中小跨徑梁橋防落梁研究

馮寶平

（陜西交通控股集團運營管理分公司，陜西西安 710065）

0.引言

近年來，我國地震頻發，強大地震發生后會對我國橋梁結構造成較大損傷[1]。中小跨徑梁橋在我國橋梁類型中占據較大的比例，通過震后調查[2]，主梁因地震直接作用造成的損傷較少，但地震發生后落梁現象確并不少見，主要是因為支承擱置長度不足、支承連接件失效、橫向位移過大等造成的。

地震作用下發生落梁破壞會造成交通困難，對人民的日常生活帶來不便，同時橋梁震后修復工作會大大增加[3]。落梁發生后常常會伴隨發生主梁和橋墩碰撞事故造成橋梁的2次損傷，嚴重時造成橋梁倒塌。為了降低落梁事故的發生，各國規范根據本國情況進行了相關規定，通過對震后調查表明，防落梁的設置對防止橋梁結構的坍塌是基本有效的，對橋梁結構是十分必要和意義重大的。基于此，國內外專家學者對防落梁裝置進行了研究，取得了相應的成果。

本文從落梁產生原因和規范總體規定入手，分別從縱橋向和橫橋向進行詳細說明防落梁措施和方法，最后得出相關結論。

1.落梁產生原因和規范規定

1.1 落梁產生原因

強震發生時，在地震力作用下，支承連接部件會發生失效現象，勢必會改變傳力路徑，當縱向上下部結構之間的支承長度不能滿足地震引起的地震時，主梁就會從橋墩上掉落，造成落梁病害，同時如果橫橋向的擋塊等限位裝置設置的不合理也會造成落梁的發生。落梁原因示意圖見圖1。

圖1 落梁原因示意圖

1.2 國內外規范規定

2.縱向防落梁裝置的設計

2.1 縱向防落梁構造的布置

擱置長度不足已被認為是已建橋梁發生落梁的普遍原因。《公路橋梁抗震設計規范》規定，簡支梁梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣距離的最小值α（cm）按下式計算：

式中：L為一聯上部結構總長度；H為支承一聯上部結構橋墩的平均高度；Lk為一聯上部結構的最大單孔跨徑。

AASHTO規范[14]擱置長度的經驗公式為:

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梁端的距離；H為在橋臺處時為到兩相鄰橋墩的平均高度，在橋墩處時為墩高；S為斜交角。

加州規范支承長度的公式為：

式中：Δpls為預應力引起的相對位移；cr+shΔ 為徐變收縮引起的位移；Δtemp為溫度引起的相對位移；Δeq為地震作用下的相對位移。

對于最小搭接長度，Caltrans規范采用固定值：（1）橋臺處：a≥76cm；（2）中間支點：a≥60cm。

文中涉及的記號與術語可參見[1,10-11]。若X是拓撲空間,F?X,F在X中的閉包記為clF,在涉及多個空間時,為區分起見也記作clXF。空間X的全體開集與全體閉集分別記為Ο(x)與Γ(x)。

新西蘭規范擱置長度的公式為：

日本規范擱置長度的公式為：

式中：uR為上、下部結構的相對位移；uG為地震引起的地基的相對變形；SEM為最小擱置長度；l為梁的計算跨徑；L為下部結構間的距離。

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構發生落梁。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件和上部結構的相對位移，避免主梁從下部結構掉落。

3.橫向擋塊的設計

3.1 擋塊破壞的原因和設置思路

擋塊發生破壞的原因如下：

（1）在強震作用下，梁體發生橫向位移，對擋塊產生較大的碰撞力，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生破壞。

（3）在施工和養護階段由于施工和養護不到位造成的擋塊強度不足也會造成地震作用下擋塊的損傷。

3.2 擋塊的抗剪強度計算

對于擋塊的抗剪強度問題，國外規范給出了相關公式和條文解釋，國內規范并沒有給出具體的公式要求，但也有專家學者進行研究，以下給出國外規范和國內外學者關于擋塊抗剪強度規定公式。

AASHTO規范[14]擋塊強度計算公式為:

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

Caltrans抗震設計規范擋塊抗剪強度公式：

國內學者得到擋塊剪力強度計算公式：

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

4.結論

本文針對先簡支后橋面連續梁橋的防落梁原因和規范規定進行了介紹，可以得到以下結論。（1）當地震力作用時，縱橋向上先通過支承連接部件來消耗能量，當支承連接部件失效會造成落梁事故發生。（2）通過比較國內外抗震設計規范可以得到我國公路橋梁抗震設計規范在縱向搭接長度上具有較大的安全富余度。（3）橋梁結構在橫向移位時，先通過支座抗滑移耗能，再通過擋塊來控制移位，通過“多道設防，分級耗能”的思想來防止橫向落梁。（4）對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。