跨斷裂帶簡支梁橋三級防落梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 洋

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063）

0 引 言

我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶活躍，其中四成以上的國土位于地震烈度7 度及以上地區(qū)[1]。隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)不可避免地會跨越高地震烈度區(qū)，甚至是活動斷裂帶。高地震烈度區(qū)的橋梁（特別是簡支梁橋）在瞬時(shí)強(qiáng)震作用下，上構(gòu)和下構(gòu)之間將產(chǎn)生極大的相對位移，若兩者的相對位移量超過防落梁限位裝置的極限或上、下構(gòu)間的防落梁搭接長度，就會造成落梁。

1976 年唐山地震中，震區(qū)橋梁遭到嚴(yán)重破壞，其中約18 座橋梁發(fā)生了落梁震害[2]；2008 年汶川地震中，多座橋梁發(fā)生了落梁，其中百花大橋、高樹大橋等橋梁因一孔落梁導(dǎo)致了全聯(lián)倒塌[3]；2021 年青海地震造成野馬灘大橋和野馬灘2 號大橋兩座橋梁發(fā)生落梁坍塌。歷次地震災(zāi)害表明落梁已成為地震發(fā)生時(shí)最常見和最嚴(yán)重的橋梁破壞形式之一。落梁不僅會造成主梁損壞，還有可能因主梁墜落撞擊橋墩而引起橋梁整體坍塌。除此之外，落梁還會導(dǎo)致交通生命線中斷，救援通道被阻隔，直接阻礙抗震救災(zāi)行動的進(jìn)行，且發(fā)生落梁震害后橋梁修復(fù)極其困難。因此，如何對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的防落梁設(shè)計(jì)，使橋梁在強(qiáng)震時(shí)中不發(fā)生落梁顯得尤為重要。

1 工程概況

三清高速公路起于曲靖三寶，止于昆明清水，近場區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有小江斷裂、萬壽山斷裂等多條活動斷裂。其中小江斷裂是一條全新世活動斷裂，新構(gòu)造時(shí)期以來十分活躍，該斷裂帶以左旋運(yùn)動為主，兼有少量垂直運(yùn)動。因地形和線位原因，三清高速在王家村附近跨越小江斷裂東支，橋位處場地50 a 超越概率10%水平地震動峰值加速度0.5g，8.0 級地震時(shí)水平位錯5.73 m，垂直位錯3.37 m。

道路區(qū)域內(nèi)存在活動斷裂時(shí)一般采取避讓或以路基方式穿越，因此在國內(nèi)外已建或在建工程中都很難找到采用橋梁方式跨越活動斷裂帶的實(shí)例。因此，本工程在對橋跨布置進(jìn)行了反復(fù)研究后，最終確定了在小江斷裂帶較窄處采用大角度一孔跨越斷裂帶的方案。跨越斷裂處橋梁為1×90 m 簡支組合梁，墩高47.7 m/49 m，組合梁橋型布置見圖1。橋位處橋梁與斷裂帶夾角約為90°，斷裂帶寬36 m，橋墩承臺邊緣距斷裂帶的安全距離大于16 m。除本聯(lián)組合梁外，兩側(cè)引橋均采用40 m 跨簡支混凝土梁。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

本聯(lián)組合梁為雙箱等高結(jié)構(gòu)，梁高4.5 m，橋面全寬16.55 m，箱室寬4.0 m，箱室凈距3.85 m，懸臂長2.35 m，組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

2 三級防落梁系統(tǒng)

地震具有極大的隨機(jī)性和不確定性，難以定量計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[4]，在計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合橋梁落梁原因，合理地進(jìn)行橋梁防落梁構(gòu)造設(shè)計(jì)往往更加有效。由于本工程橋位處的地震烈度高，水平向和垂直向位錯大，為了避免強(qiáng)震時(shí)簡支組合梁橋發(fā)生落梁，在進(jìn)行抗震計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，本文對該橋進(jìn)行了跨斷裂帶簡支梁橋的三級防落梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三級防落梁系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

圖3 三級防落梁系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 一級：支座系統(tǒng)

支座是連接橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的一種重要傳力構(gòu)件，能夠有效地傳遞和調(diào)節(jié)上、下構(gòu)所承受的荷載和變形，且在地震荷載作用下具有減震、隔震作用。當(dāng)上、下構(gòu)的相對位移超過支座允許位移量時(shí)，限位裝置才會發(fā)揮作用，因此防落梁系統(tǒng)首先需要確定合適的支座系統(tǒng)。

在選擇跨斷裂帶橋梁的支座類型時(shí)，應(yīng)將橋梁看作一個整體綜合考慮。支座除了應(yīng)具有足夠的豎向剛度和一定的變形能力外，還需具有一定的減震或隔震能力。摩擦擺支座特有的弧形滑動面能將上、下部結(jié)構(gòu)隔離，并且能通過滑動界面的滑動摩擦消耗地震能量，實(shí)現(xiàn)支座的減震功能。此外，摩擦擺支座還能通過擺動來延長下部結(jié)構(gòu)的振動周期，以便錯開地震波的周期進(jìn)而來減小地震作用引起的放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)支座的隔震功能。因此，結(jié)合本項(xiàng)目跨越活動斷裂帶的實(shí)際情況，支座系統(tǒng)選用摩擦擺支座。

2.2 二級：限位裝置

當(dāng)強(qiáng)震作用所造成的橋梁上、下構(gòu)間的相對位移超過支座允許位移量時(shí)，就需要采用限位裝置來限制橋梁的相對位移。限位裝置主要有擋塊式、螺栓連接式、鋼夾板連接式、錨桿式、預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接式等。為限制組合梁縱橋向、橫橋向和豎向的相對位移，本系統(tǒng)分別設(shè)置了縱向限位裝置、橫向限位裝置和豎向限位裝置。

