AASHTO 抗震規(guī)范

AASHTO 抗震規(guī)范把擋塊分為外部擋塊和內(nèi)部擋塊2 種。內(nèi)部擋塊的剛度、間隙等不同因素導(dǎo)致每個擋塊承受荷載也不盡相同，但由于它不易檢查和修復(fù)，因此基本不提倡應(yīng)用內(nèi)部擋塊而采用外部擋塊。擋塊的最低要求是在多遇地震事件中依然保持彈性，在設(shè)計地震作用下設(shè)計為犧牲性擋塊。

2.1.1 橋臺處擋塊： 為了保護(hù)樁基，通常將擋塊設(shè)計成犧牲性擋塊，并應(yīng)當(dāng)考慮由此引起的內(nèi)力重分布效應(yīng)。

2.1.2 墩柱上擋塊： 由于樁柱超強(qiáng)彎矩影響墩柱上的擋塊軸力和剪力并，且應(yīng)同時需要考慮傾覆彎矩的影響，所以擋塊中的配筋應(yīng)盡可能地布置在臨近墩柱中心線處，進(jìn)而把集中力矩減至最小。

2.1.3 鋼構(gòu)件的擋塊： 對于上下部結(jié)構(gòu)為彈性，支座和擋塊為犧牲性的鋼構(gòu)件，應(yīng)考慮其超強(qiáng)能力，并且其最小的橫向設(shè)計荷載應(yīng)采用0. 4g 加速度乘以上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量與彈性抗力的較小值。2.2 Caltrans 抗震設(shè)計規(guī)范

Caltrans 抗震設(shè)計規(guī)范通過擋塊的設(shè)計和構(gòu)造措施來控制橋臺處地震力的傳遞，通常線性分析不能正確反映擋塊的地震響應(yīng)，故座式橋臺不能通過彈性設(shè)計來滿足最大可信地震作用下的需求，也不能用獲取的彈性荷載來評估橋臺擋塊，這就很難考慮地震力對擋塊的需求。

3 延性減震擋塊的研究

3.1 犧牲性擋塊

有研究將擋塊分為 4 種模型進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究，按高厚比擋塊分為： 滑動剪切摩擦型( α ＜ 0． 5) ，壓- 拉桿型( 0． 5 ＜ α ＜ 1． 0) ，彎曲梁型( α＞ 1． 0) ，而第 4 種為基于混凝土開裂強(qiáng)度的分析模型。對內(nèi)部犧牲性擋塊的試驗(yàn)研究和模型分析發(fā)現(xiàn)：

3.1.1 擋塊的實(shí)際能力主要受混凝土的開裂強(qiáng)度影響;

3.1.2 當(dāng)施加的荷載達(dá)到極值時，擋塊的強(qiáng)度和剛度并沒有大幅度降低，其退化值在一定程度上取決于柱的剛度，說明擋塊破壞后不能為上部結(jié)構(gòu)提供額外橫向支承的假設(shè)是保守的;

3.1.3 彎梁型擋塊具有良好的彎曲性能，而剪切摩擦型擋塊在設(shè)計中通常扮演保險絲的角色。對外部犧牲性擋塊的研究發(fā)現(xiàn)：橋臺上單個外部擋塊所能承受的最大荷載應(yīng)該根據(jù)壓—拉桿模型來估計; 彎梁型擋塊具有較高的延性和很好的耗能性能，只在擋塊與橋臺交界面的一個小區(qū)域內(nèi)破壞; 建議在橋臺前墻與擋塊之間設(shè)置冷施工縫，并在橋臺前墻后張預(yù)應(yīng)力，這種構(gòu)造的犧牲性擋塊可作為結(jié)構(gòu)的保險絲，且震后容易修復(fù)。

