中小跨徑梁橋防落梁研究

馮寶平

（陜西交通控股集團(tuán)運(yùn)營管理分公司，陜西西安 710065）

0.引言

近年來，我國地震頻發(fā)，強(qiáng)大地震發(fā)生后會(huì)對(duì)我國橋梁結(jié)構(gòu)造成較大損傷[1]。中小跨徑梁橋在我國橋梁類型中占據(jù)較大的比例，通過震后調(diào)查[2]，主梁因地震直接作用造成的損傷較少，但地震發(fā)生后落梁現(xiàn)象確并不少見，主要是因?yàn)橹С袛R置長度不足、支承連接件失效、橫向位移過大等造成的。

地震作用下發(fā)生落梁破壞會(huì)造成交通困難，對(duì)人民的日常生活帶來不便，同時(shí)橋梁震后修復(fù)工作會(huì)大大增加[3]。落梁發(fā)生后常常會(huì)伴隨發(fā)生主梁和橋墩碰撞事故造成橋梁的2次損傷，嚴(yán)重時(shí)造成橋梁倒塌。為了降低落梁事故的發(fā)生，各國規(guī)范根據(jù)本國情況進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，通過對(duì)震后調(diào)查表明，防落梁的設(shè)置對(duì)防止橋梁結(jié)構(gòu)的坍塌是基本有效的，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)是十分必要和意義重大的?；诖?，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)防落梁裝置進(jìn)行了研究，取得了相應(yīng)的成果。

本文從落梁產(chǎn)生原因和規(guī)范總體規(guī)定入手，分別從縱橋向和橫橋向進(jìn)行詳細(xì)說明防落梁措施和方法，最后得出相關(guān)結(jié)論。

1.落梁產(chǎn)生原因和規(guī)范規(guī)定

1.1 落梁產(chǎn)生原因

強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，在地震力作用下，支承連接部件會(huì)發(fā)生失效現(xiàn)象，勢必會(huì)改變傳力路徑，當(dāng)縱向上下部結(jié)構(gòu)之間的支承長度不能滿足地震引起的地震時(shí)，主梁就會(huì)從橋墩上掉落，造成落梁病害，同時(shí)如果橫橋向的擋塊等限位裝置設(shè)置的不合理也會(huì)造成落梁的發(fā)生。落梁原因示意圖見圖1。

圖1 落梁原因示意圖

1.2 國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定

2.縱向防落梁裝置的設(shè)計(jì)

2.1 縱向防落梁構(gòu)造的布置

擱置長度不足已被認(rèn)為是已建橋梁發(fā)生落梁的普遍原因?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，簡支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣距離的最小值α（cm）按下式計(jì)算：

式中：L為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)總長度；H為支承一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橋墩的平均高度；Lk為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的最大單孔跨徑。

AASHTO規(guī)范[14]擱置長度的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中：N為最小擱置長度；L為支座中心處與伸縮縫之間的距離或到另一側(cè)梁端的距離；H為在橋臺(tái)處時(shí)為到兩相鄰橋墩的平均高度，在橋墩處時(shí)為墩高；S為斜交角。

加州規(guī)范支承長度的公式為：

式中：Δpls為預(yù)應(yīng)力引起的相對(duì)位移；cr+shΔ 為徐變收縮引起的位移；Δtemp為溫度引起的相對(duì)位移；Δeq為地震作用下的相對(duì)位移。

對(duì)于最小搭接長度，Caltrans規(guī)范采用固定值：（1）橋臺(tái)處：a≥76cm；（2）中間支點(diǎn)：a≥60cm。

文中涉及的記號(hào)與術(shù)語可參見[1,10-11]。若X是拓?fù)淇臻g,F?X,F在X中的閉包記為clF,在涉及多個(gè)空間時(shí),為區(qū)分起見也記作clXF?？臻gX的全體開集與全體閉集分別記為Ο(x)與Γ(x)。

新西蘭規(guī)范擱置長度的公式為：

日本規(guī)范擱置長度的公式為：

式中：uR為上、下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移；uG為地震引起的地基的相對(duì)變形；SEM為最小擱置長度；l為梁的計(jì)算跨徑；L為下部結(jié)構(gòu)間的距離。

2.2 縱向防落梁限位裝置

縱向防落梁裝置使用最廣泛的為纜索限位器，它可以有效地防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁。纜索限位器主要又分為墩-梁限位裝置和梁-梁連梁裝置。限位裝置可以很好的限制支承連接構(gòu)件和上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，避免主梁從下部結(jié)構(gòu)掉落。

3.橫向擋塊的設(shè)計(jì)

3.1 擋塊破壞的原因和設(shè)置思路

擋塊發(fā)生破壞的原因如下：

（1）在強(qiáng)震作用下，梁體發(fā)生橫向位移，對(duì)擋塊產(chǎn)生較大的碰撞力，使擋塊受到剪切作用。

（2）由于擋塊的尺寸和配筋不足，地震碰撞力超過其抗剪能力值發(fā)生破壞。

（3）在施工和養(yǎng)護(hù)階段由于施工和養(yǎng)護(hù)不到位造成的擋塊強(qiáng)度不足也會(huì)造成地震作用下?lián)鯄K的損傷。

3.2 擋塊的抗剪強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于擋塊的抗剪強(qiáng)度問題，國外規(guī)范給出了相關(guān)公式和條文解釋，國內(nèi)規(guī)范并沒有給出具體的公式要求，但也有專家學(xué)者進(jìn)行研究，以下給出國外規(guī)范和國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于擋塊抗剪強(qiáng)度規(guī)定公式。

AASHTO規(guī)范[14]擋塊強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中：Vok為超強(qiáng)能力；Vn為擋塊的抗剪強(qiáng)度；Acv為參與抗剪的混凝土面積；Avf為抗剪鋼筋面積；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度；Pc為垂直剪切面的壓力；c為粘結(jié)系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；為混凝土28d抗壓強(qiáng)度。

Caltrans抗震設(shè)計(jì)規(guī)范擋塊抗剪強(qiáng)度公式：

國內(nèi)學(xué)者得到擋塊剪力強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：Vc為混凝土提供的剪力；Vs為鋼筋提供的剪力；其他具體參數(shù)可參考文獻(xiàn)。

4.結(jié)論

本文針對(duì)先簡支后橋面連續(xù)梁橋的防落梁原因和規(guī)范規(guī)定進(jìn)行了介紹，可以得到以下結(jié)論。（1）當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔脮r(shí)，縱橋向上先通過支承連接部件來消耗能量，當(dāng)支承連接部件失效會(huì)造成落梁事故發(fā)生。（2）通過比較國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可以得到我國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在縱向搭接長度上具有較大的安全富余度。（3）橋梁結(jié)構(gòu)在橫向移位時(shí)，先通過支座抗滑移耗能，再通過擋塊來控制移位，通過“多道設(shè)防，分級(jí)耗能”的思想來防止橫向落梁。（4）對(duì)于中小跨徑梁橋采用如下的防落梁措施：縱橋向在保證具有足夠擱置長度的情況下可以增加一些限位裝置防止落梁；橫橋向設(shè)置防震擋塊，梁體與擋塊之間留有一定間隙，并加裝3cm厚的橡膠墊以緩和沖擊作用和限制梁的位移。