縱向限位裝置：為防止地震時(shí)斷裂帶的順橋向位錯和兩側(cè)橋墩的不同相運(yùn)動而導(dǎo)致縱向落梁，主梁需設(shè)置縱向限位裝置。縱向限位裝置主要有梁- 梁連接裝置、梁- 墩（臺）連接裝置和縱向擋塊等三種。本聯(lián)梁為1×90 m 簡支組合梁，相鄰聯(lián)為40 m 跨簡支混凝土梁，由于兩者的結(jié)構(gòu)形式、梁高等差別較大，地震時(shí)兩者的固有周期和相位不同，不宜采用梁-梁連接裝置。另外過渡墩和梁端附近亦無合適位置設(shè)置縱向擋塊。因此，本系統(tǒng)縱向限位裝置最終選用防落梁緩沖鏈，通過在主梁和過渡墩蓋梁間設(shè)置柔性連接裝置來減小主梁和橋墩間的相對位移，進(jìn)而防止主梁脫落。此外，還需要在過渡墩L 型蓋梁高側(cè)粘貼30 mm 厚橡膠條，橫橋向位置與組合梁腹板位置對齊，以緩沖地震時(shí)組合梁與L 型蓋梁可能產(chǎn)生的撞擊。防落梁緩沖鏈構(gòu)造見圖4。

圖4 防落梁緩沖鏈構(gòu)造圖

橫向限位裝置：橫向限位裝置多采用構(gòu)造簡單，防落梁效果好的橫向擋塊，一般有混凝土擋塊和鋼擋塊兩種。擋塊設(shè)置時(shí)需著重考慮其剛度匹配問題[5]：若擋塊剛度過大，主梁將地震荷載產(chǎn)生的慣性力全部傳遞給橋墩，橋墩難以承受，猛烈的撞擊會損壞主梁或橋墩；若擋塊剛度過小，則難以起到橫向限位的作用。本系統(tǒng)橫向限位裝置主要由兩道橫向擋塊組成，擋塊布置見圖5。第一道橫向擋塊為擋塊1，擋塊1 位于兩支座墊石之間。第二道橫向擋塊由擋塊2 和擋塊3 組成，其中擋塊2 位于組合梁箱室外側(cè)，擋塊3 錨固于蓋梁上。擋塊與墊石間、擋塊與擋塊間均設(shè)置30 mm 厚橡膠條，能夠緩沖地震荷載下的撞擊力，并消耗部分地震能量。

圖5 擋塊布置圖

豎向限位裝置：高地震烈度區(qū)，特別是跨斷裂帶橋梁，為防止豎向位錯和豎向地震作用力引起的落梁，需要設(shè)置豎向限位裝置。本系統(tǒng)的豎向限位裝置由擋塊2 和擋塊3 組成，擋塊2 和3 間亦需粘貼30 mm 厚橡膠條，擋塊3 錨固于蓋梁上需具有足夠的抗拔能力。

2.3 三級：防落梁長度系統(tǒng)

防落梁長度系統(tǒng)由足夠的主梁擱置長度和防落梁鋼托架兩部分組成。主梁的擱置長度是指在超預(yù)期地震作用下，假定未設(shè)置限位裝置，為防止主梁從下構(gòu)頂部脫落而需要確保的主梁梁端到下構(gòu)邊緣的距離?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中對擱置長度做了如下規(guī)定：主梁擱置長度的最小值a（cm）應(yīng)按式（1）計(jì)算，且不小于60 cm。

式中：L為一聯(lián)橋梁的總長度，m；H為一聯(lián)橋梁的橋墩平均高，m；Lk為一聯(lián)橋梁的最大單孔跨徑，m。

通過計(jì)算得到本橋分聯(lián)墩擱置長度的最小值：

a≥50+0.1×90+0.8×48.4+0.5×90≈143 cm。

本聯(lián)組合梁除了滿足主梁擱置長度的要求外，還在過渡墩墩頂蓋梁的近斷裂帶側(cè)設(shè)置了防落梁鋼托架，進(jìn)一步增加了主梁與橋墩的搭接長度。蓋梁鋼托架布置見圖6。鋼托架的縱橋向尺寸需大于斷裂帶順橋向位錯量。同時(shí)，還需在鋼托架頂設(shè)置橡膠墊塊，避免主梁在超預(yù)期地震下從墊石上脫落時(shí)撞擊蓋梁和鋼托架。此外，橡膠墊塊厚度應(yīng)與支座墊石厚度相同，橫橋向位置應(yīng)與支座墊石對齊。

圖6 防落梁鋼托架布置圖

3 結(jié) 語

跨斷裂帶簡支梁橋的橋位處地震烈度高，且斷裂帶兩側(cè)存在水平向和垂直向相對運(yùn)動，落梁風(fēng)險(xiǎn)極高。因此跨斷裂帶橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須要在充分進(jìn)行橋梁抗震分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行防落梁設(shè)計(jì)。本文結(jié)合王家村特大橋提出了跨斷裂帶簡支梁橋的三級防落梁系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由三部分組成：一級為支座系統(tǒng)；二級為限位裝置系統(tǒng)，包括縱向、橫向和豎向限制裝置；三級為防落梁長度系統(tǒng)，包括足夠的主梁擱置長度和防落梁鋼托架。本系統(tǒng)綜合考慮了跨斷裂帶橋梁的多種落梁原因，采取了“三級設(shè)防”的策略來防止主梁墜落，措施簡單有效，可為高烈度區(qū)，尤其是跨斷裂帶簡支梁橋的防落梁設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。