地震高烈度地區橋梁結構防落梁系統數值化分析

林 莉，何 必

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川成都 610017）

1 概述

最近20余年的震害表明，隨著人口向城市大量聚集和經濟的高速發展，現代化城市對交通線的依賴性越來越強，一旦發生地震導致交通線遭到破壞，造成的生命財產以及間接損失也將會越來越大[1]。

由于工程場地可能遭受地震的不確定性，以及人們對橋梁結構地震破壞機理的認識尚不全面，因此，橋梁抗震實際上還不能完全依靠定量的計算方法。實際上，歷次大地震的震害表明，一些從震害經驗中總結出來的以及經過基本力學概念啟示得到的構造措施被證明可以有效地減輕橋梁的震害。

黃小國等[2]認為對于連續梁橋應采用墩梁連接的限位裝置模式來設計防落梁裝置，而采用連梁裝置是不能防止落梁的發生。李雪紅等[3]研發了一種具有耗能、限位雙重作用的新型防落梁裝置，新型耗能防落梁裝置滯回曲線形狀飽滿，有很好的耗能能力。設置該裝置能有效降低橋梁的地震響應，其中墩（臺）梁相對位移減小60%左右，非過渡墩墩底剪力減小40%左右。燕斌等[4]提出一種防落梁裝置，與鉛芯橡膠支座并聯設置，在正常運營及設計地震作用下不發揮作用，僅在罕遇地震作用下限制主梁與橋梁墩臺間的相對位移，避免因支座破壞而引起的落梁震害。

2 防落梁（限位裝置）理論

在歷次破壞性地震中，由于連接構造的設計缺陷引起的落梁震害極為常見。實際上，在隨機發生的地震作用下，橋梁的梁、墩之間相對位移是很難準確預測的，因此要避免震害落梁比較困難。在實際抗震設計中，世界各國普遍采用構造措施防止落梁震害，包括兩個方面：①限制支承連接部位的支承面最小寬度；②在相鄰梁之間安裝縱向約束裝置[1]。前者可通過增加蓋梁或臺帽寬度來實現，屬于多道設防的最后一道防線，后者則是本文的重點研究內容。

使用橫向和縱向限位裝置可以實現橋梁結構的內力反應和位移反應之間的協調。一般來講，限位裝置的間隙小，內力反應大，而位移反應小；相反的若限位裝置的間隙大，則內力反應小，但位移反應大。橫向和縱向限位裝置的使用應使內力反應和位移反應之間達到某種平衡。另外，橋軸方向的限位裝置移動能力應與支承部分的相適應。

防止落梁構造是在上、下部結構上設置的連梁裝置或是突起構造，其作用是在超預期地震作用下將上、下部結構的相對變位限制在搭接長度內，在支座和下部結構可能受損，上下部結構的相對位移未達到搭接長度限值時起作用。防止落梁構造一般設置緩沖材料以緩和地震時的沖擊，留有余裕空間以免損壞支座及其他防落梁裝置。橋梁限位裝置如圖1所示。

圖1 橋梁限位裝置

3 橋址區地質地震評價

G7611線西昌至香格里拉（四川境）高速公路西昌支線是四川省18個地級城市繞城環線中的第5個，即西昌環線。本文研究的橋梁是該線路中較為典型的常規結構。

根據對近場區范圍內自公元前780年有地震記載以來的歷史地震統計結果，近場區25 km范圍內共計發生3.0級以上地震48次，其中超過4.7級的破壞性地震17次，4.7～4.9級地震3次，5.0～5.9級地震6次，6.0～6.9級地震5次，7.0～7.9級地震3次，地震活動頻率高，最大地震是1536年3月19日西昌新華7.5級地震和1850年9月12日西昌、普格間7.5級地震，發震構造分別為安寧河東支斷裂和則木河斷裂。

工程區所在區域地質構造上地處典型活動構造體系之青、藏、滇、緬、印尼“歹”字形構造體系中部的川滇菱形活動塊體東南邊界附近，具體位于中國西部著名的“Y”字形構造帶南段安寧河-則木河斷裂帶上，該斷裂帶為川滇地塊邊界斷裂，其在晚第四紀直至全新世仍有強烈的活動，中、強地震發育，區域斷裂構造十分發育，以南向北最為發育，北東向次之，北西向較少，總體構造格架主要受南北向川滇構造帶控制。

橋址區工程場地內地表未發現全新世活動斷裂構造直接通過，擬建橋梁軸線以西最近約1.35 km的沙馬窩布斷層（F6）為早中更新世活動斷裂，擬建橋梁以東最近約25 m的石安村斷裂（F7）為中更新世活動斷裂。橋址區基本地震動峰值加速度為0.30g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.45 s，相應的基本地震烈度為Ⅷ度。

