梁桥限位挡块震害分析及优化设计

韩铮 崔军 刘源 李建中

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

桥梁结构在交通运输中有着举足轻重的地位，当重大灾害发生时，防止路桥的毁灭性破坏更是抗灾救援的前提。

汶川地震发生后，四川省部分国省干道上的桥梁受到不同程度的损伤，其中挡块的破坏尤甚。限位挡块遭到严重破坏，主要是由梁体与挡块之间的碰撞引起。限位挡块一旦开裂失效，便会失去与盖梁间的可靠连接。导致上部梁体失去横向约束，横向位移增大、支座失效，甚至落梁。因此，虽然挡块在我国规范中只是作为构造措施，但在罕遇地震中却发挥着巨大的作用。优化横向限位挡块的设计，可以有效提高桥梁的抗震能力。

1 梁桥限位挡块相关震害总结分析

汶川震区梁式桥的典型震害主要是由于梁底与板式橡胶支座顶产生相对滑动，致使梁体位移过大，从而引起梁体移位、挡块破坏、支座滑移撕裂、落梁等与挡块休戚相关的典型震害。

1.1 梁体移位

梁体移位是极为常见的桥梁震害，主要表现为纵桥向移位、横桥向移位和梁体平转三种，如图1，图2所示。震区桥梁多为梁式桥，普遍采用板式橡胶支座，梁体直接搁置在橡胶支座上，缺少水平面内的约束。当地震剧烈，梁体与支座间的摩擦力以及橡胶支座的抗剪强度不足以抵抗水平地震力时，梁体与桥墩便会发生相对滑动。

图1 主梁纵向移位

图2 梁体平转

1.2 挡块破坏

主梁移位的同时与横向挡块发生碰撞，造成挡块的大量损坏。挡块典型破坏如图3所示。限位挡块强度不足以抵抗梁体碰撞传来的惯性力，便会开裂失效，失去与盖梁间的可靠连接。导致上部梁体失去侧向约束，发生过大的横向位移、支座失效，甚至落梁。

1.3 落梁

当梁体位移过大，超过墩梁的搭接长度，主梁失去支撑，便会发生落梁，是主梁移位的极端破坏形式。如图4所示为庙子坪大桥引桥第5跨整跨落梁。

图3 挡块破坏

图4 庙子坪大桥引桥第5跨落梁

1.4 支座破坏

地震时，支座承受剪力，产生很大变形。当所受剪力超过支座的容许剪力时，制作被撕裂;当变形超过支座的容许剪切变形时，梁体与支座相对滑动，支座滑移滑脱。橡胶支座撕裂如图5所示。

1.5 地震中混凝土挡块的作用

地震灾区的梁式桥大都采用板式橡胶支座，支座与梁体和墩台间无可靠连接，仅依靠接触面间的摩擦力提供水平约束。这种连接形式的安全储备相对不足，直接促进了以上各类震害的发生。板式橡胶支座安装示意图见图6。

图5 支座撕裂

图6 板式橡胶支座安装示意图

摩擦力的值为:f=μN。

其中，N为支座的恒载反力。

当上部结构地震惯性力传到支座，支座所受水平力大时，梁体与支座便产生相对滑移。在横桥向，梁体与限位挡块碰撞，引起挡块的损伤;纵桥向则会挤压桥台或拉裂伸缩缝止水带;当梁体的位移超过梁体的支承长度时，便发生落梁。

尽管梁体滑移会造成上部结构的破坏，但梁体与支座间的滑动确实起到了隔震作用。从灾区的震害特征可以看出，几乎所有的简支梁桥下部结构都未出现严重损毁，说明这种隔震作用有效减小了下部结构所受的地震力。

在我国，混凝土挡块广泛用于安装有板式橡胶支座的各式梁桥及城市高架中。因此，对于这种形式桥梁的抗震设计，关键是采用合理的挡块设计，耗散地震能量，设置足够的墩梁搭接长度，以保证控制梁体位移在可接受范围内而又不增加墩柱的地震力。

2 各国规范对限位装置的设计比较与分析

2.1 中国挡块设计现状及规范说明

在我国，钢筋混凝土限位挡块广泛应用于路桥，普遍用于安装有板式橡胶支座的中小跨径路桥和城市高架中。

但是，目前国内的各式桥梁规范，无论是《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》《桥涵设计通用规范》，还是《公路桥梁抗震设计细则》都没有关于挡块的硬性规定，导致国内挡块设计缺乏统一的、足够的认识，以至于实际工程中的挡块难以充分发挥应有的限位功能。不仅如此，挡块的破坏经常波及到盖梁以及台帽内，大大增加了桥梁震后修复的难度［5］。

2.2 国外挡块设计发展及规范比较分析

美国AASHTO规范中明确规定了桥梁合理抗震体系，即ERS(Earthquake Resistance System)，重点提出了传力路径的连续性以及桥梁的整体性。其中，保证桥梁整体性的措施有三类:足够的支承长度，纵向限位器和横向剪力键。

在美国，混凝土梁桥通常不在盖梁外侧设置挡块，而采用框架结构充当盖梁。我国所谓的横向挡块在国外通常只用于桥台处，称作“外部剪力键”。美国的各个规范中均有对于外部剪力键的详细说明，如加州CALTRANS规范以及AASHTO规范中都明确表示:剪力键的设计应作为桥梁抗震的“保险丝”，即小震及使用荷载作用下，剪力键提供上部结构以侧向约束，并将地震力传递至下部结构，起到限位和传力两个作用;但为了保护下部结构，防止过大的地震力传到桥台和基础，必须限制剪力键的强度及刚度。当主梁横向力超过剪力键最大承载力时，要求剪力键作为牺牲构件及时开裂耗能，保护桥墩和基础。