3.2 橡膠減震擋塊

某機(jī)構(gòu)設(shè)計了“釘型”和“碗型”兩種新型橡膠減震擋塊，其實(shí)現(xiàn)方法是將其粘在原鋼筋混凝土擋塊上，該橡膠減震擋塊面向梁體的一側(cè)頂部為向外凸的釘狀或者向內(nèi)凹的碗狀，背向梁體一側(cè)的底部為平面狀，這種結(jié)構(gòu)減少了橡膠減震擋塊與梁體的接觸面積，增加了變形能力，使地震引起的墩帽水平振動對梁體撞擊力成為軟撞擊，并被擋塊吸收和耗散掉，大大減小了撞擊力。通過對這兩種新型擋塊的撞擊試驗(yàn)和壓縮滯回性能試驗(yàn)，提出了恢復(fù)力模型和剛度取值，并通過分析驗(yàn)證新型擋塊的減震效果。值得一提的是，將該項(xiàng)技術(shù)以及高墩和非規(guī)則橋梁抗震設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于四川多座橋梁，這些橋梁在2008 年的汶川大地震中完好無損。

3.3 新型延性擋塊

有研究機(jī)構(gòu)在普通混凝土擋塊的基礎(chǔ)上，將部分豎向鋼筋在擋塊中部截斷，形成人為薄弱層，在擋塊頂部設(shè)計一個面向主梁側(cè)的外突起，并在突起部位安放緩沖橡膠。地震時擋塊的上部會先與主梁發(fā)生碰撞，當(dāng)撞擊力超出擋塊薄弱層的最大抗剪能力時，擋塊在薄弱層處發(fā)生剪切滑移破壞，隨后薄弱層以下的擋塊繼續(xù)與主梁發(fā)生碰撞作用，最終起到防止落梁的作用。與普通擋塊在相同條件下分析表明，在不顯著增大橋墩的地震需求時，該抗震擋塊可以有效地降低最大撞擊力，減小橋梁因橫向碰撞破壞和落梁的危險。

基于能量耗散理論及地震動力響應(yīng)分析，提出滑移擋塊的概念，通過研究滑移擋塊的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)滑移擋塊在地震荷載下依靠其滑移產(chǎn)生摩擦阻力而消耗一部分地震能量，不會將巨大地震碰撞力傳遞到下部結(jié)構(gòu); 同時該擋塊將橋梁破損程度控制在一定范圍內(nèi)，能量大部分由擋塊承擔(dān)，使得橋梁主體結(jié)構(gòu)的破壞均在可接受范圍。為了防止梁體橫向落梁，有學(xué)者研發(fā)了三種雙層抗震擋塊，其組成形式、安裝方法和抗震機(jī)理見表1所示。

表1 雙層抗震擋塊

4 結(jié)束語

擋塊作為橋梁橫向支承的主要構(gòu)件，在地震中的橫向限位作用至關(guān)重要; 但若設(shè)計得過于強(qiáng)大，則可能使地震力直接傳遞到下部結(jié)構(gòu)，而且擋塊與梁體間碰撞產(chǎn)生的巨大沖擊力可能會進(jìn)一步擴(kuò)大破壞。因此，對擋塊的合理設(shè)計與施工方法，以及梁體與擋塊間緩沖裝置和延性減震擋塊的研究具有深遠(yuǎn)的意義。美國、新西蘭等國對伸縮裝置和防落梁措施( 如擋塊) 的設(shè)計方法已有比較系統(tǒng)的規(guī)定，國內(nèi)橋梁工作者對擋塊的認(rèn)識還處于感性認(rèn)識階段，并存有很大的盲區(qū)，迫切需要通過完善相關(guān)規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計和施工。

[1]石巖,秦洪果. 地震下城市高架橋橫向偏心碰撞響應(yīng)與防撞效果分析[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2011(04)

[2]貢金鑫,張勤,王雪婷.從汶川地震中橋梁震害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法(二)——抗震設(shè)計與構(gòu)造[J]. 公路交通科技. 2010(10)

U45

B

1007-6344（2017）09-0024-01

張凌（1985-）男，漢族,工程師，主要從事橋梁設(shè)計工作。