梁橋限位擋塊震害分析及優化設計

韓錚 崔軍 劉源 李建中

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

橋梁結構在交通運輸中有著舉足輕重的地位，當重大災害發生時，防止路橋的毀滅性破壞更是抗災救援的前提。

汶川地震發生后，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，雖然擋塊在我國規范中只是作為構造措施，但在罕遇地震中卻發揮著巨大的作用。優化橫向限位擋塊的設計，可以有效提高橋梁的抗震能力。

1 梁橋限位擋塊相關震害總結分析

汶川震區梁式橋的典型震害主要是由于梁底與板式橡膠支座頂產生相對滑動，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，主要表現為縱橋向移位、橫橋向移位和梁體平轉三種，如圖1，圖2所示。震區橋梁多為梁式橋，普遍采用板式橡膠支座，梁體直接擱置在橡膠支座上，缺少水平面內的約束。當地震劇烈，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，梁體與橋墩便會發生相對滑動。

圖1 主梁縱向移位

圖2 梁體平轉

1.2 擋塊破壞

主梁移位的同時與橫向擋塊發生碰撞，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。導致上部梁體失去側向約束，發生過大的橫向位移、支座失效，甚至落梁。

1.3 落梁

當梁體位移過大，超過墩梁的搭接長度，主梁失去支撐，便會發生落梁，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，產生很大變形。當所受剪力超過支座的容許剪力時，制作被撕裂;當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

地震災區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。

當上部結構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;當梁體的位移超過梁體的支承長度時，便發生落梁。

盡管梁體滑移會造成上部結構的破壞，但梁體與支座間的滑動確實起到了隔震作用。從災區的震害特征可以看出，幾乎所有的簡支梁橋下部結構都未出現嚴重損毀，說明這種隔震作用有效減小了下部結構所受的地震力。

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計，關鍵是采用合理的擋塊設計，耗散地震能量，設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而又不增加墩柱的地震力。

2 各國規范對限位裝置的設計比較與分析

2.1 中國擋塊設計現狀及規范說明

在我國，鋼筋混凝土限位擋塊廣泛應用于路橋，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，目前國內的各式橋梁規范，無論是《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》《橋涵設計通用規范》，還是《公路橋梁抗震設計細則》都沒有關于擋塊的硬性規定，導致國內擋塊設計缺乏統一的、足夠的認識，以至于實際工程中的擋塊難以充分發揮應有的限位功能。不僅如此，擋塊的破壞經常波及到蓋梁以及臺帽內，大大增加了橋梁震后修復的難度［5］。

2.2 國外擋塊設計發展及規范比較分析

美國AASHTO規范中明確規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設置擋塊，而采用框架結構充當蓋梁。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”。美國的各個規范中均有對于外部剪力鍵的詳細說明，如加州CALTRANS規范以及AASHTO規范中都明確表示:剪力鍵的設計應作為橋梁抗震的“保險絲”，即小震及使用荷載作用下，剪力鍵提供上部結構以側向約束，并將地震力傳遞至下部結構，起到限位和傳力兩個作用;但為了保護下部結構，防止過大的地震力傳到橋臺和基礎，必須限制剪力鍵的強度及剛度。當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件及時開裂耗能，保護橋墩和基礎。

擋塊的設計作為可犧牲構件，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，避免落梁發生。

由以上比較，顯然美國AASHTO規范對剪力鍵、支承長度的設計有著明確且細致的規定，而在中國的抗震規范中仍然是一個盲區，我國的擋塊設計實則全憑經驗或是通用圖。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 擋塊的合理構造

擋塊作為“限位構造措施”，在約束主梁橫橋向位移的同時，也應兼顧下部結構墩柱的地震響應變化。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，我國規范幾乎沒有明確規定擋塊在設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、結構構造和布置形式均具有非常重要的工程實用價值。“保險絲”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;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構的地震力。以上兩則功能定位作為擋塊設計的目標，可從擋塊剛度、構造設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，首先保證的就是當地震力過大時，擋塊犧牲，或者屈服或者破壞。由此，在傳統彈性擋塊的基礎上提出彈塑性擋塊的設計概念。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，有效減小下部結構受到的地震力，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，保證其他構件完好，震后更換維修方便，這是傳統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用于實際工程，震后可自行修復，免去更換維修工作。

3.2 人為設置薄弱層

當地震力過大，要求擋塊作為犧牲部件及時開裂耗能，保護下部結構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置一薄弱層。當地震發生時，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生剪切滑移，擋塊作為犧牲件失效，但保護了下部結構。薄弱層可以是施工時預留的干施工縫，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，而豎向構造鋼筋等不伸入蓋梁受力，也可采用只單排布筋等方法。構造見圖7。

3.3 雙保險式擋塊

傳統擋塊往往在與蓋梁的連接面處破壞，且只有一處破壞截面。不妨設計一種雙保險式的擋塊，即設置兩個破壞截面，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置薄弱層的擋塊，只不過要將薄弱層上升至擋塊中部，構造如圖8所示。采取部分豎向鋼筋截斷并設置擋塊頂部突起，以保證梁體先與擋塊上部碰撞，薄弱層截面滑移;之后如果梁體繼續滑動，則薄弱層以下擋塊起作用，發生二次碰撞，作用發揮如傳統擋塊。

圖7 設置薄弱層的擋塊

圖8 雙保險式擋塊[6]

3.4 構造措施

注重擋塊自身設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置可以一定程度上調節梁體碰撞所帶來的慣性力。

設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置。同時，支座同樣可以設計成減隔震單元，可以摩擦耗能或發生塑性形變，與擋塊配合共同抵抗地震力。

4 結語

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，其抗震設計的關鍵是采用形式合理的擋塊，設置足夠的墩梁搭接長度，以控制梁體位移在可接受范圍內而又不增加墩柱的地震力。從國內外擋塊研究的發展及中外規范探究擋塊設計的優化方法，發現中國規范的不足之處，并提出建議。通過規范比較，取長補短，從國內災害實例及擋塊設計功能定位出發，提出三類擋塊優化方案，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計與工程應用有所幫助。

［1］JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［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］.巖石力學與工程學報，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:同濟大學土木工程學院博士學位論文，2011.

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