挡块的设计作为可牺牲构件，一定要保证墩梁支承长度的满足。否则梁体失去挡块的限位作用极易落梁。所以要保证支承长度足够，避免落梁发生。

由以上比较，显然美国AASHTO规范对剪力键、支承长度的设计有着明确且细致的规定，而在中国的抗震规范中仍然是一个盲区，我国的挡块设计实则全凭经验或是通用图。由汶川地震的典型震害分析得出:寻找横向限位与传力大小之间的平衡，以及保证足够的支承长度是我国桥梁抗震研究的重点。

3 挡块的合理构造

挡块作为“限位构造措施”，在约束主梁横桥向位移的同时，也应兼顾下部结构墩柱的地震响应变化。因此，挡块的强度、刚度、延性等性能对桥梁抗震特性均有不可忽略的影响。然而，我国规范几乎没有明确规定挡块在设计过程中的具体细则，有鉴于此，合理确定钢筋混凝土限位挡块的功能定位、结构构造和布置形式均具有非常重要的工程实用价值。“保险丝”的思想，要求挡块既可限定梁体位移，又可在大震下牺牲，由此确定挡块的两个功能定位:1)中小地震下，梁体与挡块碰撞的惯性力小于挡块自身最大承载力，挡块处于弹性状态;2)罕遇地震下，挡块屈服或破坏，耗散能量，有限减小传至下部结构的地震力。以上两则功能定位作为挡块设计的目标，可从挡块刚度、构造设计以及材料选用等方面寻求突破。

3.1 弹塑性挡块

限位挡块作为桥梁抗震的保险丝，首先保证的就是当地震力过大时，挡块牺牲，或者屈服或者破坏。由此，在传统弹性挡块的基础上提出弹塑性挡块的设计概念。弹塑性挡块在罕遇地震下，过大的地震力作用使挡块屈服，进入塑性，可依靠材料变形耗散能量，有效减小下部结构受到的地震力，又能够起到一定的“残余限位”作用。弹塑性挡块震时进入塑性，保证其他构件完好，震后更换维修方便，这是传统的混凝土弹性挡块所做不到的。在材料的选用上，可选择塑性好，耐疲劳的软钢。利用软钢的屈服点低，塑性好，变形能力强等特性在地震碰撞中进入塑性变形以耗散能量。甚至未来可以将记忆合金应用于实际工程，震后可自行修复，免去更换维修工作。

3.2 人为设置薄弱层

当地震力过大，要求挡块作为牺牲部件及时开裂耗能，保护下部结构不被过大的外力震坏，起到“保险丝”的作用。故此，可以在挡块与盖梁连接处设置一薄弱层。当地震发生时，较小的地震力不会破坏挡块，挡块足以起到限位作用;当较大的地震力传来时，超过挡块的极限承载能力，于是薄弱层处的钢筋发生剪切滑移，挡块作为牺牲件失效，但保护了下部结构。薄弱层可以是施工时预留的干施工缝，或者合理配筋形成有效薄弱层。比如只将挡块的剪切钢筋伸入盖梁，而竖向构造钢筋等不伸入盖梁受力，也可采用只单排布筋等方法。构造见图7。

3.3 双保险式挡块

传统挡块往往在与盖梁的连接面处破坏，且只有一处破坏截面。不妨设计一种双保险式的挡块，即设置两个破坏截面，保证限位功能的同时也可以大大提高桥梁的抗震整体性及安全性［6］。

双保险挡块类似于人为设置薄弱层的挡块，只不过要将薄弱层上升至挡块中部，构造如图8所示。采取部分竖向钢筋截断并设置挡块顶部突起，以保证梁体先与挡块上部碰撞，薄弱层截面滑移;之后如果梁体继续滑动，则薄弱层以下挡块起作用，发生二次碰撞，作用发挥如传统挡块。

图7 设置薄弱层的挡块

图8 双保险式挡块[6]

3.4 构造措施

注重挡块自身设计的同时也要兼顾墩梁支承长度以及梁体与挡块初始间隙的设置。合理的支承长度既可保证桥梁的整体性，也能在横向挡块牺牲后保护梁体不落梁;而合理的初始间隙设置可以一定程度上调节梁体碰撞所带来的惯性力。

设计挡块的同时也要考虑与支座的配合，“保险丝”的思想也可用于支座的设置。同时，支座同样可以设计成减隔震单元，可以摩擦耗能或发生塑性形变，与挡块配合共同抵抗地震力。

4 结语

本文从汶川地震典型震害着眼，对梁体移位、挡块破坏、落梁、支座破坏等与挡块休戚相关的几类典型震害进行归纳分析。对挡块的抗震原理进行分析，得出采用板式橡胶支座的隔震梁桥，其抗震设计的关键是采用形式合理的挡块，设置足够的墩梁搭接长度，以控制梁体位移在可接受范围内而又不增加墩柱的地震力。从国内外挡块研究的发展及中外规范探究挡块设计的优化方法，发现中国规范的不足之处，并提出建议。通过规范比较，取长补短，从国内灾害实例及挡块设计功能定位出发，提出三类挡块优化方案，即弹塑性限位挡块、有薄弱层挡块及双保险式挡块，希望对我国的挡块设计与工程应用有所帮助。

［1］JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则［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］庄卫林，刘振宇，蒋劲松.汶川大地震公路桥梁震害分析及对策［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(7):1377-1387.

［5］徐略勤，李建中.钢筋混凝土横向挡块抗震性能试验研究［D］.上海:同济大学土木工程学院博士学位论文，2011.

［6］许 详，刘伟庆，徐秀丽.新型抗震挡块的抗震性能［J］.东南大学学报(自然科学版)，2009，39(Ⅱ):166.