橋位區地處強震區，地震時可能誘發中部沖溝泥石流災害，工程場地屬于抗震危險地段，橋位區所處的地質構造單元內新構造運動強烈，區域構造穩定性差。綜上工程地質條件分析得出，擬建橋梁橋位區場地穩定性差，需采取適宜工程措施后方可修建橋梁。

4 計算實例

4.1 橋型布置

橋梁采用5 m×30 m預應力混凝土簡支T梁，橋面連續；下部結構采用柱式墩，墩臺采用樁基礎。橋型布置和橋梁斷面分別如圖2、圖3所示。T梁梁高2.0 m、采用C50混凝土，0#、5#橋臺樁徑1.8 m，1#、4#橋墩柱徑1.8m，樁徑2 m；2#、3#橋墩柱徑2.0 m，樁徑2.2 m；1#～4#橋墩墩高分別為7.5 m、20.2 m、19.6 m、9.3 m，采用C35混凝土，0#～5#墩臺樁長分別為25 m、25 m、30 m、30 m、25 m、25 m，采用C30水下混凝土。橋梁墩臺支座均采用GBZJ400 mm×450 mm×114 mm板式橡膠支座。

圖2 橋型布置

圖3 橋梁斷面

4.2 計算過程

（1）上部結構、鋪裝、護欄合計重量M如表1所示。

表1 上部結構、鋪裝、護欄合計重量M

（2）支座總縱橋向抗推剛度kb計算如下。

（3）橋墩抗推剛度k1如表2所示。

表2 橋墩抗推剛度k1

（4）橋墩和支座組合抗推剛度ks計算如式（2）所示。

（5）限位裝置作用的等效周期T計算如式（3）所示。

（6）水平設計加速度反應譜最大值Smax計算如下。本橋橋梁抗震設防分類為B類[5]。抗震設防目標為在E1地震作用下，B類橋梁在彈性范圍工作，結構強度和剛度基本保持不變。在E2地震作用下，B類橋梁要求不倒塌，且結構強度不能出現大幅降低，對于鋼筋混凝土橋梁墩柱，其抗彎承載能力降低幅度不應超過20%。橋梁抗震重要性系數Ci=1.7。水平向場地系數Cs=1.00。結構的阻尼比取0.05。阻尼調整系數水平向設計基本地震動峰值加速度峰值A=0.3g。

（7）限位裝置設計過程如下。

假設發生地震時，偏安全的假設支座完全失效，全部依靠限位裝置抵抗地震位移。假定橋墩在地震作用下的相對位移Dt1=0.0312 m，限位裝置的抗拉剛度kr1=204 000 kN/m，限位裝置的不工作間隙Gr=0，等效限位裝置剛度krej=204 000 kN/m，考慮限位裝置作用時，結構等效抗推剛度kpj=194.64 kN/m，考慮限位裝置作用的等效周期Ti=866.95 s，相應于等效周期T水平方向等效加速度反應譜值Si=0.000 89，計算得橋墩在地震作用下的相對位移。

（8）橋墩容許位移計算如下。

取最高墩2#墩進行計算，墩高20.2 m，墩徑2.0 m，主筋采用HRB400鋼筋，直徑32 mm，其等效塑性鉸長度為LP=min(LP1，LP2)。

截面等效屈服曲率如式（9）所示。

截面極限曲率如式（10）所示。

橋墩容許位移如式（11）所示。

（9）最小限位裝置設置數量計算如下。

由以上計算，當橋墩所有支座處均設置限位裝置時，橋墩在地震作用下的相對位移Dsi=10.6 cm，小于雙柱墩容許位移Δu=24.47 cm，限位裝置有效。

經計算，限位裝置所需最小截面積A=0.0811 m2，單個限位裝置截面積為0.0016 m2，由此可得最小限位裝置設置數量為0.0811/0.0016=50.7個，該橋梁設置60個，滿足要求。因此，可根據工程預算適當減少限位裝置數量，以節省造價。

5 結語

我國處于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個強震多發的國家。我國地震的特點是發生頻率高、強度大、分布范圍廣、傷亡大、災害嚴重。橋梁結構地震反應越強烈，就越容易發生落梁等嚴重破壞現象，構造措施就越重要，因此處于地震高烈度區的橋梁結構需特別重視構造措施的使用。

本文以一種較為簡便的方法得到限位裝置的設置數量，但計算方法基于支座完全失效的假設，偏于安全也偏于保守，實際工程中可參照取用。